Основната движеща сила, водеща ерата на висока ефективност и пестене на енергия

Водени от двойните сили на съвременната индустриална система и новата енергийна революция, двигателите, като основни устройства за преобразуване на енергия, преминават през технологична итерация от традиционните електромагнитни към видовете постоянни магнити.Двигатели с постоянен магнит, със своите забележителни предимства на висока ефективност, миниатюризация и ниски загуби, се превърнаха в „сърцето на мощността“ в области като нови енергийни превозни средства, индустриална автоматизация, интелигентни домове и космонавтика, променяйки дълбоко начина, по който енергията се използва в човешкото производство и живот.

I. Основен принцип на двигателите с постоянен магнит: Енергийна революция, задвижвана от магнитни полета

Същността на двигателите с постоянен магнит е да използват постоянното магнитно поле, генерирано от постоянни магнитни материали (като неодимов железен бор, самариев кобалт и др.), За да заменят възбуждащите намотки в традиционните двигатели и да постигнат ефективно преобразуване на електрическа енергия и механична енергия чрез електромагнитна индукция. Неговият принцип на работа може да се обобщи като "взаимодействие с магнитно поле": след като променливият ток премине през намотката на статора, се генерира въртящо се магнитно поле. Това магнитно поле взаимодейства с постоянното магнитно поле на постоянните магнити на ротора, генерирайки електромагнитен въртящ момент, за да задвижи ротора да се върти и след това задвижва външния товар да работи.

В сравнение с традиционните двигатели с възбуждане, двигателите с постоянен магнит елиминират намотките за възбуждане, контактните пръстени, четките и други компоненти, постигайки два големи пробива в структурата: Първо, те елиминират загубите от възбуждане (представляващи около 10%-20% от общите загуби на двигателя), значително подобрявайки ефективността на преобразуване на енергията; Второ, опростява структурата на двигателя, намалява процента на повреда и удължава експлоатационния живот. Вземете за пример задвижващите двигатели на превозни средства с нова енергия. Ефективността на синхронните двигатели с постоянен магнит обикновено може да достигне 90% до 97%, което е много по-високо от 85% до 90% при традиционните асинхронни двигатели. Това е и основната причина, поради която те се превърнаха в масово решение за задвижване.

II. Технически предимства: Четири измерения на промяна на двигателната ефективност

Широкото приложение надвигатели с постоянен магнитпроизтича от техния цялостен пробив в производителността, размера, консумацията на енергия и надеждността, които могат конкретно да бъдат обобщени в четири основни предимства:

1. Висока ефективност и спестяване на енергия: Функция за ниски загуби при всички работни условия

Двигателите с постоянен магнит могат да поддържат висока ефективност в широк диапазон от скорости на въртене, особено при условия на частично натоварване (като нови енергийни превозни средства в градския трафик), където тяхното предимство в ефективността е още по-изразено. Като вземем за пример трифазния асинхронен двигател, който обикновено се използва в индустриалната област, при същата мощност загубата на празен ход на двигателя с постоянен магнит може да бъде намалена с повече от 50%, а загубата при работа може да бъде намалена с 20% до 30%. Дългосрочната употреба може да спести голямо количество електроенергия. Според Международната агенция по енергетика, ако всички индустриални двигатели по света бъдат заменени с високоефективни двигатели с постоянен магнит, приблизително 120 милиона тона емисии на въглероден диоксид биха могли да бъдат намалени годишно.

2. Компактен и лек: Структурен дизайн, който преодолява пространствените ограничения

Поради плътността на магнитния поток на постоянните магнитни материали, която е много по-висока от тази на традиционните възбуждащи намотки, обемът и теглото на двигателите с постоянен магнит могат да бъдат намалени с 30% до 50% при същата мощност. Това предимство е особено важно в области като космическото пространство и медицинските устройства, които са чувствителни към пространството и теглото. Например задвижващите двигатели с постоянен магнит, използвани в дронове, тежат само наполовина по-малко от традиционните двигатели, но въпреки това могат да предложат по-висока плътност на мощността, което значително повишава тяхната издръжливост.

