Co je magnet motoru a jak ovlivňuje výkon motoru?

A magnet motoru je permanentní magnet nebo elektromagnet zabudovaný v elektromotoru, který generuje magnetické pole nezbytné k vytvoření rotační síly (točivého momentu). Bez magnetu motoru nedochází k žádnému magnetickému toku, žádné interakci s vodiči vedoucími proud, a tudíž ani mechanickému pohybu. Typ, třída, tvar a umístění magnetu motoru přímo určují, jak výkonný, účinný, kompaktní a tepelně stabilní bude motor v jakékoli dané aplikaci.

Kliknutím navštívíte naše produkty: Sintrovaný magnet NdFeB

Motorové magnety se používají prakticky ve všech průmyslových odvětvích – od sub-gramových mikromotorů ve sluchadlech po multimegawattové generátory s permanentními magnety v pobřežních větrných turbínách. Podle průmyslových údajů byl celosvětový trh motorů s permanentními magnety přehodnocen 42 miliard dolarů v roce 2023 a předpokládá se, že do roku 2030 překročí 72 miliard USD, což je způsobeno převážně elektrifikací v automobilovém průmyslu, průmyslové automatizaci a čisté energii. Pochopení toho, co je motorový magnet, jaké typy existují a jak vybrat ten správný, je zásadní pro inženýry, produktové designéry a profesionály v oblasti nákupu.

Jak funguje magnet motoru uvnitř elektromotoru?

Magnet motoru funguje tak, že vytváří stacionární nebo rotující magnetické pole, které interaguje s proudovými vodiči ve vinutí motoru a vytváří sílu – popsanou Lorentzovým silovým zákonem – která pohání rotor motoru k otáčení.

Základní princip činnosti každého motoru s permanentním magnetem spočívá na dvou fyzikálních zákonech:

• Amperův zákon : Proud procházející vodičem vytváří okolní magnetické pole.
• Lorentzův silový zákon : Na vodič s proudem umístěný v magnetickém poli působí mechanická síla kolmá jak na směr proudu, tak na směr pole.

Například u stejnosměrného motoru s permanentním magnetem (PMDC) jsou magnety motoru připevněny ke statoru (vnějšímu plášti) a vytvářejí statické magnetické pole. Když proud protéká vinutím rotoru, interakce mezi polem statoru a elektromagnetickým polem rotoru vytváří točivý moment, který způsobuje otáčení rotoru. Komutátor a kartáče (nebo v bezkomutátorových provedeních elektronický ovladač) plynule přepínají směr proudu, aby byla zachována jednosměrná rotace.

V a bezkomutátorový motor s permanentními magnety (BLDC/PMSM) místo toho jsou permanentní magnety namontovány na rotoru. Vinutí statoru je elektronicky komutováno, aby se vytvořilo rotující magnetické pole, které pronásledují permanentní magnety rotoru, čímž dochází k hladkému, vysoce účinnému otáčení s minimálním opotřebením.

Jaké typy motorových magnetů se používají v elektromotorech?

Existují čtyři hlavní typy motorových magnetů neodym železo bor (NdFeB) , kobalt samarium (SmCo) , alnico a ferit (keramika) magnety – každý s odlišnou magnetickou silou, teplotní tolerancí, cenou a profily odolnosti proti korozi.

1. Magnety motoru Neodym Iron Boron (NdFeB).

NdFeB magnety jsou nejsilnější permanentní magnety komerčně dostupné a jsou dominantní volbou v moderních vysoce výkonných motorových aplikacích včetně EV trakčních motorů, servomotorů a průmyslových BLDC motorů.

Magnety motoru NdFeB nabízejí energetické produkty (BHmax) od 35 MGOe až přes 55 MGOe ve slinuté formě — zhruba 5 až 15krát větší než magnetická energie feritových magnetů. Tato mimořádná hustota pole umožňuje, aby byly motory výrazně menší a lehčí při stejném výstupním momentu. Kompromisem je relativně špatná odolnost proti korozi (vyžadující povrchové povlaky, jako je nikl, zinek nebo epoxid) a maximální provozní teplota obvykle mezi 80 °C a 220 °C v závislosti na jakosti (standardní třída N až třída AH).

