Основна рушійна сила, яка веде еру високої ефективності та енергозбереження

Під впливом подвійних сил сучасної промислової системи та нової енергетичної революції двигуни, як основні пристрої для перетворення енергії, проходять технологічну ітерацію від традиційних електромагнітних типів до постійних магнітів.Двигуни з постійними магнітами, з їх чудовими перевагами високої ефективності, мініатюризації та низьких втрат, стали «серцем потужності» в таких сферах, як транспортні засоби з новою енергією, промислова автоматизація, розумні будинки та авіакосмічна промисловість, кардинально змінивши спосіб використання енергії у виробництві та житті людини.

I. Основний принцип двигунів з постійними магнітами: енергетична революція, що рухається магнітними полями

Суть двигунів з постійними магнітами полягає у використанні постійного магнітного поля, створюваного постійними магнітними матеріалами (такими як неодим, залізо, бор, самарій-кобальт тощо), щоб замінити обмотки збудження в традиційних двигунах і досягти ефективного перетворення електричної енергії та механічної енергії за допомогою електромагнітної індукції. Його принцип роботи можна коротко описати як «взаємодія магнітного поля»: після пропускання змінного струму через обмотку статора створюється обертове магнітне поле. Це магнітне поле взаємодіє з постійним магнітним полем постійних магнітів на роторі, створюючи електромагнітний крутний момент, який змушує ротор обертатися, а потім змушує зовнішнє навантаження працювати.

Порівняно з традиційними двигунами збудження, двигуни з постійними магнітами усувають обмотки збудження, контактні кільця, щітки та інші компоненти, досягаючи двох великих проривів у структурі: по-перше, вони усувають втрати збудження (що становлять близько 10%-20% від загальних втрат двигуна), значно покращуючи ефективність перетворення енергії; По-друге, це спрощує конструкцію двигуна, знижує частоту відмов і продовжує термін служби. Візьмемо як приклад приводні двигуни транспортних засобів з новою енергією. Ефективність синхронних двигунів з постійними магнітами може досягати від 90% до 97%, що набагато вище, ніж у традиційних асинхронних двигунів від 85% до 90%. Це також основна причина, чому вони стали основним приводним рішенням.

II. Технічні переваги: ​​Чотири виміри зміни моторної продуктивності

Широке застосуваннядвигуни з постійними магнітамипоходить від їх всебічного прориву в продуктивності, розмірі, енергоспоживанні та надійності, які можна звести до чотирьох основних переваг:

1. Висока ефективність та енергозбереження: функція низьких втрат за будь-яких умов експлуатації

Двигуни з постійними магнітами можуть підтримувати високу ефективність у широкому діапазоні швидкостей обертання, особливо в умовах часткового навантаження (наприклад, транспортні засоби з новою енергією в міському русі), де їхня ефективність є ще більш помітною. Взявши як приклад трифазний асинхронний двигун, який зазвичай використовується в промисловості, за тієї самої потужності втрати холостого ходу двигуна з постійними магнітами можна зменшити більш ніж на 50%, а робочі втрати можна зменшити на 20-30%. Тривале використання дозволяє заощадити велику кількість електроенергії. За даними Міжнародного енергетичного агентства, якщо всі промислові двигуни в усьому світі замінити високоефективними двигунами з постійними магнітами, можна було б скоротити приблизно 120 мільйонів тонн викидів вуглекислого газу щорічно.

2. Компактність і легкість: структурний дизайн, який долає просторові обмеження

Через те, що щільність магнітного потоку постійних магнітних матеріалів набагато вища, ніж у традиційних обмоток збудження, об’єм і вага двигунів з постійними магнітами можна зменшити на 30–50 % за тієї самої потужності. Ця перевага особливо важлива в таких сферах, як аерокосмічна промисловість і медичні пристрої, які чутливі до простору та ваги. Наприклад, приводні двигуни з постійними магнітами, які використовуються в дронах, важать лише вдвічі менше, ніж традиційні двигуни, але вони можуть запропонувати вищу щільність потужності, що значно підвищує їхню витривалість.