3. Нисък шум и висока надеждност: Оперативното предимство на намаляването на разходите за поддръжка

Двигателите с постоянен магнит нямат лесно износващи се части като четки и контактни пръстени. Роторната им структура е проста. По време на работа те имат ниски вибрации и шум (обикновено под 60 децибела), а процентът им на отказ е много по-нисък от този на традиционните двигатели. В индустриалните производствени линии средното време между отказите (MTBF) на двигатели с постоянен магнит може да достигне над 100 000 часа, което е 2 до 3 пъти повече от традиционните двигатели, което значително намалява разходите за поддръжка на оборудването и загубите при престой.

4. Широк обхват на регулиране на скоростта: Гъвкавост на управлението, адаптирана към множество сценарии

Чрез векторно управление, регулиране на скоростта с променлива честота и други технологии, двигателите с постоянен магнит могат да постигнат широкообхватно регулиране на скоростта от 0 до 10 000 RPM, с висока точност на регулиране на скоростта (грешка под 0,5%) и бърза скорост на реакция (ниво на милисекунди). Тази характеристика му позволява да отговори на изискванията на различни сценарии: в новите енергийни превозни средства може да постигне безпроблемно превключване между стартиране с ниска скорост и висок въртящ момент и ефективно движение с висока скорост. В прецизните машинни инструменти той може да осигури стабилна работа при ниска скорост, за да осигури точност на обработката.

III. Области на приложение: Трансформация на мощността Проникване в цялата индустриална верига

От промишленото производство до ежедневието, от наземния транспорт до космическото пространство, двигателите с постоянен магнит се превърнаха в основната движеща сила за технологични подобрения в различни области. Техните основни сценарии на приложение включват:

1. Нови енергийни превозни средства: основният избор за задвижващи системи

Понастоящем над 90% от изцяло електрическите превозни средства и хибридните превозни средства по света използват синхронни двигатели с постоянен магнит като задвижващи двигатели. Например масовите модели като Tesla Model 3 и BYD Han са оборудвани с високопроизводителни двигатели с постоянен магнит, които не само осигуряват силна мощност (с ускорение от 0 до 100 км/ч за 2,1 секунди), но също така постигат ниска консумация на енергия (с минимална консумация на енергия от само 11,9 KWH на 100 км), улеснявайки трансформацията на автомобилната индустрия към ниска карбонизация.

2. Индустриална автоматизация: Ключово оборудване за повишаване на производствената ефективност

В промишленото поле двигателите с постоянен магнит се използват широко в машинни инструменти, роботи, вентилатори, водни помпи и друго оборудване. Вземете индустриални роботи като пример. Серводвигателите с постоянен магнит, използвани в ставите, могат да постигнат високо прецизно позициониране (с повтаряща се точност на позициониране от ±0,001 mm) и бърза реакция, което позволява на роботите да изпълняват сложни задачи по сглобяване, заваряване и други и значително подобряват ефективността на производството. В допълнение, вентилаторите и помпите, задвижвани от двигатели с постоянен магнит, могат да спестят от 20% до 40% енергия в сравнение с традиционните двигатели, спестявайки огромно количество такси за електроенергия за индустриалните предприятия всяка година.

3. Интелигентен дом и потребителска електроника: Основни компоненти за оптимизиране на потребителското изживяване

В ежедневието двигателите с постоянен магнит са проникнали в области като домакински уреди и цифрови продукти. Например DC моторът с постоянен магнит, използван в интелигентните перални машини, може да постигне безстепенно регулиране на скоростта, което води до по-равномерно изпиране и по-нисък шум. Охлаждащият вентилатор на преносимия компютър използва двигател с микро постоянен магнит, който е с размер само на монета, но може да осигури ефективен охлаждащ ефект и да осигури стабилна работа на устройството.

4. Аерокосмическа и национална отбрана: Техническа поддръжка за пробив в екстремни среди

В аерокосмическата област двигателите с постоянен магнит се използват широко в сателитно управление на ориентация, задвижване на безпилотни летателни апарати (UAV), системи за насочване на ракети и т.н., поради тяхната висока надеждност и способност да издържат на екстремни среди (работещи в температурен диапазон от -60 ℃ до 200 ℃). Например, двигателят с постоянен магнит, носен от китайската лунна сонда Chang 'e-5, работи стабилно в околната среда с екстремни температурни разлики на Луната, осигурявайки решаваща енергийна подкрепа за мисията за връщане на пробата.