2. Magnety motoru Samarium Cobalt (SmCo).

Magnety motoru SmCo jsou preferovanou volbou pro aplikace s vysokými teplotami a korozivním prostředím a nabízejí vynikající magnetickou stabilitu od kryogenních teplot až do 350 °C bez nutnosti povrchové úpravy.

Magnety SmCo dosahují hodnot BHmax 16 až 32 MGOe , poněkud nižší než u špičkového NdFeB, ale s mnohem lepší tepelnou stabilitou a vlastní odolností proti korozi. Jsou široce používány v leteckých pohonech, olejových a plynových motorech a vojenských aplikacích, kde teplotní extrémy činí NdFeB nevhodným. Hlavním omezením je cena – magnety SmCo obvykle stojí 3 až 5krát více na kilogram než ekvivalentní třídy NdFeB.

3. Magnety motoru Alnico

Motorové magnety Alnico – složené z hliníku, niklu a kobaltu – byly dominantním typem motorových magnetů předtím, než se v 70. letech objevily magnety ze vzácných zemin a stále se používají v aplikacích vyžadujících velmi vysokou teplotní odolnost v kombinaci s vynikající odolností proti korozi.

Alnico magnety mohou pracovat nepřetržitě nahoře 450 °C — daleko přesahující jakoukoli alternativu vzácných zemin nebo feritu. Jejich energetický produkt je však nízký (1–10 MGOe) a jejich koercivita je extrémně špatná, což znamená, že se snadno demagnetizují působením protilehlých magnetických polí nebo fyzického šoku. Moderní aplikace jsou specializované: kytarové snímače, určité senzory, vysokoteplotní měřiče a náhrady starších motorů.

4. Feritové (keramické) magnety motoru

Feritové motorové magnety jsou objemově nejrozšířenějším typem magnetů na světě, dominují cenově citlivým aplikacím na masovém trhu, jako jsou motory pro domácí spotřebiče, automobilové pomocné motory a malé elektrické nářadí.

Feritové magnety nabízejí skromné energetické produkty 1 až 5 MGOe ale jsou extrémně levné (často pod 1 dolar za kus), přirozeně odolné vůči korozi a schopné provozu až do 250 °C. Jejich nízká cena a dobrá koercivita (odolnost proti demagnetizaci) je činí ideálními pro velkoobjemové, cenově konkurenceschopné segmenty motorů, kde maximální hustota výkonu není primárním hnacím motorem návrhu.

Typy magnetů motoru: Porovnání výkonu

Výběr správného materiálu magnetu motoru vyžaduje vyvážení magnetické síly, provozní teploty, odolnosti proti korozi a nákladů. Níže uvedená tabulka shrnuje klíčové výkonové parametry čtyř hlavních typů motorových magnetů.

Jaký tvar magnetu motoru je vhodný pro vaši aplikaci?

Tvar magnetu motoru není pouze geometrickým detailem – přímo řídí, jak je magnetický tok koncentrován, distribuován a spojen se vzduchovou mezerou motoru, což ovlivňuje hustotu točivého momentu, točivý moment ozubení a tvar vlny zpětného EMF.

Mezi nejběžnější tvary magnetů motoru patří:

Magnety obloukového segmentu (dlaždice).

Magnety obloukového segmentového motoru jsou nejrozšířenějším tvarem u válcových kartáčovaných a bezkomutátorových motorů, přizpůsobují se zakřivenému vnitřnímu povrchu statoru, aby maximalizovaly hustotu toku vzduchové mezery a minimalizovaly únik toku.

Tyto zakřivené magnety jsou spojeny nebo zalisovány kolem rotoru nebo uvnitř vývrtu statoru. Geometrie oblouku zajišťuje konzistentní úzkou vzduchovou mezeru (typicky 0,5 mm až 2 mm u přesných motorů), která přímo souvisí s výstupním kroutícím momentem – 10% snížení vzduchové mezery může u srovnatelných motorů zvýšit hustotu točivého momentu přibližně o 15–20 %.

