Прошлое и будущее двигателей с постоянными магнитами

Сегодня на рынке двигателей все больше доминируют двигатели с постоянными магнитами. Эта тенденция не случайна—бесщеточные двигатели с постоянными магнитами продолжают быстро расти и, как ожидается, сохранят эту динамику в течение многих лет. Хотя электродвигатели были изобретены более века назад, двигатели с постоянными магнитами стали по-настоящему практичными только после разработки высокопроизводительных магнитных материалов.

Ранние двигатели с постоянными магнитами использовали простые стержневые магниты. К сожалению, эти магниты были низкого качества и непригодны для промышленного применения. Это ограничение побудило изобретателей экспериментировать с магнитами разных размеров, форм, структур и материалов, что в конечном итоге привело к созданию мощных и компактных постоянных магнитов, используемых в современных двигателях.

Постоянные магниты: первые электродвигатели

Самые ранние вращающиеся двигатели —позже известные как электродвигатели— были основаны на постоянных магнитах. Однако эти ранние машины существенно отличались от современных электродвигателей. Одним из пионеров в этой области был Майкл Фарадей, создавший, по общему мнению, первый электродвигатель. Опираясь на открытие Ганса Христиана Эрстеда о том, что электрические токи генерируют магнитные поля, и эксперименты Уильяма Волластона с токоведущими проводами, Фарадей сконструировал лабораторное устройство, преобразующее электрическую энергию во вращательное механическое движение.

В его двигателе использовались неподвижные и вращающиеся постоянные магниты, токопроводящие провода, ртутная ванна и аккумулятор. При протекании тока через цепь возникающее электромагнитное поле взаимодействовало с постоянным магнитом, создавая крутящий момент и вращательное движение.

После изобретения Фарадея другие новаторы усовершенствовали конструкции двигателей. В 1822 году Питер Барлоу представил “колесо Барлоу” — вращающееся устройство, в котором спицы колеса погружались в ртуть, создавая движение при подаче напряжения.

Электромагниты: поворотный момент в развитии двигателей

Несмотря на свое раннее использование, двигатели с постоянными магнитами вскоре выявили серьезные ограничения в приложениях высокой мощности. В XIX веке инженеры поняли, что электромагниты обеспечивают гораздо большую управляемость и плотность мощности. Британский изобретатель Уильям Стерджен разработал первый электромагнит в 1825 году, заложив основу электромагнитных двигателей.

В 1827 году венгерский изобретатель Аньос Едлик построил ранний вращающийся двигатель, использующий электромагнит и коллектор. Позже, в 1834 году, Мориц Герман Якоби представил первый практический электромагнитный двигатель постоянного тока, способный поднимать грузы и производить измеримую механическую мощность. Сам Якоби признавал, что его работа основывалась на более ранних изобретениях Ботто и Даль Негро.

Электромагнитные двигатели постоянного тока получили широкое распространение в конце XIX века, когда основным источником энергии был постоянный ток. Это доминирование было оспорено в 1889 году, когда Никола Тесла изобрел асинхронный двигатель переменного тока. Двигатели переменного тока имели более простую конструкцию, состоящую из статора и ротора, и работали на вращающемся магнитном поле, создаваемом многофазными переменными токами. Хотя двигатели переменного тока отличались простотой конструкции, первоначальные ограничения управления позволили двигателям постоянного тока оставаться распространенными в промышленных приложениях на протяжении десятилетий.

Возвращение двигателей с постоянными магнитами

До начала 20 века материалы постоянных магнитов ограничивались в основном природным магнетитом. Значительный прогресс начался с открытия новых магнитных сплавов, включая углеродистую сталь, кобальтовую сталь и вольфрамовую сталь. Однако этим материалам все еще не хватало достаточной магнитной прочности.

Крупный прорыв произошел с разработкой магнитов Alnico в 1930-х годах. Магниты Alnico, состоящие в основном из алюминия, никеля, кобальта и железа, были изготовлены с использованием передовых металлургических технологий и были намного прочнее более ранних материалов. В 1950-х годах появились ферритовые постоянные магниты, которые получили широкое распространение в небольших бытовых приборах.

Следующий крупный скачок произошел в 1960-х годах с изобретением редкоземельных кобальтовых магнитов, за которыми в 1980-х годах последовали магниты из неодима –железа–бора (NdFeB). Эти материалы обеспечивают беспрецедентную плотность магнитной энергии, что позволяет создавать компактные и эффективные конструкции двигателей. Бесщеточные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами стали коммерчески жизнеспособными в 1970-х годах, чему способствовали достижения в области силовой электроники и технологии электронной коммутации.

Будущее: нанокомпозитные постоянные магниты

Будущее двигателей с постоянными магнитами остается многообещающим, поскольку спрос на них продолжает расти в новых областях применения. Одной из самых интересных разработок является развитие нанокомпозитных постоянных магнитов. Эти сконструированные магнитные материалы —иногда называемые метаматериалами— объединяют твердые и мягкие магнитные фазы в наномасштабе для достижения превосходных магнитных характеристик.

В настоящее время нанокомпозитные магниты используются в таких областях, как биомедицина, хранение данных, магнитное разделение, датчики, катализаторы и пигменты. Поскольку материаловедение продолжает развиваться, эти магниты следующего поколения могут сыграть ключевую роль в будущей эволюции высокопроизводительных двигателей с постоянными магнитами.