Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Сделано из магнитопластов
Поле изделий из магнитопластов можно увидеть с помощью магнитной плёнки

STRF.ru: Магнитный король

Ключевые слова:  New Scientist, Магниты, МГУ, Электродвигатели

Опубликовал(а):  Доронин Федор Александрович

18 ноября 2010

В минувшее жаркое лето москвичи расхватывали кондиционеры, как горячие пирожки, особо не присматриваясь к характеристикам приборов. Собственно, самый дешёвый китайский агрегат ни по одному из важных для покупателя параметров не отличается от самого дорогого японского. За одним исключением: дорогостоящие модели работают бесшумно и не мешают спокойному сну своих обладателей. А всё дело в двигателе.

Другой пример: искушённый автолюбитель, безусловно, оценит качественный электроусилитель руля с как можно более плавным вращением двигателя. Он готов нести дополнительные расходы на энергопотребление, но подайте ему плавность вращения! А ведь чем мощнее двигатель, тем сильнее у него выражен «зубцовый эффект» (угловая неоднородность механического момента) и тем меньше плавность вращения. Вибрация, лязг, шум – это всё следствия зубцового эффекта.

За счёт чего создается этот эффект? Статоры (неподвижная часть электродвигателя, генерирующая магнитное поле – Ред.) для современных двигателей изготовляют из мелких кусочков материала – их намагничивают особым образом и спекают в единое целое. Между кусочками постоянных магнитов существует «мёртвая зона» с заметно более низкой намагниченностью – при прохождении ротором (вращающаяся часть электродвигателя – Ред.) этой границы в работе двигателя и происходит резкий скачок, как если бы колесо на дороге налетело на ухаб.

Для того чтобы «сгладить ухабы», необходимо создать более плавную доменную границу и таким образом избежать встряски на стыках между фрагментами. За счёт увеличения количества спеченных кусочков проблему не решить: вместе с этим возрастет и количество мёртвых зон. Но представим, что у нас есть материал, из которого можно формировать изделия какой угодно формы, с произвольной конфигурацией магнитных полюсов и любыми нужными магнитными свойствами, без «мёртвых зон» – тогда встрясок уже не будет. Созданием таких материалов занимаются учёные физического факультета МГУ и сотрудники компании «Валтар». Они же рассчитывают параметры магнитных систем и электродвигателей, собственно создавая общую теорию электродвигателей.

Какой магнит лучше?

«Современные постоянные магниты не отличаются высоким качеством и требуют специальной обработки перед использованием. Мы поставили перед собой цель – изготовить качественные редкоземельные магнитотвердые магнитопласты», – рассказывает старший научный сотрудник физического факультета МГУ Владимир Милов, который более тридцати лет занимается исследованием магнитных материалов.

Магнитопласты – это полимерные постоянные магниты. Они изготавливаются из смеси магнитного порошка с магнитотвердыми свойствами и связующего полимера. Грубо говоря, это пластмасса с магнитным порошком, способная работать как полноценный магнит.

В чём преимущества магнитопластов? Дело в том, что у большинства современных готовых магнитов из сплавов Al-Ni-Co (алюминий-никель-кобальт), ферритов или спеченных Nd-Fe-B (неодим-железо-бор) невозможно изменить оси намагничивания – направления в материале, вдоль которых затраты энергии по его намагничиванию минимальны. Они задаются ещё до процесса спекания при высокой температуре. Если хоть сколько-нибудь сложную деталь – тот же статор – формировать из фрагментов с разнонаправленными осями (и, следовательно, разнородным намагничиванием) – на стыках этих участков непременно образуются «мёртвые зоны». Именно поэтому во многих моторах, генераторах и двигателях, изготовленных подобным образом, возникают краевые эффекты, в том числе зубцовый. Что же касается редкоземельных магнитопластов, то эти изотропные материалы можно намагнитить в разных направлениях, у них нет преимущественных осей намагничивания. Магнитопласты могут быть использованы при создании изделий любой сложной формы. Причём задавать им необходимые магнитные характеристики можно уже после изготовления. Всё это может гарантировать работу двигателей без «встрясок».

Для изготовления магнитопластов используют металлический порошок, полученный быстрой закалкой. Сначала материал получают в аморфном виде, а потом с помощью специальных термических обработок добиваются в нем роста чешуек-нанокристалликов размером в 30–40 нанометров. После этого порошок перемешивают с органическими веществам, способными к превращению в полимеры. В результате реакции полимеризации получают прочные магнитопласты, которые затем специально намагничивают. «Это достаточно сложная задача, наше ноу-хау», – подчеркивает Милов. Для этого требуются более сильные магнитные поля, чем у обычных магнитов, и дорогие соленоиды (катушки с проводником, генерирующие магнитное поле – Ред.) специальной конструкции. Несмотря на эти сложности, на основе магнитопластов учёные могут создавать многополюсные магниты или магниты со специальной формой магнитного поля. Причём и те, и другие меньше по весу в сравнении со спеченными магнитами, обладают высоким сопротивлением и устойчивостью к коррозии.

Чем отличается фен от электродвигателя?

Прогресс электротехники в конструировании двигателей малой мощности, как ни странно, оказался за последние десятилетия довольно незначительным. Существующие двигатели малой мощности характеризуются очень низкими электротехническими параметрами – более того, чем меньше мощность двигателя, тем они хуже.

«У серийно выпускаемых двигателей, которые устанавливаются на наши современные ракеты и спутники, характерные значения коэффициента полезного действия (КПД) не превышают 30–50 процентов. Собственно, отождествление стандартного электродвигателя с хорошо замаскированным феном было бы вполне справедливо.

Из тех 600 Ватт, которые он потребляет из электрической сети, только сорок процентов превращается в полезную работу, а остальное затрачивается на нагрев обмоток. Необходима очень высокая скорость двигателя, чтобы продуть через него достаточное количество воздуха. И при малейшей остановке он мгновенно раскаляется и выходит из строя. Причём при ближайшем рассмотрении у самого дешевого китайского инструмента и наиболее дорогого профессионального устройства окажутся одинаковые электротехнические характеристики двигателя, а качество будет определяться специальными ухищрениями – использованием термостойкой пластмассы и материалов, выдерживающих кратковременный нагрев», – объясняет Милов.

Электродвигатели делятся на два больших класса. У двигателей первого класса магнитное поле создает переменный электрический ток, а во втором случае используются постоянные магниты.

В настоящее время в лучших образцах электродвигателей малой мощности используются постоянные магниты из редкоземельных материалов, что позволяет существенно повысить энергосберегающие возможности механизма. Но у таких двигателей всё-таки есть и свои недостатки – большой вес и неспособность в достаточной мере концентрировать магнитное поле в рабочем объёме. Использование магнитопластов решает эти проблемы. На их основе учёные из МГУ создали вентильные двигатели разной мощности и низкооборотные электродвигатели с высоким моментом для электроусилителя руля без зубцового эффекта. Они рассчитали и изготовили опытные образцы двигателей с КПД около 85 процентов. По словам Милова, количество сэкономленной электроэнергии будет несущественным, но при равных тепловых потерях такой двигатель будет в три раза мощнее, со значительно большим вращающим моментом.

По сути, московские учёные создали основы серийного производства магнитных систем улучшенного качества, которые уже находят свое применение. Их можно найти в коллекторных и вентильных двигателях, в датчиках положения, вращения и ускорения, а также в качестве муфт, выдерживающих вакуум и высокое давление, используемых, например, в пищевой промышленности. Они используются в различных генераторах – от индивидуальных компактных (например, в фонариках и приборах ночного видения) до мощных генераторов сверхдолгих импульсов, в измерителях уровня жидкости и диагностических приборах, в сверхминиатюрных громкоговорителях, специальных динамических микрофонах и охранных системах сигнализации, в гибридных электродвигателях и… автомобилях ВАЗ.

Но на этом Милов и его сотрудники останавливаться не собираются. Разрабатывая более совершенные электродвигатели, учёные обнаружили, что как таковой теории электродвигателей всё ещё не существует, несмотря на обилие литературы по данному вопросу. Также ни в одной книге нельзя найти формулы расчёта момента электродвигателя или плавности его вращения. Поэтому ещё одно направление работы учёных – попытки создания хотя бы полуколичественной теории работы электродвигателей. «Мы активно этим занимаемся, привлекая ведущих математиков, а также аспирантов и студентов, пытаясь учесть многие характеристики двигателей – не только вращающий момент, но и шумы, равномерность вращения и скорость реакции. Однако эта работа ещё далека от завершения», – подытоживает Милов.

Работа учёных ведётся в рамках государственных контрактов (07.03.2007 г. № 02.516.11.6011 – «Повышение эффективности существующих и разработка новых электродвигателей и электрогенераторов на базе монолитных магнитных систем из редкоземельных магнитопластов» и 09.11.2009 г. № 02.526.11.6016 – «Разработка новых высокоэффективных электродвигателей на базе монолитных магнитных систем из редкоземельных магнитопластов и создание опытно-промышленного производства двигателей»).




Комментарии
Уважаемые учёные, сопровождайте свои эмоции словами, пожалуйста. А то мне, как неспециалисту в данной области, непонятны ваши гримасы. Над чем плакать, над чем смеяться?
Трусов Л. А., 22 ноября 2010 23:38 
первая гримаса явно намекает, что залихватское очернение всего китайского, красной нитью проходящее через всю статью, уже давно не соответствует действительности. и есть подозрение, что пока "московские учёные создали основы серийного производства магнитных систем", в Китае уже наладился их массовый выпуск.
и тут мы вспоминаем, что неодим (о ужас) производится в основном в Китае... и "магнитный король" оказывается голым.
Светлана Владимировна, поясню.

----
Магнитопласты – это полимерные постоянные магниты. Они изготавливаются из смеси магнитного порошка с магнитотвердыми свойствами и связующего полимера. Грубо говоря, это пластмасса с магнитным порошком, способная работать как полноценный магнит.
----

В детстве я месил стальные опилки с пластилином. И намагничивал то что получилось обломком магнита от динамика. Оказывается, это называется магнитопласт и это предельно круто.
В более зрелом возрасте я точно так же делал магниты для мешалок, только использовал порошок магнетита и эпоксидку.

----
Дело в том, что у большинства современных готовых магнитов из сплавов Al-Ni-Co (алюминий-никель-кобальт), ферритов или спеченных Nd-Fe-B (неодим-железо-бор) невозможно изменить оси намагничивания – направления в материале, вдоль которых затраты энергии по его намагничиванию минимальны. Они задаются ещё до процесса спекания при высокой температуре.
----

Феррит неодимовым магнитом легко перемагничивается в любом направлении. Про спекание вообще не понял - они что с точкой Кюри не знакомы? Какое намагничивание перед спеканием?

----
Для изготовления магнитопластов используют металлический порошок, полученный быстрой закалкой. Сначала материал получают в аморфном виде, а потом с помощью специальных термических обработок добиваются в нем роста чешуек-нанокристалликов размером в 30–40 нанометров. После этого порошок перемешивают с органическими веществам, способными к превращению в полимеры. В результате реакции полимеризации получают прочные магнитопласты, которые затем специально намагничивают. «Это достаточно сложная задача, наше ноу-хау»,
----

Пластилин и опилки, дубль два.

----
Для этого требуются более сильные магнитные поля, чем у обычных магнитов, и дорогие соленоиды (катушки с проводником, генерирующие магнитное поле – Ред.) специальной конструкции.
----

Мда... Электромагниты тоже вручную наматывал. Ничего особо сложного. Конечно, с вычурным полем придётся помучаться, но вполне решаемо.

----
[I]У серийно выпускаемых двигателей, которые устанавливаются на наши современные ракеты и спутники, характерные значения коэффициента полезного действия (КПД) не превышают 30–50 процентов. Собственно, отождествление стандартного электродвигателя с хорошо замаскированным феном было бы вполне справедливо.

Из тех 600 Ватт, которые он потребляет из электрической сети, только сорок процентов превращается в полезную работу, а остальное затрачивается на нагрев обмоток. Необходима очень высокая скорость двигателя, чтобы продуть через него достаточное количество воздуха. И при малейшей остановке он мгновенно раскаляется и выходит из строя.[/I]
---

КПД электродвигателя 40% - это круто. И накаливание его при остановке - тоже. И потоки воздуха для охлаждения там совсем небольшие.

----
Разрабатывая более совершенные электродвигатели, учёные обнаружили, что как таковой теории электродвигателей всё ещё не существует, несмотря на обилие литературы по данному вопросу.
----

То есть, ещё и теории электродвигателей нет. Все электродвигатели, сделанные в мире - это кустарно-эмпирические поделки.

В общем, или журналисты исказили текст до потери здравого смысла или одно из двух.
Лев Артёмович, честно говоря, я не понял, что такого выдающегося сделали эти учёные. А китайцев поругать, так с Китая не убудет.

Кстати, пошли первые слухи о сокращении Китаем экспорта лантанидов.
Трусов Л. А., 23 ноября 2010 10:32 
Про спекание вообще не понял - они что с точкой Кюри не знакомы? Какое намагничивание перед спеканием?

ну, имеются в виду анизотропные магниты. их там, например, сначала прессуют в магнитном поле, а потом спекают. bonded magnets - это действительно прикольно. но статья написана отвратительно, и не понятно, что же такое сделали сотрудники мгу и как это может конкурировать с китайцами. а статей Владимира Милова я что-то не нашел.
А при спекании размагничивания не происходит?
Трусов Л. А., 23 ноября 2010 12:21 
потом опять намагничивают
А смысл прессовать в магнитном поле? Если потом размагнитится и придётся намагничивать заново?
Трусов Л. А., 23 ноября 2010 15:00 
это всё из-за магнитной анизотропии.
ожидается, что частички повернутся осями легкого намагничивания вдоль поля, а потом у магнита будут примерно такие свойства - при намагничивании вдоль одной оси будет жирный, сочный гистерезис, а вдоль другой хилый и чахлый.
в статье намекают, что из частиц, диспергированных в полимере, можно создавать магниты не только с одной осью, но и "многополюсные магниты или магниты со специальной формой магнитного поля".
Маршевые двигатели ракет вроде не электрические, поэтому сравнение КПД не очень информативно. Привели бы ещё параметры электроустановки, которая может вывести на орбиту аналогичный полезный груз .

В статье речь идёт, наверное, о т.н. brushless (прям.пер. "бесщёточные") двигателях с магнитами NdFeB, названных в России вентильными. Именно у них КПД достигает те 85% (на нагрузках, близких к номинальным). Китай их производит в промышленных масштабах (наверное, без хитрой "общей теории элллектродвигателей"). На них работает почти весь парк современных РУ электрических аппаратов и все современные электромобили, мотоциклы, велосипеды. Приводы в видеокамерах и фотоаппаратах - тоже они.
Про зубцовый эффект в первый раз прочитал здесь. Может он и вправду такой нехороший, что с ним надо бороться.

Для справки - вентильный двигатель РУ вертоллёта на 250Вт весит 80г, вмещается в объём двух спичечных коробков, стоит 300р.

Не понял что такое генератор сверхдолгих импульсов? Импульсы вроде на то и импульсы, что должны быть короткими. Или я отстал от жизни? Источник постоянного тока - генератор самых долгих импульсов .

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Ещё про декабрист
Ещё про декабрист

VIII Международная Конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов»
VIII Международная Конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» (http://dfmn.imetran.ru/) пройдет в Москве (ИМЕТ РАН) с 19 по 22 ноября 2019 г. В рамках Конференции пройдет Молодежная школа-конференция.

Более 770 площадок пожелали присоединиться к Всероссийскому химическому диктанту с международным участием 18 мая
Более 770 площадок подали заявки на участие во II Всероссийском химическом диктанте, который в этом году пройдет с международным участием 18 мая в 13:00. Мероприятие организовано Московским государственным университетом имени М.В. Ломоносова, Химическим факультетом МГУ и корпорацией «Российский учебник» при поддержке Ассоциации учителей и преподавателей химии.

Найдены превращающие свет в электричество камни
Ученые обнаружили возникновение электрического тока в неорганических системах, что напоминает первые этапы усваивания энергии Солнца бактериями и растениями в процессе фотосинтеза. Открытое явление протекает в различных минералах и почвах. В отличие от обычного фотосинтеза, в данном случае участвуют только неорганические соединения, которые не имеют отношения к деятельности живых форм.

Материалы к защитам магистерских квалификационных работ на ФНМ МГУ в 2019 году
Семенова Анна Александровна
21-24 мая 2019 года в лабораторном корпусе Б пройдут защиты магистерских диссертаций выпускниками ФНМ МГУ.

«Наука открывает огромные просторы для творчества»
Яна Хлюстова, Екатерина Мищенко
Об олимпиадах школьников и начале научного пути в интервью Indicator.Ru рассказала Екатерина Жигилева, студентка второго курса химического факультета МГУ им. Ломоносова.

Интервью с Константином Козловым - абсолютным победителем XIII Наноолимпиады
Семенова Анна Александровна
Школьник 11 класса Константин Козлов (г. Москва) стал абсолютным победителем Олимпиады "Нанотехнологии - прорыв в будущее!" 2018/2019 по комплексу предметов "физика, химия, математика, биология". О своих впечатлениях, увлечениях и немного о планах на будущее Константин поделился с нами в интервью.

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.