Blokové a tyčové magnety

Obdélníkové blokové nebo tyčové magnety motoru se používají v lineárních motorech, ovladačích kmitací cívky a konfiguracích motorů s plochým balením, kde je vyžadována spíše rovinná než válcová geometrie pole.

Blokové magnety jsou také běžné v konstrukcích motorů s axiálním tokem, kde je více plochých magnetů uspořádáno do vzoru Halbachova pole na rotoru ve tvaru kotouče, aby koncentrovaly tok na jedné straně a rušily ho na druhé – což zlepšuje využitelnou hustotu toku až o 40 % ve srovnání s jednoduchým střídavým uspořádáním pólů o stejné hmotnosti magnetu.

Prstencové a kotoučové magnety

Magnety prstencových a kotoučových motorů se používají v malých motorech s axiálním polem, krokových motorech a senzorech, kde centrálně magnetizovaný kotouč poskytuje jednoduchý, kompaktní magnetický obvod s minimálními montážními kroky.

Vícepólové prstencové magnety – jeden prstenec magnetizovaný se střídajícími se severními a jižními póly po svém obvodu – jsou zvláště cenné v miniaturních BLDC motorech (automatické ostření fotoaparátu, lékařské pumpy, ovládání sklonu dronu), protože eliminují potřebu více samostatných magnetů, snižují náklady na montáž a zlepšují rovnováhu.

Konfigurace Halbachových polí

Halbachovo pole je prostorové uspořádání motorových magnetů s progresivně rotovanými směry magnetizace, které soustřeďuje magnetické pole na jednu stranu pole, zatímco ho téměř eliminuje na druhé – což umožňuje lehčí, tokově účinnější konstrukce motorů.

Pole Halbach se stále více používají ve vysoce účinných EV motorech a systémech maglev. Jednostranná koncentrace toku umožňuje odstranit nebo ztenčit zadní železo rotoru (konstrukční ocel, která normálně doplňuje magnetický obvod), čímž se sníží hmotnost rotoru až o 30 % a výrazně zlepšuje poměr výkonu a hmotnosti.

Jak umístění magnetu motoru ovlivňuje design motoru

Umístění motorových magnetů – ať už povrchových, zapuštěných nebo paprskově uspořádaných na rotoru – má zásadní vliv na momentovou charakteristiku motoru, rozsah otáček a vhodnost pro různé cykly pohonu.

Motory s povrchovou montáží s permanentními magnety (SPM).

U motorů SPM jsou magnety přichyceny nebo přidržovány na vnějším povrchu rotoru, což poskytuje jednoduchou konstrukci, nízký točivý moment ozubení a vynikající výkon při vysokých otáčkách – díky tomu jsou ideální pro aplikace s konstantní rychlostí a vysokou rychlostí.

Protože magnety jsou odkryté na povrchu rotoru, vysoké odstředivé síly při zvýšených rychlostech (nad 10 000 ot./min v mnoha provedeních) vyžadují retenční pouzdro z uhlíkových vláken nebo nerezové oceli, aby se zabránilo oddělení magnetu. Motory SPM vykazují relativně nízkou význačnost (Ld ≈ Lq), což znamená, že příspěvek reluktančního točivého momentu je minimální a produkce točivého momentu závisí téměř výhradně na interakci toku permanentního magnetu.

Motory s vnitřním permanentním magnetem (IPM).

Motory IPM zabudovávají magnety motoru do lamel rotoru, což umožňuje jak krouticí moment permanentního magnetu, tak reluktanční krouticí moment, který přispívá k výkonu – vytváří vyšší hustotu točivého momentu a širší rozsah otáček konstantního výkonu (rozsah zeslabení pole) než konstrukce SPM.

Motory IPM jsou dominantní architekturou v moderních trakčních motorech pro elektrická vozidla, protože jejich konfigurace podzemních magnetů poskytuje vlastní ochranu proti odstředivým silám, umožňuje agresivní zeslabení pole pro vysokorychlostní jízdu po dálnici a může dosáhnout vyšší účinnosti. 96 % ve špičkových provozních bodech . Konfigurace kapsy magnetu ve tvaru V a ve tvaru delta běžné u rotorů IPM jsou speciálně navrženy tak, aby maximalizovaly příspěvek reluktančního točivého momentu.

