Podstawowa siła napędowa wiodąca w epoce wysokiej wydajności i oszczędności energii

Napędzane podwójnymi siłami współczesnego systemu przemysłowego i nowej rewolucji energetycznej, silniki, jako podstawowe urządzenia do konwersji energii, przechodzą technologiczną iterację od tradycyjnych typów elektromagnetycznych do typów z magnesami trwałymi.Silniki z magnesami trwałymi, dzięki swoim niezwykłym zaletom, takimi jak wysoka wydajność, miniaturyzacja i niskie straty, stały się „sercem mocy” w takich dziedzinach, jak nowe pojazdy energetyczne, automatyka przemysłowa, inteligentne domy i lotnictwo, dogłębnie zmieniając sposób wykorzystania energii w produkcji i życiu człowieka.

I. Podstawowa zasada silników z magnesami trwałymi: Rewolucja energetyczna napędzana polami magnetycznymi

Istotą silników z magnesami trwałymi jest wykorzystanie stałego pola magnetycznego generowanego przez materiały z magnesami trwałymi (takimi jak neodym, żelazo-bor, samar-kobalt itp.) w celu zastąpienia uzwojeń wzbudzenia w tradycyjnych silnikach i uzyskania wydajnej konwersji energii elektrycznej i energii mechanicznej poprzez indukcję elektromagnetyczną. Jego zasadę działania można podsumować jako „interakcję pola magnetycznego”: po przejściu prądu przemiennego przez uzwojenie stojana generowane jest wirujące pole magnetyczne. To pole magnetyczne oddziałuje ze stałym polem magnetycznym magnesów trwałych na wirniku, generując moment elektromagnetyczny w celu wprawienia wirnika w ruch obrotowy, a następnie wprawiając obciążenie zewnętrzne w działanie.

W porównaniu z tradycyjnymi silnikami wzbudzenia, silniki z magnesami trwałymi eliminują uzwojenia wzbudzenia, pierścienie ślizgowe, szczotki i inne elementy, osiągając dwa główne przełomy w konstrukcji: po pierwsze, eliminują straty wzbudzenia (stanowiące około 10% -20% całkowitych strat silnika), znacznie poprawiając efektywność konwersji energii; Po drugie, upraszcza konstrukcję silnika, zmniejsza awaryjność i wydłuża żywotność. Weźmy jako przykład silniki napędowe pojazdów nowych źródeł energii. Sprawność silników synchronicznych z magnesami trwałymi może na ogół osiągnąć 90% do 97%, czyli znacznie więcej niż 85% do 90% tradycyjnych silników asynchronicznych. Jest to również główny powód, dla którego stały się one głównym rozwiązaniem napędowym.

II. Zalety techniczne: Cztery wymiary przekształcania wydajności silnika

Szerokie zastosowaniesilniki z magnesami trwałymiwynika z ich wszechstronnych przełomowych osiągnięć w zakresie wydajności, rozmiaru, zużycia energii i niezawodności, które można szczegółowo podsumować w czterech podstawowych zaletach:

1. Wysoka wydajność i oszczędność energii: funkcja niskich strat we wszystkich warunkach pracy

Silniki z magnesami trwałymi mogą utrzymywać wysoką sprawność w szerokim zakresie prędkości obrotowych, szczególnie w warunkach częściowego obciążenia (takich jak nowe pojazdy energetyczne w ruchu miejskim), gdzie ich przewaga w zakresie efektywności jest jeszcze bardziej wyraźna. Biorąc za przykład trójfazowy silnik asynchroniczny powszechnie stosowany w przemyśle, przy tej samej mocy, straty bez obciążenia w silniku z magnesami trwałymi można zmniejszyć o ponad 50%, a straty operacyjne można zmniejszyć o 20% do 30%. Długotrwałe użytkowanie pozwala zaoszczędzić dużą ilość energii elektrycznej. Według Międzynarodowej Agencji Energetycznej, gdyby wszystkie silniki przemysłowe na całym świecie zostały zastąpione silnikami o wysokiej sprawności z magnesami trwałymi, można by ograniczyć emisję dwutlenku węgla o około 120 milionów ton rocznie.

2. Kompaktowy i lekki: konstrukcja konstrukcyjna, która przełamuje ograniczenia przestrzenne

Ponieważ gęstość strumienia magnetycznego materiałów trwałych jest znacznie większa niż w przypadku tradycyjnych uzwojeń wzbudzenia, objętość i ciężar silników z magnesami trwałymi można zmniejszyć o 30% do 50% przy tej samej mocy. Zaleta ta jest szczególnie istotna w dziedzinach takich jak przemysł lotniczy i urządzenia medyczne, które są wrażliwe na przestrzeń i wagę. Na przykład silniki z magnesami trwałymi stosowane w dronach ważą tylko o połowę mniej niż tradycyjne silniki, a mimo to mogą zaoferować większą gęstość mocy, znacznie zwiększając ich wytrzymałość.

