Чому синхронні двигуни з постійними магнітами стають основними приводними двигунами?
Електродвигун може перетворювати електричну енергію на механічну та передавати механічну енергію на колеса через систему трансмісії для керування транспортним засобом. Це одна з основних систем приводу транспортних засобів на нових джерелах енергії. Наразі найпоширенішими приводними двигунами в транспортних засобах на нових джерелах енергії є переважно синхронні двигуни з постійними магнітами та асинхронні двигуни змінного струму. Більшість транспортних засобів на нових джерелах енергії використовують синхронні двигуни з постійними магнітами. Серед репрезентативних автомобільних компаній є BYD, Li Auto тощо. Деякі транспортні засоби використовують асинхронні двигуни змінного струму. Електродвигуни представлені такими автомобільними компаніями, як Tesla та Mercedes-Benz.
Асинхронний двигун в основному складається з нерухомого статора та обертового ротора. Коли обмотка статора підключена до джерела змінного струму, ротор обертається та виробляє потужність. Основний принцип полягає в тому, що коли обмотка статора знаходиться під напругою (змінний струм), вона утворює обертове електромагнітне поле, а обмотка ротора є замкнутим провідником, який безперервно перетинає лінії магнітної індукції статора в обертовому магнітному полі статора. Згідно із законом Фарадея, коли замкнутий провідник перетинає лінію магнітної індукції, виникає струм, який генерує електромагнітне поле. У цей час існують два електромагнітні поля: одне - це електромагнітне поле статора, підключене до зовнішнього змінного струму, а інше генерується перетином лінії електромагнітної індукції статора. Електромагнітне поле ротора. Згідно із законом Ленца, індукований струм завжди буде чинити опір причині індукованого струму, тобто намагатиметься запобігти перетину провідниками на роторі ліній магнітної індукції обертового магнітного поля статора. Результат такий: провідники на роторі «наздоганяють» провідники статора. Обертове електромагнітне поле означає, що ротор женеться за обертовим магнітним полем статора, і нарешті двигун починає обертатися. Під час цього процесу швидкість обертання ротора (n2) та швидкість обертання статора (n1) не синхронізовані (різниця швидкостей становить приблизно 2-6%). Тому його називають асинхронним двигуном змінного струму. Навпаки, якщо швидкість обертання однакова, його називають синхронним двигуном.
Синхронний двигун з постійними магнітами також є типом двигуна змінного струму. Його ротор виготовлений зі сталі з постійними магнітами. Під час роботи двигуна статор отримує живлення для створення обертового магнітного поля, яке змушує ротор обертатися. «Синхронізація» означає, що швидкість обертання ротора під час стаціонарної роботи синхронізована зі швидкістю обертання магнітного поля. Синхронні двигуни з постійними магнітами мають вище співвідношення потужності до ваги, менші за розміром, легші за вагою, мають більший вихідний крутний момент, а також відмінні показники граничної швидкості та гальмівної ефективності. Тому синхронні двигуни з постійними магнітами стали найпоширенішим електродвигуном сьогодні. Однак, коли матеріал постійного магніту піддається вібрації, високій температурі та струму перевантаження, його магнітна проникність може зменшитися або може відбутися розмагнічування, що може знизити продуктивність двигуна з постійними магнітами. Крім того, синхронні двигуни з постійними магнітами використовують рідкоземельні матеріали, а вартість виробництва нестабільна.
Порівняно з синхронними двигунами з постійними магнітами, асинхронні двигуни повинні поглинати електричну енергію для збудження під час роботи, що споживає електроенергію та знижує ефективність двигуна. Двигуни з постійними магнітами дорожчі через додавання постійних магнітів.
Моделі, що використовують асинхронні двигуни змінного струму, як правило, надають пріоритет продуктивності та використовують переваги вихідної потужності та ефективності асинхронних двигунів змінного струму на високих швидкостях. Типовою моделлю є рання Model S. Основні характеристики: Коли автомобіль рухається на високій швидкості, він може підтримувати високошвидкісну роботу та ефективно використовувати електроенергію, зменшуючи споживання енергії, зберігаючи при цьому максимальну вихідну потужність;
Моделі, що використовують синхронні двигуни з постійними магнітами, як правило, надають пріоритет споживанню енергії та використовують вихідну потужність та ефективну роботу синхронних двигунів з постійними магнітами на низьких швидкостях, що робить їх придатними для автомобілів малого та середнього розміру. Їхні характеристики включають невеликий розмір, легку вагу та тривалий термін служби акумулятора. Водночас вони мають хорошу продуктивність регулювання швидкості та можуть підтримувати високу ефективність при багаторазових запусках, зупинках, прискореннях та уповільненнях.
Домінують синхронні двигуни з постійними магнітами. Згідно зі статистикою "Щомісячної бази даних промисловості транспортних засобів на нових енергетичних системах", опублікованої Інститутом передових галузевих досліджень (GGII), встановлена потужність приводних двигунів транспортних засобів на нових енергетичних системах з січня по серпень 2022 року становила приблизно 3,478 мільйона одиниць, що на 101% більше, ніж минулого року. Серед них встановлена потужність синхронних двигунів з постійними магнітами становила 3,329 мільйона одиниць, що на 106% більше, ніж минулого року; встановлена потужність асинхронних двигунів змінного струму становила 1,295 мільйона одиниць, що на 22% більше, ніж минулого року.
Синхронні двигуни з постійними магнітами стали основними приводними двигунами на ринку повністю електричних легкових автомобілів.
Судячи з вибору двигунів для основних моделей в країні та за кордоном, нові енергетичні транспортні засоби, випущені вітчизняними SAIC Motor, Geely Automobile, Guangzhou Automobile, BAIC Motor, Denza Motors тощо, використовують синхронні двигуни з постійними магнітами. Синхронні двигуни з постійними магнітами в основному використовуються в Китаї. По-перше, тому що синхронні двигуни з постійними магнітами мають хороші низькошвидкісні характеристики та високий ККД перетворення, що дуже підходить для складних робочих умов з частими пусками та зупинками в міському русі. По-друге, через використання постійних магнітів на основі неодиму та заліза, бора та заліза в синхронних двигунах з постійними магнітами. Ці матеріали вимагають використання рідкоземельних ресурсів, і моя країна має 70% світових рідкоземельних ресурсів, а загальний обсяг виробництва магнітних матеріалів NdFeB сягає 80% світового виробництва, тому Китай більше зацікавлений у використанні синхронних двигунів з постійними магнітами.
Зарубіжні компанії Tesla та BMW спільно розробляють синхронні двигуни з постійними магнітами та асинхронні двигуни змінного струму. З точки зору структури застосування, синхронний двигун з постійними магнітами є основним вибором для транспортних засобів на нових джерелах енергії.
Вартість матеріалів для постійних магнітів становить близько 30% вартості синхронних двигунів з постійними магнітами. Сировиною для виробництва синхронних двигунів з постійними магнітами переважно є неодим-залізо-бор, листи кремнієвої сталі, мідь та алюміній. Серед них матеріал для постійних магнітів неодим-залізо-бор в основному використовується для виготовлення постійних магнітів ротора, а вартість становить близько 30%; листи кремнієвої сталі в основному використовуються для виготовлення виробів на замовлення. Вартість осердя ротора становить близько 20%; вартість обмотки статора становить близько 15%; вартість вала двигуна становить близько 5%; а вартість корпусу двигуна становить близько 15%.
ЧомуГвинтовий повітряний компресор OSG з двигунами з постійними магнітамиефективніше?
Синхронний двигун з постійними магнітами в основному складається з компонентів статора, ротора та корпусу. Як і у звичайних двигунах змінного струму, осердя статора має шарувату структуру для зменшення втрат у залізі через вихрові струми та гістерезисні ефекти під час роботи двигуна; обмотки також зазвичай мають трифазну симетричну структуру, але вибір параметрів досить різний. Роторна частина має різні форми, включаючи ротор з постійними магнітами з пусковою кліткою з білою кліткою та вбудований або поверхнево встановлений ротор з чистими постійними магнітами. Осердя ротора може бути виготовлене у вигляді суцільної конструкції або шарувато-шарованого. Ротор оснащений матеріалом з постійних магнітів, який зазвичай називають магнітом.
За нормальної роботи двигуна з постійними магнітами магнітні поля ротора та статора знаходяться в синхронному стані. У роторній частині немає індукованого струму, а також немає втрат у міді ротора, гістерезису чи втрат на вихрові струми. Немає потреби враховувати проблему втрат та нагрівання ротора. Як правило, двигун з постійними магнітами живиться від спеціального перетворювача частоти та, природно, має функцію плавного пуску. Крім того, двигун з постійними магнітами є синхронним двигуном, який має характеристику регулювання коефіцієнта потужності залежно від інтенсивності збудження, тому коефіцієнт потужності можна встановити на задане значення.
З точки зору запуску, завдяки тому, що двигун з постійними магнітами запускається від джерела живлення зі змінною частотою або допоміжного інвертора, процес запуску двигуна з постійними магнітами дуже простий; він подібний до запуску двигуна зі змінною частотою та уникає пускових дефектів звичайних асинхронних двигунів із кліткою.
Коротше кажучи, ефективність та коефіцієнт потужності двигунів з постійними магнітами можуть досягати дуже високих показників, структура дуже проста, а ринок був дуже гарячим протягом останніх десяти років.
Однак втрата збудження є неминучою проблемою в двигунах з постійними магнітами. Коли струм занадто великий або температура занадто висока, температура обмоток двигуна миттєво зростає, струм різко збільшується, і постійні магніти швидко втрачають збудження. У системі керування двигуном з постійними магнітами встановлений пристрій захисту від перевантаження по струму, щоб уникнути проблеми згоряння обмотки статора двигуна, але втрата збудження та зупинка обладнання в результаті цього неминучі.
Час публікації: 12 грудня 2023 р.