Jaké klíčové parametry definují kvalitu magnetu motoru?

Čtyři nejdůležitější parametry, které definují kvalitu magnetu motoru, jsou remanence (Br) , koercivita (Hc) , energetický produkt (BHmax) a maximální provozní teplota (Tmax) — společně určují, jak silný, odolný proti demagnetizaci, tepelně stabilní a velikostně účinný bude magnet v provozu.

Kde se používají magnety motoru? Klíčové aplikační sektory

Magnety motoru se nacházejí prakticky v každém elektromechanickém systému v moderním průmyslu – od lékařských mikropoháněčů v miligramovém měřítku až po generátory větrných turbín v megawattovém měřítku. Pochopení aplikačních požadavků každého sektoru objasňuje, proč na různých trzích dominují různé typy magnetů.

Elektrická vozidla (EV) a hybridní vozidla

Vysoce kvalitní slinuté magnety NdFeB motoru (typicky třídy N45H až N52H s přídavkem dysprosia pro vysokou koercitivitu při zvýšených teplotách) dominují aplikacím trakčních motorů EV díky jejich bezkonkurenčním požadavkům na hustotu výkonu.

Typický trakční motor pro osobní vozidla střední velikosti obsahuje 1 až 3 kg NdFeB magnetů . Vzhledem k tomu, že celosvětová výroba elektromobilů má do roku 2030 dosáhnout 40 milionů kusů ročně, očekává se, že poptávka po vysoce výkonných NdFeB motorových magnetech poroste v průběhu desetiletí složeným ročním tempem přesahujícím 14 %.

Průmyslová automatizace a servomotory

Přesné servomotory používané v CNC obrábění, robotice a automatizovaných výrobních linkách se spoléhají na vysoce kvalitní NdFeB nebo SmCo motorové magnety pro jejich kombinaci vysoké hustoty točivého momentu, přesné regulace polohy a tepelné stability při nepřetržitých pracovních cyklech.

U robotických pohonů kloubů, kde se motor musí vejít do obálky kloubu a zároveň dodávat špičkové krouticí momenty 10–200 Nm, je energetický produkt magnetu motoru často primárním limitujícím faktorem miniaturizace motoru. SmCo je upřednostňován v servo aplikacích nad 150 °C, kde je pro přesnost polohování kritický konzistentní točivý moment napříč širokými teplotními výkyvy.

Spotřební elektronika a domácí spotřebiče

Feritové magnety motorů drtivě dominují motorům spotřebitelských spotřebičů – včetně bubnových motorů praček, motorů kompresorů chladniček, motorů vysavačů a motorů mixérů – kvůli jejich nízké ceně a adekvátnímu výkonu pro tyto pracovní cykly.

V miniaturních spotřebitelských aplikacích, jako jsou vibrační motory smartphonů, akční členy optické stabilizace obrazu (OIS) fotoaparátu a chladicí ventilátory notebooků, jsou preferovány lepené magnety NdFeB (vstřikované nebo lisované), protože je lze tvarovat do složitých tvarů, které nelze dosáhnout pomocí slinutých magnetů, což umožňuje velmi kompaktní geometrie motoru.

Větrná energie a výroba elektřiny

Velké generátory větrných turbín s přímým pohonem využívají mnohatunové množství magnetů motorů NdFeB na jednotku a toto odvětví je jedním z nejrychleji rostoucích hybatelů poptávky po vysoce výkonných motorových magnetech na celém světě.

Může obsahovat jeden generátor větrné turbíny s přímým pohonem na moři o výkonu 5 MW 2 000 až 4 000 kg permanentních magnetů NdFeB . Eliminace převodovky u konstrukcí s přímým pohonem – umožněná vysokou hustotou točivého momentu generátorů s permanentními magnety – výrazně snižuje požadavky na údržbu, což je kritický faktor pro instalace na moři, kde je přístup nákladný a obtížný.