Ив. Предизвикателства пред развитието и бъдещи тенденции: Технологични пробиви към по-висока производителност

Въпреки че двигателите с постоянен магнит са постигнали забележителен успех, те все още са изправени пред някои предизвикателства в процеса на тяхното развитие: Първо, материалите с постоянен магнит разчитат на внос. Над 90% от високоефективните неодимови желязо-борни постоянни магнитни материали в света се произвеждат в Китай, но недостигът и колебанията в цените на редкоземните ресурси могат да повлияят на стабилността на индустрията. Второ, стабилността при висока температура е недостатъчна. Традиционните неодимови желязо-борни постоянни магнитни материали са склонни към размагнитване при високи температури, което ограничава тяхното приложение при високотемпературни сценарии като авиационни двигатели и ядрена индустрия. Трето, цената е сравнително висока. Цената на високоефективните постоянни магнитни материали е 5 до 10 пъти по-висока от тази на традиционните електромагнитни материали, което увеличава производствените разходи на двигателите.

В отговор на тези предизвикателства бъдещото развитие на двигателите с постоянен магнит ще се развие в три основни посоки:

1. Изследване и разработване на нови постоянни магнитни материали: Преодоляване на ограниченията на ресурсите и производителността

Изследователските институции активно разработват постоянни магнитни материали без редкоземни елементи (като постоянни магнитни материали желязо-азот и желязо-кобалт) и устойчиви на висока температура постоянни магнитни материали (като подобрени версии на самарий-кобалт постоянни магнитни материали), за да намалят зависимостта от редкоземни ресурси и да подобрят стабилността на двигателите в екстремни среди. Например желязо-азотният постоянен магнитен материал, разработен от Министерството на енергетиката на САЩ, има магнитни свойства, близки до тези на неодимовия желязо-бор и не съдържа редкоземни елементи, което може да намали разходите с повече от 40%.

2. Интелигентност и интеграция: Подобрете производителността на двигателните системи

В бъдеще двигателите с постоянен магнит ще бъдат дълбоко интегрирани с Интернет на нещата и технологиите за изкуствен интелект, за да се постигне интелигентно наблюдение и адаптивно регулиране. Например индустриалните двигатели могат да се наблюдават в реално време за тяхното работно състояние чрез сензори и да се комбинират с AI алгоритми за оптимизиране на стратегиите за регулиране на скоростта, като допълнително се намалява консумацията на енергия. Междувременно интегрираният дизайн на двигатели с контролери и редуктори (като системата за електрическо задвижване „много в едно“ в новите енергийни превозни средства) значително ще намали обема и теглото и ще подобри ефективността на системата.

3. Зелено производство и рециклиране: Изграждане на устойчива индустриална верига

За да се постигне нисковъглеродно развитие, индустрията за двигатели с постоянен магнит ще насърчи прилагането на зелени производствени технологии, като покритие без разтворители и процеси на синтероване при ниска температура, за намаляване на замърсяването по време на производствения процес. Междувременно трябва да се създаде система за рециклиране на постоянни магнитни материали. Чрез технологии като разглобяване и пречистване може да се постигне рециклирането на редкоземни ресурси, намалявайки зависимостта от първичните ресурси.

Заключение

От парната мощност на Индустриалната революция до електромагнитните двигатели на електрическата ера и сега до двигателите с постоянен магнит, стремежът на човечеството към ефективна енергия никога не е спирал. Като една от основните технологии на новата енергийна революция и Индустрия 4.0, двигателите с постоянен магнит са не само ключът към подобряване на ефективността на използване на енергията и насърчаване на нисковъглеродно развитие, но и важна подкрепа за постигане на висококачествено производство и пробив през технологичните блокади. С непрекъснатите пробиви в нови материали и интелигентни технологии, двигателите с постоянен магнит ще създадат стойност в повече области и ще инжектират непрекъснат поток от „зелена енергия“ в устойчивото развитие на човешкото общество.