3. Niski poziom hałasu i wysoka niezawodność: Zaleta operacyjna polegająca na obniżeniu kosztów konserwacji

Silniki z magnesami trwałymi nie mają łatwo zużywających się części, takich jak szczotki i pierścienie ślizgowe. Ich konstrukcja wirnika jest prosta. Podczas pracy charakteryzują się niskimi wibracjami i hałasem (zwykle poniżej 60 decybeli), a ich awaryjność jest znacznie niższa niż w przypadku tradycyjnych silników. Na przemysłowych liniach produkcyjnych średni czas między awariami (MTBF) silników z magnesami trwałymi może sięgać ponad 100 000 godzin, czyli 2–3 razy więcej niż w przypadku tradycyjnych silników, co znacznie zmniejsza koszty konserwacji sprzętu i straty wynikające z przestojów.

4. Szeroki zakres regulacji prędkości: Elastyczność sterowania dostosowana do wielu scenariuszy

Dzięki sterowaniu wektorowemu, regulacji prędkości ze zmienną częstotliwością i innym technologiom, silniki z magnesami trwałymi mogą osiągnąć regulację prędkości w szerokim zakresie od 0 do 10 000 obr./min, z dużą dokładnością regulacji prędkości (błąd mniejszy niż 0,5%) i dużą szybkością reakcji (poziom milisekund). Ta funkcja pozwala mu sprostać wymaganiom różnych scenariuszy: w pojazdach o nowym napędzie może płynnie przełączać się między rozruchem przy niskiej prędkości i wysokim momencie obrotowym a efektywną jazdą przy dużej prędkości. W precyzyjnych obrabiarkach może zapewnić stabilną pracę przy niskiej prędkości, aby zapewnić dokładność przetwarzania.

III. Obszary zastosowań: Transformacja mocy Penetrująca cały łańcuch przemysłowy

Od produkcji przemysłowej po życie codzienne, od transportu naziemnego po lotnictwo, silniki z magnesami trwałymi stały się główną siłą napędową ulepszeń technologicznych w różnych dziedzinach. Ich główne scenariusze zastosowań obejmują:

1. Pojazdy nowej energii: główny wybór w zakresie układów napędowych

Obecnie ponad 90% pojazdów czysto elektrycznych i pojazdów hybrydowych na całym świecie wykorzystuje jako silniki napędowe silniki synchroniczne z magnesami trwałymi. Na przykład wszystkie popularne modele, takie jak Tesla Model 3 i BYD Han, są wyposażone w wysokowydajne silniki z magnesami trwałymi, które nie tylko zapewniają dużą moc (przy przyspieszeniu od 0 do 100 km/h w zaledwie 2,1 sekundy), ale także charakteryzują się niskim zużyciem energii (przy minimalnym zużyciu energii wynoszącym zaledwie 11,9 KWH na 100 km), ułatwiając transformację przemysłu motoryzacyjnego w kierunku niskoemisyjnej.

2. Automatyka przemysłowa: Kluczowy sprzęt zwiększający wydajność produkcji

W przemyśle silniki z magnesami trwałymi są szeroko stosowane w obrabiarkach, robotach, wentylatorach, pompach wodnych i innym sprzęcie. Weźmy na przykład roboty przemysłowe. Serwomotory z magnesami trwałymi zastosowane w przegubach zapewniają wysoką precyzję pozycjonowania (z powtarzalną dokładnością pozycjonowania ±0,001 mm) i szybką reakcję, umożliwiając robotom wykonywanie skomplikowanych zadań montażowych, spawalniczych i innych, a także znacznie poprawiając wydajność produkcji. Ponadto wentylatory i pompy napędzane silnikami z magnesami trwałymi mogą zaoszczędzić od 20% do 40% energii w porównaniu z tradycyjnymi silnikami, co roku pozwala zaoszczędzić ogromne kwoty opłat za energię elektryczną dla przedsiębiorstw przemysłowych.

3. Inteligentny dom i elektronika użytkowa: podstawowe komponenty optymalizujące doświadczenie użytkownika

W życiu codziennym silniki z magnesami trwałymi przeniknęły do ​​takich dziedzin, jak sprzęt gospodarstwa domowego i produkty cyfrowe. Na przykład silnik prądu stałego z magnesami trwałymi zastosowany w inteligentnych pralkach może osiągnąć bezstopniową regulację prędkości, co zapewnia bardziej równomierne pranie i niższy poziom hałasu. Wentylator chłodzący komputera przenośnego wykorzystuje silnik z mikro magnesami trwałymi, który ma tylko wielkość monety, ale może zapewnić skuteczny efekt chłodzenia i zapewnić stabilną pracę urządzenia.