Jak vybrat správný magnet motoru pro vaši aplikaci

Výběr správného magnetu motoru vyžaduje vyhodnocení pěti klíčových kritérií: požadovaný produkt magnetické energie, maximální provozní teplota, vystavení okolnímu prostředí, omezení fyzické velikosti a cíle jednotkových nákladů.

• Krok 1 — Definujte rozsah provozních teplot : Pokud motor za normálního provozu dosáhne teploty nad 150 °C, standardní NdFeB je diskvalifikován. Vyberte třídy SH, UH nebo EH se zvýšeným obsahem dysprosia nebo přejděte na SmCo pro teploty nad 200 °C.
• Krok 2 — Určete požadovaný BHmax : Vypočítejte požadovanou hustotu toku vzduchové mezery z vašich cílů točivého momentu a geometrie motoru. Použijte toto pro práci zpět na minimální požadovaný BHmax. Pokud ferit dosáhne cíle, použijte ferit – není důvod platit za výkon vzácných zemin, který nepotřebujete.
• Krok 3 — Posuďte prostředí : Vlhké, slané nebo chemicky agresivní prostředí upřednostňuje ferit nebo SmCo pro jejich vlastní odolnost proti korozi. Pokud je nutný NdFeB, specifikujte vhodný ochranný povlak (nikl, epoxid, parylen) pro úroveň expozice.
• Krok 4 — Vyhodnoťte proveditelnost tvaru magnetu : Komplexní křivky a tenkostěnné geometrie jsou dosažitelné u slinutého NdFeB, ale mohou vyžadovat úzké tolerance obrábění a zvyšují náklady. Lepený NdFeB nebo vstřikovaný ferit jsou lepší volbou pro složité geometrie při vysokých objemech.
• Krok 5 – Zvažte riziko dodavatelského řetězce : NdFeB a SmCo obsahují prvky vzácných zemin (primárně pocházejí z geograficky koncentrovaného dodavatelského řetězce). U konstrukcí citlivých na náklady nebo na dodavatelský řetězec může být strategicky odůvodněné vyhodnocení alternativ na bázi feritu – dokonce i při určitém snížení účinnosti motoru.

Často kladené otázky o magnetech motoru

Může magnet motoru časem ztratit svůj magnetismus?

Ano, ale u dobře navržených motorů využívajících moderní magnety s vysokou koercitivitou je rychlost demagnetizace za normálních provozních podmínek extrémně nízká. Magnety NdFeB vykazují typickou nevratnou ztrátu toku menší než 1 % během 10 let při jmenovité teplotě. Primárními příčinami významné demagnetizace jsou trvalé vystavení teplotám nad jmenovitým maximem magnetu, silná protilehlá magnetická pole (jako při zkratových poruchách) a fyzické otřesy nebo vibrace, které narušují zarovnání domén v materiálech s nízkou koercitivitou, jako je alnico.

Jaký je rozdíl mezi slinutým a lepeným magnetem motoru?

Slinuté magnety motoru se vyrábějí zhutňováním a tepelným slinováním magnetického prášku pod vysokým tlakem, výsledkem je hustý, plně krystalizovaný materiál s maximálními magnetickými vlastnostmi – ale omezenou tvarovou složitostí a křehkostí. Lepené magnety motoru mísí magnetický prášek s polymerním pojivem a jsou vstřikovány nebo lisovány do geometrií téměř čistého tvaru s užšími rozměrovými tolerancemi a lepší mechanickou houževnatostí. Vázaný NdFeB má zhruba 50–70 % energetického produktu slinutého NdFeB, ale nabízí mnohem větší flexibilitu designu a je preferován v miniaturních aplikacích motorů s komplexní geometrií.

Proč některé motorové magnety obsahují dysprosium?

Dysprosium (Dy) se přidává do NdFeB motorových magnetů pro zvýšení koercitivity — odolnosti vůči demagnetizaci při zvýšených teplotách. Jak teplota stoupá, koercitivní pole NdFeB klesá; bez přídavku dysprosia by standardní typy utrpěly nevratnou částečnou demagnetizaci v tepelně náročných motorových prostředích. Přídavky dysprosia 2–10 hm. % ve vysokoteplotních NdFeB jakostech (SH, UH, EH) umožňují těmto magnetům udržet si adekvátní koercitivitu až do 200–220 °C, což umožňuje použití v EV trakčních motorech, servopohonech a dalších náročných aplikacích.

Jaký povlak by měl být použit na magnety motoru NdFeB?

Nejběžnější povlak pro magnety motoru NdFeB je nikl-měď-nikl (Ni-Cu-Ni), který poskytuje vynikající přilnavost, přiměřenou odolnost proti korozi a tvrdý povrch odolný proti opotřebení. Pro aplikace s vyšší vlhkostí nebo chemickou expozicí poskytuje povlak z epoxidové pryskyřice silnější, nepropustnější bariéru, ale s nižší mechanickou tvrdostí. Zinkové povlaky nabízejí nákladovou efektivitu pro vnitřní aplikace se střední vlhkostí. Pro nejnáročnější námořní nebo chemická prostředí poskytuje parylen (napařovaný konformní povlak) nejlepší korozní bariéru, ale s nejvyššími náklady na kus.

Kolik pólů by mělo mít uspořádání magnetů motoru?

Optimální počet pólů v uspořádání motorového magnetu závisí na cílové rychlosti, hustotě točivého momentu a požadavcích na účinnost. Více pólů při stejné rychlosti zvyšuje elektrickou frekvenci, což zvyšuje ztráty železa ve statoru, ale umožňuje kratší délky koncových závitů (snížení ztrát mědi a axiální délky motoru). Nízkorychlostní motory s přímým pohonem s vysokým kroutícím momentem (jako jsou větrné generátory nebo nábojové motory) obvykle používají 20–100 pólů pro generování požadovaného točivého momentu při nízkých otáčkách bez převodovky. Vysokorychlostní motory (20 000 ot./min) obvykle používají méně pólů (4–8), aby udržely elektrickou frekvenci v mezích zvládnutelných pro spínací elektroniku.

Jsou magnety motoru recyklovatelné?

Ano, magnety motorů NdFeB jsou recyklovatelné a obnova vzácných zemin z motorů na konci životnosti je aktivní oblastí průmyslového rozvoje. Hydrometalurgické, pyrometalurgické a přímé recyklační procesy mohou získat zpět 90 % obsahu vzácných zemin ze šrotu NdFeB. Od roku 2024 je však méně než 5 % prvků vzácných zemin v motorech s ukončenou životností ve skutečnosti celosvětově recyklováno – především kvůli složitosti demontáže spojených nebo zapouzdřených magnetů motoru v průmyslovém měřítku. Regulační tlak v Evropě a Severní Americe urychluje investice do infrastruktury pro recyklaci magnetů motorů jako součást agendy zabezpečení dodávek kritických materiálů.

Závěr: Magnet motoru je srdcem každého motoru s permanentním magnetem

The magnet motoru je mnohem víc než jen pasivní součást – je to primární prvek přeměny energie, který definuje hustotu výkonu, účinnost, tepelné limity a životnost jakéhokoli elektromotoru s permanentním magnetem. Výběr správného materiálu magnetu motoru, jakosti, tvaru a konfigurace je jedním z nejdůslednějších technických rozhodnutí při návrhu motoru.

Pro většinu moderních vysoce výkonných aplikací — EV trakce, servorobotika, větrné elektrárny a přesná lékařská zařízení — slinuté magnety motoru NdFeB při vhodných teplotních stupních zůstávají referenční volbou a poskytují bezkonkurenční energetický produkt v kompaktním, cenově stále více konkurenceschopném balení. Pro tepelně extrémní nebo korozivní prostředí poskytuje SmCo bezkonkurenční stabilitu. U motorů pro velkoobjemové velkoobjemové trhy, které jsou citlivé na náklady, nadále dominuje objemově ferit.

Jak se elektrifikace v dopravě, průmyslu a výrobě energie zrychluje, strategický a technický význam motorového magnetu bude jen růst. Inženýři, kteří hluboce rozumí výběru motorových magnetů – od remanence a koercitivity po chemii povlaků a geometrii Halbachova pole – budou mít nejlepší pozici pro návrh nové generace účinných, spolehlivých a kompaktních elektromotorů.