Почему синхронные двигатели с постоянными магнитами становятся основными приводными двигателями?
Электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую и передает эту механическую энергию на колеса через трансмиссию для привода транспортного средства. Это одна из основных систем привода в автомобилях на новых источниках энергии. В настоящее время в автомобилях на новых источниках энергии в основном используются синхронные двигатели с постоянными магнитами и асинхронные двигатели переменного тока. В большинстве автомобилей на новых источниках энергии используются синхронные двигатели с постоянными магнитами. К числу таких компаний относятся BYD, Li Auto и др. В некоторых автомобилях используются асинхронные двигатели переменного тока. Электродвигатели используются в автомобилях таких компаний, как Tesla и Mercedes-Benz.
Асинхронный двигатель в основном состоит из неподвижного статора и вращающегося ротора. Когда обмотка статора подключена к источнику переменного тока, ротор вращается и вырабатывает мощность. Основной принцип заключается в том, что при подаче напряжения на обмотку статора (переменного тока) образуется вращающееся электромагнитное поле, а обмотка ротора представляет собой замкнутый проводник, непрерывно пересекающий линии магнитной индукции статора во вращающемся магнитном поле статора. Согласно закону Фарадея, когда замкнутый проводник пересекает линию магнитной индукции, генерируется ток, который создает электромагнитное поле. В это время существуют два электромагнитных поля: одно — электромагнитное поле статора, подключенного к внешнему переменному току, и другое — электромагнитное поле ротора, генерируемое пересечением линии магнитной индукции статора. Согласно закону Ленца, индуцированный ток всегда будет сопротивляться причине его возникновения, то есть стремиться предотвратить пересечение проводниками на роторе линий магнитной индукции вращающегося магнитного поля статора. В результате проводники ротора «догоняют» вращающееся электромагнитное поле статора, то есть ротор преследует вращающееся магнитное поле статора, и, наконец, двигатель начинает вращаться. В процессе этого скорость вращения ротора (n2) и скорость вращения статора (n1) рассинхронизируются (разница скоростей составляет около 2-6%). Поэтому такой двигатель называется асинхронным двигателем переменного тока. Напротив, если скорость вращения одинакова, такой двигатель называется синхронным.
Синхронный двигатель с постоянными магнитами также является разновидностью двигателя переменного тока. Его ротор изготовлен из стали с постоянными магнитами. Во время работы двигателя статор получает питание для создания вращающегося магнитного поля, которое приводит ротор во вращение. «Синхронизация» означает, что скорость вращения ротора в установившемся режиме работы синхронизирована со скоростью вращения магнитного поля. Синхронные двигатели с постоянными магнитами обладают более высоким отношением мощности к весу, меньшими размерами, меньшим весом, большим выходным крутящим моментом и превосходными характеристиками предельной скорости и торможения. Поэтому синхронные двигатели с постоянными магнитами стали наиболее широко используемыми в современных электромобилях. Однако, когда материал постоянного магнита подвергается вибрации, высокой температуре и перегрузочному току, его магнитная проницаемость может снижаться или может происходить размагничивание, что может снизить производительность двигателя с постоянными магнитами. Кроме того, в синхронных двигателях с постоянными магнитами используются редкоземельные материалы, и себестоимость их производства нестабильна.
По сравнению с синхронными двигателями с постоянными магнитами, асинхронные двигатели нуждаются в поглощении электрической энергии для возбуждения во время работы, что приводит к потреблению электроэнергии и снижению эффективности двигателя. Двигатели с постоянными магнитами дороже из-за использования постоянных магнитов.
В моделях, использующих асинхронные двигатели переменного тока, приоритет отдается производительности и использованию преимуществ высокой мощности и эффективности асинхронных двигателей переменного тока на высоких скоростях. Типичной моделью является ранняя модель Model S. Основные особенности: при движении на высоких скоростях автомобиль может поддерживать высокую скорость и эффективно использовать электроэнергию, снижая энергопотребление при сохранении максимальной выходной мощности;
Модели, в которых используются синхронные двигатели с постоянными магнитами, как правило, отдают приоритет энергопотреблению и используют преимущества высокой производительности и эффективности работы таких двигателей на низких скоростях, что делает их подходящими для автомобилей малого и среднего размера. Их характеристики включают малые размеры, небольшой вес и длительный срок службы батареи. В то же время, они обладают хорошими характеристиками регулирования скорости и могут поддерживать высокую эффективность при многократных запусках, остановках, ускорениях и замедлениях.
Доминируют синхронные двигатели с постоянными магнитами. Согласно статистике из «Ежемесячной базы данных по цепочке поставок в отрасли электромобилей», опубликованной Институтом передовых промышленных исследований (GGII), установленная мощность отечественных двигателей для электромобилей с января по август 2022 года составила приблизительно 3,478 млн единиц, что на 101% больше, чем годом ранее. Из них установленная мощность синхронных двигателей с постоянными магнитами составила 3,329 млн единиц, увеличившись на 106% по сравнению с прошлым годом; установленная мощность асинхронных двигателей переменного тока составила 1,295 млн единиц, увеличившись на 22% по сравнению с прошлым годом.