3. Низький рівень шуму та висока надійність: операційна перевага зниження витрат на обслуговування

Двигуни з постійними магнітами не мають деталей, які легко зношуються, таких як щітки та контактні кільця. Конструкція їх ротора проста. Під час роботи вони мають низький рівень вібрації та шуму (зазвичай нижче 60 децибел), а відсоток їх відмов значно нижчий, ніж у традиційних двигунів. У промислових виробничих лініях середній час напрацювання на відмову (MTBF) двигунів з постійними магнітами може досягати понад 100 000 годин, що в 2-3 рази більше, ніж у традиційних двигунів, що значно знижує витрати на обслуговування обладнання та втрати під час простою.

4. Широкий діапазон регулювання швидкості: гнучкість управління, адаптована до багатьох сценаріїв

За допомогою векторного керування, регулювання швидкості зі змінною частотою та інших технологій двигуни з постійними магнітами можуть досягати регулювання швидкості в широкому діапазоні від 0 до 10 000 обертів за хвилину, з високою точністю регулювання швидкості (похибка менше 0,5%) і швидкою швидкістю відгуку (рівень мілісекунд). Ця функція дозволяє йому відповідати вимогам різних сценаріїв: у автомобілях з новою енергією він може досягати плавного перемикання між низькошвидкісним стартом і високим крутним моментом і високошвидкісним ефективним курсом. У прецизійних верстатах він може забезпечити стабільну роботу на низькій швидкості для забезпечення точності обробки.

III. Сфери застосування: Перетворення потужності Проникнення в увесь промисловий ланцюг

Від промислового виробництва до повсякденного життя, від наземного транспорту до аерокосмічної галузі, двигуни з постійними магнітами стали основною рушійною силою для технологічної модернізації в різних сферах. Їх основні сценарії застосування включають:

1. Автомобілі з новою енергією: основний вибір систем приводу

В даний час понад 90% чисто електричних транспортних засобів і гібридних транспортних засобів у всьому світі використовують синхронні двигуни з постійними магнітами як приводні двигуни. Наприклад, основні моделі, такі як Tesla Model 3 і BYD Han, оснащені високопродуктивними двигунами з постійними магнітами, які не тільки забезпечують потужну потужність (розгін 0-100 км/год всього за 2,1 секунди), але й забезпечують низьке енергоспоживання (з мінімальним споживанням електроенергії лише 11,9 кВт·год на 100 км), що сприяє трансформації автомобільної промисловості до низької карбонізації.

2. Промислова автоматизація: Ключове обладнання для підвищення ефективності виробництва

У промисловості двигуни з постійними магнітами широко використовуються в верстатах, роботах, вентиляторах, водяних насосах та іншому обладнанні. Візьмемо, наприклад, промислових роботів. Серводвигуни з постійними магнітами, які використовуються в з’єднаннях, можуть досягати високоточного позиціонування (з повторюваною точністю позиціонування ±0,001 мм) і швидкого реагування, дозволяючи роботам виконувати складні роботи зі складання, зварювання та інші завдання та значно підвищуючи ефективність виробництва. Крім того, вентилятори та насоси, що приводяться в дію двигунами з постійними магнітами, можуть економити від 20% до 40% енергії порівняно з традиційними двигунами, заощаджуючи величезну кількість плати за електроенергію для промислових підприємств щороку.

3. Розумний дім і споживча електроніка: основні компоненти для оптимізації взаємодії з користувачем

У повсякденному житті двигуни з постійними магнітами проникли в такі галузі, як побутова техніка та цифрові продукти. Наприклад, двигун постійного струму з постійним магнітом, який використовується в розумних пральних машинах, може досягти плавного регулювання швидкості, що забезпечує більш рівномірне прання та зниження рівня шуму. Вентилятор охолодження ноутбука оснащений мікромотором із постійним магнітом, розміром із монету, який забезпечує ефективне охолодження та стабільну роботу пристрою.

4. Аерокосмічна та національна оборона: технічна підтримка для подолання екстремальних умов

В аерокосмічній сфері двигуни з постійними магнітами широко використовуються в системі контролю орієнтації супутників, безпілотних літальних апаратів (БПЛА), системах наведення ракет тощо завдяки їх високій надійності та здатності витримувати екстремальні умови (працюють у діапазоні температур від -60 ℃ до 200 ℃). Наприклад, двигун з постійними магнітами, який несе китайський місячний зонд Chang 'e-5, стабільно працював у середовищі екстремальної різниці температур на Місяці, забезпечуючи вирішальну енергопостачання для місії повернення зразків.