4. Przemysł lotniczy i obrona narodowa: wsparcie techniczne w przełamywaniu ekstremalnych środowisk

W przemyśle lotniczym silniki z magnesami trwałymi są szeroko stosowane w satelitarnej kontroli położenia geograficznego, napędzie bezzałogowych statków powietrznych (UAV), systemach naprowadzania rakiet itp., ze względu na ich wysoką niezawodność i odporność na ekstremalne warunki (praca w zakresie temperatur od -60 ℃ do 200 ℃). Na przykład silnik z magnesami trwałymi znajdujący się na chińskiej sondzie księżycowej Chang 'e-5 działał stabilnie w środowisku charakteryzującym się ekstremalnymi różnicami temperatur na Księżycu, zapewniając kluczowe wsparcie energetyczne dla misji polegającej na pobraniu próbek.

IV. Wyzwania rozwojowe i przyszłe trendy: przełomy technologiczne w kierunku wyższej wydajności

Chociaż silniki z magnesami trwałymi odniosły niezwykły sukces, w procesie rozwoju nadal stoją przed pewnymi wyzwaniami: Po pierwsze, materiały z magnesami trwałymi pochodzą z importu. Ponad 90% światowych wysokowydajnych magnesów trwałych z neodymu, żelaza i boru jest produkowanych w Chinach, ale niedobór i wahania cen zasobów pierwiastków ziem rzadkich mogą mieć wpływ na stabilność branży. Po drugie, stabilność w wysokiej temperaturze jest niewystarczająca. Tradycyjne materiały magnetyczne zawierające neodym, żelazo i bor są podatne na rozmagnesowanie w wysokich temperaturach, co ogranicza ich zastosowanie w scenariuszach wysokotemperaturowych, takich jak silniki lotnicze i przemysł nuklearny. Po trzecie, koszt jest stosunkowo wysoki. Cena wysokowydajnych materiałów z magnesem trwałym jest od 5 do 10 razy wyższa niż w przypadku tradycyjnych materiałów elektromagnetycznych, co zwiększa koszt produkcji silników.

W odpowiedzi na te wyzwania przyszły rozwój silników z magnesami trwałymi będzie przebiegał w trzech głównych kierunkach:

1. Badania i rozwój nowych trwałych materiałów magnetycznych: przełamywanie ograniczeń zasobów i wydajności

Instytucje badawcze aktywnie opracowują materiały z magnesem trwałym niezawierające pierwiastków ziem rzadkich (takie jak materiały z magnesem trwałym żelazo-azot i żelazo-kobalt) oraz materiały z magnesem trwałym odpornym na wysokie temperatury (takie jak ulepszone wersje materiałów z magnesem trwałym samarowo-kobaltowym), aby zmniejszyć zależność od zasobów pierwiastków ziem rzadkich i zwiększyć stabilność silników w ekstremalnych środowiskach. Na przykład trwały materiał magnetyczny żelazowo-azotowy opracowany przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych ma właściwości magnetyczne zbliżone do właściwości neodymowo-żelazowo-borowych i nie zawiera pierwiastków ziem rzadkich, co może obniżyć koszty o ponad 40%.

2. Inteligencja i integracja: Zwiększ wydajność układów motorycznych

W przyszłości silniki z magnesami trwałymi będą głęboko zintegrowane z Internetem rzeczy i technologiami sztucznej inteligencji, aby osiągnąć inteligentne monitorowanie i adaptacyjną regulację. Na przykład silniki przemysłowe można monitorować w czasie rzeczywistym pod kątem ich stanu pracy za pomocą czujników i łączyć je z algorytmami sztucznej inteligencji w celu optymalizacji strategii regulacji prędkości, co jeszcze bardziej zmniejsza zużycie energii. Tymczasem zintegrowana konstrukcja silników ze sterownikami i reduktorami (takimi jak elektryczny układ napędowy „wiele w jednym” w pojazdach nowych źródeł energii) znacznie zmniejszy objętość i masę oraz zwiększy wydajność systemu.

3. Ekologiczna produkcja i recykling: budowanie zrównoważonego łańcucha przemysłowego

Aby osiągnąć rozwój niskoemisyjny, przemysł silników z magnesami trwałymi będzie promować stosowanie ekologicznych technologii produkcyjnych, takich jak powlekanie bezrozpuszczalnikowe i procesy spiekania w niskiej temperaturze, aby zmniejszyć zanieczyszczenie podczas procesu produkcyjnego. