Požadavky konstruktérů i uživatelů v oblasti automatizace, robotizace, automobilového průmyslu na zvyšování výkonu elektrických pohonů zároveň se zmenšováním jejich rozměrů způsobují velký rozvoj motorů s permanentními magnety (dále PM motory) ze vzácných zemin, zejména typu FeNdB. Jedná se o stejnosměrné komutátorové motory (Brushless DC motors), střídavé synchronní motory, krokové motory, aj.
Optimalizovaná konstrukce motoru s použitím nových magnetických materiálů dovoluje až pětinásobné momentové přetížení. Proto jsou tyto motory vhodné pro dynamicky náročné úlohy s nízkou spotřebou, jako je například provoz silničních elektromobilů.
PM motory se vyrábějí buď s magnety na statoru nebo na rotoru. Druhá možnost je výhodnější z hlediska chlazení motoru, vyžaduje však přesnou geometrii magnetů a je náročnější na technologii jejich fixace na jádro rotoru.
Způsoby realizace rotoru s permanentními magnety
a) Magnety ve tvaru obloukových segmentů (arc magnet), nalepené na ocelové jádro rotoru + bandáž
b) Totéž, ale magnety jsou vloženy do měděné matrice
c) Kompaktní prstenec, vyrobený z plastem pojeného magnetického prášku
d) Totéž, ale prstenec vyrobený ze sintrovaného magnetického materiálu
Varianty b) a c) jsou zjevně určité mezistupně, vedoucí k ideálnímu uspořádání d).
Porovnání
| Provedení | Prstenec z jednotlivých magnetů | Radiálně magnetovaný prstenec |
| Konstrukce | Magnety ve tvaru segmentů jsou nalepeny na ocelové jádro rotoru a opatřeny bandáží ze skelné tkaniny prosycené epoxidem | Prstenec je fixován na jádro rotoru buď mechaniky nebo lepidlem. |
| Vzhled, přesnost | Náročné na přesnost rozmístění magnetů – riziko nevyvážení
dávkování lepidla a fixace bandáže – riziko odchylek průměru a geometrie |
Přesnost je dána výrobními tolerancemi magnetu, zpravidla ±0,05 mm. Přesnost rozložení pólů je ±1o |
| Spolehlivost | Magnet nebo bandáž se může v nepříznivých podmínkách uvolnit (teplota, vibrace) | Mechanické uvolnění nebo porušení prstence je málo pravděpodobné. |
V následující tabulce je provedeno porovnání obou typů konstrukci z různých aspektů:
Porovnáme-li magnetické pole v okolí prstence z jednotlivých magnetů – var. a), b) s prstencem z kompaktního materiálu – var. c), d), vidíme značně rovnoměrnější průběh v druhém případě, a to i pro velkou hustotu pólů (na obrázku je 12-pólový rotor).
dálo by se tedy samozřejmé, že vítězí radiálně orientované prstencové magnety FeNdB. Situace je ale složitější. Shrňme si všechna pro a proti:
Výhody
- • Jednoduchý návrh a konstrukce
- • Přesná geometrie
- • Variabilní konfigurace magnetického uspořádání
- • Homogenní rozložení magnetického pole
- • Snadná montáž
- • Úspora nákladů (při velkých sériích)
Technologické obtíže
- Nutnost lisování v silném multipolárním magnetickém poli pro dosažení anizotropie v potřebných směrech
- Nutnost speciálních magnetizačních přípravků (cívek s pólovými nástavci) pro formování multipolární struktury pólů
- Vysoké magnetizační energie vzhledem k silnému demagnetizačnímu efektu blízkých pólů
- Nároky na pevnost materiálů kvůli extrémním silovým účinkům magnetizačního pole
To vše přináší vysoké nároky na technologii (HiTech) a také vysoké náklady přípravy výroby. Ze stejných důvodů je zatím značně omezena velikost vyráběných prstenců:
Současné výrobní možnosti velikostí (v mm):
|
Vnitřní průměr |
Vnější průměr |
Tloušťka stěny |
Délka |
|
| min |
25 |
29 |
2 |
2 |
| max |
56 |
60 |
7 |
25 (15*) |
* Pro sílu stěny 2-3 mm, dosahované tolerance ±0,05 mm
Možnosti magnetování
Prstence je možno magnetovat bipolárně (někdy nesprávně nazýváno unipolárně), kdy jeden pól je na vnitřní stěně a druhý na vnější stěně prstence. Toto uspořádání ovšem není vhodné pro užití v motorech.
Dále je možné magnetovat multipolárně, a to jak ve svislých, tak ve zkosených pruzích. Druhá varianta vede ke zvýšení kroutícího momentu a zlepšení rovnoměrnosti jeho průběhu.
Počet pólů není primárně omezen, ale prakticky vychází z minimální šíře pólu cca 5 mm.
Magnetizace bipolární multipolární přímá (straight) multipolární zkosená (skew)
Použití prstencových magnetů je velmi široké a stále roste. Závěrem uveďme jen několik příkladů.
Příklady použití
- Motory – užití ve strojírenství (pohon vřeten), robotice, řízení technologických procesů, chirurgiii (nucený oběh), krokové motory
- Servoventily
- EPS (elektronické řízení výkonu motoru automobilů)
- Startéry • Pohony ručního nářadí, sekaček,
- Magnetická ložiska
- Aktuátory
- Tachogenerátory
- Magnetické spojky
RNDr.Vladimír Šimík ředitel ABC Magnet s.r.o.
Zdroje a další literatura
P. Welander: Střídavé motory s permanentními magnety, Control Engineering, 2010
O. Novotný: Krokové motory (bakalářská práce ZČU v Plzni, 2014)
B. K. Bose: Power Electronics and Motor Drives : Advances and Trends. Academic Press, 2010
J. Novák: Uplatnění synchronních strojů v dopravní technice, Elektro 6/2006
P. Pillay, R. Krishnan: Modeling of permanent magnet motor drives. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 1988, roč. 35, č. 4, s. 537-541. http://machinedesign.com/
www.greatmagtech.com
http://www.nmbtc.com/motors/
http://www.aveko.com/
http://www.tgdrives.cz/
http://www.nema.org/