Ів. Виклики розвитку та майбутні тенденції: технологічний прорив до вищої продуктивності

Хоча двигуни з постійними магнітами досягли надзвичайного успіху, вони все ще стикаються з деякими проблемами в процесі розробки: по-перше, матеріали з постійними магнітами залежать від імпорту. Понад 90% світових високоефективних матеріалів для постійних магнітів на основі неодиму, заліза, бору виробляється в Китаї, але дефіцит і коливання цін на рідкоземельні ресурси можуть вплинути на стабільність галузі. По-друге, недостатня стійкість до високих температур. Традиційні постійні магнітні матеріали на основі неодиму, заліза і бору схильні до розмагнічування за високих температур, що обмежує їх застосування у високотемпературних сценаріях, таких як авіаційні двигуни та ядерна промисловість. По-третє, вартість відносно висока. Ціна високоефективних постійних магнітних матеріалів у 5-10 разів вища за традиційні електромагнітні матеріали, що збільшує вартість виробництва двигунів.

У відповідь на ці виклики майбутній розвиток двигунів з постійними магнітами буде проходити в трьох основних напрямках:

1. Дослідження та розробка нових постійних магнітних матеріалів: подолання обмежень щодо ресурсів та продуктивності

Науково-дослідні установи активно розробляють постійні магнітні матеріали без рідкоземельних елементів (такі як залізо-азотні та залізо-кобальтові постійні магнітні матеріали) і стійкі до високих температур постійні магнітні матеріали (такі як покращені версії самарій-кобальтових постійних магнітних матеріалів), щоб зменшити залежність від рідкоземельних ресурсів і підвищити стабільність двигунів у екстремальних умовах. Наприклад, залізо-азотний постійний магнітний матеріал, розроблений Міністерством енергетики США, має магнітні властивості, близькі до властивостей неодимового заліза, бору, і не містить рідкоземельних елементів, що може знизити витрати більш ніж на 40%.

2. Інтелект та інтеграція: підвищення продуктивності рухових систем

У майбутньому двигуни з постійними магнітами будуть глибоко інтегровані з Інтернетом речей і технологіями штучного інтелекту для досягнення інтелектуального моніторингу та адаптивного регулювання. Наприклад, робочий стан промислових двигунів можна відстежувати в режимі реального часу за допомогою датчиків і поєднувати з алгоритмами штучного інтелекту для оптимізації стратегій регулювання швидкості, ще більше зменшуючи споживання енергії. Тим часом інтегрована конструкція двигунів із контролерами та редукторами (така як система електроприводу «багато в одному» в нових енерготранспортних засобах) значно зменшить об’єм і вагу, а також підвищить ефективність системи.

3. Зелене виробництво та переробка: Побудова стійкого промислового ланцюга

Щоб досягти розвитку з низьким вмістом вуглецю, промисловість двигунів з постійними магнітами сприятиме застосуванню екологічних технологій виробництва, таких як покриття без розчинників і процеси низькотемпературного спікання, щоб зменшити забруднення під час виробничого процесу. Водночас має бути створена система переробки постійних магнітних матеріалів. За допомогою таких технологій, як розбирання та очищення, можна досягти переробки рідкоземельних ресурсів, зменшуючи залежність від первинних ресурсів.

Висновок

Від парової енергії промислової революції до електромагнітних двигунів епохи електрики, а тепер і до двигунів з постійними магнітами, прагнення людства до ефективної енергії ніколи не припинялося. Будучи однією з основних технологій нової енергетичної революції та Індустрії 4.0, двигуни з постійними магнітами є не лише ключем до підвищення ефективності використання енергії та сприяння розвитку з низьким вмістом вуглецю, але й важливою підтримкою для досягнення високого рівня виробництва та подолання технологічних блокад. Завдяки постійним проривам у нових матеріалах та інтелектуальних технологіях двигуни з постійними магнітами створять цінність у багатьох галузях і введуть постійний потік «зеленої енергії» в сталий розвиток людського суспільства.