Синхронные двигатели с постоянными магнитами стали основными приводными двигателями на рынке чисто электрических легковых автомобилей.
Судя по выбору двигателей для массовых моделей в стране и за рубежом, в новых энергетических автомобилях, выпускаемых такими отечественными компаниями, как SAIC Motor, Geely Automobile, Guangzhou Automobile, BAIC Motor, Denza Motors и др., используются синхронные двигатели с постоянными магнитами. В Китае синхронные двигатели с постоянными магнитами используются преимущественно. Во-первых, потому что они обладают хорошими характеристиками на низких оборотах и высокой эффективностью преобразования, что очень подходит для сложных условий эксплуатации с частыми запусками и остановками в городском потоке. Во-вторых, потому что в синхронных двигателях с постоянными магнитами используются неодимовые железо-борные постоянные магниты. Для производства этих материалов требуются редкоземельные ресурсы, а в нашей стране сосредоточено 70% мировых запасов редкоземельных элементов, и общий объем производства магнитных материалов NdFeB достигает 80% мирового, поэтому Китай проявляет больший интерес к использованию синхронных двигателей с постоянными магнитами.
Зарубежные компании Tesla и BMW совместно разрабатывают синхронные двигатели с постоянными магнитами и асинхронные двигатели переменного тока. С точки зрения конструкции, синхронный двигатель с постоянными магнитами является основным выбором для электромобилей.
Стоимость материалов для постоянных магнитов составляет около 30% от стоимости синхронных двигателей с постоянными магнитами. В качестве сырья для производства синхронных двигателей с постоянными магнитами в основном используются неодим-железо-бор, листовая кремнистая сталь, медь и алюминий. Среди них неодим-железо-бор в основном используется для изготовления постоянных магнитов ротора, и его доля в стоимости составляет около 30%; листовая кремнистая сталь в основном используется для изготовления сердечника ротора по индивидуальному заказу; доля в стоимости обмотки статора составляет около 20%; доля в стоимости вала двигателя составляет около 5%; и доля в стоимости корпуса двигателя составляет около 15%.
ПочемуВинтовой воздушный компрессор с постоянными магнитами OSGэффективнее?
Синхронный двигатель с постоянными магнитами в основном состоит из статора, ротора и корпуса. Как и у обычных двигателей переменного тока, сердечник статора имеет многослойную структуру для уменьшения потерь в железе из-за вихревых токов и гистерезисных эффектов во время работы двигателя; обмотки также обычно имеют трехфазную симметричную структуру, но выбор параметров существенно отличается. Роторная часть может иметь различные формы, включая ротор с постоянными магнитами и пусковой короткозамкнутой обмоткой, а также встроенный или поверхностно установленный ротор с чистыми постоянными магнитами. Сердечник ротора может быть выполнен в виде цельной или многослойной конструкции. Ротор оснащен материалом с постоянными магнитами, который обычно называют магнитом.
При нормальной работе двигателя с постоянными магнитами магнитные поля ротора и статора находятся в синхронном состоянии. В роторной части отсутствуют индуцированные токи, потери меди в роторе, гистерезис или вихревые токи. Нет необходимости учитывать проблему потерь и нагрева в роторе. Как правило, двигатель с постоянными магнитами питается от специального частотного преобразователя и, естественно, имеет функцию плавного пуска. Кроме того, двигатель с постоянными магнитами является синхронным двигателем, который обладает свойством регулирования коэффициента мощности за счет интенсивности возбуждения, поэтому коэффициент мощности может быть рассчитан на заданное значение.
С точки зрения запуска, благодаря тому, что двигатель с постоянными магнитами запускается от источника питания с регулируемой частотой или вспомогательного инвертора, процесс запуска двигателя с постоянными магнитами очень прост; он аналогичен запуску двигателя с регулируемой частотой и позволяет избежать недостатков запуска обычных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.
Вкратце, КПД и коэффициент мощности двигателей с постоянными магнитами могут достигать очень высоких значений, их конструкция очень проста, и за последние десять лет рынок этих двигателей был очень активен.
Однако потеря возбуждения является неизбежной проблемой в двигателях с постоянными магнитами. При слишком большом токе или слишком высокой температуре температура обмоток двигателя мгновенно повышается, ток резко возрастает, и постоянные магниты быстро теряют возбуждение. В системе управления двигателем с постоянными магнитами устанавливается устройство защиты от перегрузки по току, чтобы избежать проблемы перегорания обмотки статора двигателя, но в результате неизбежны потеря возбуждения и остановка оборудования.
Дата публикации: 12 декабря 2023 г.
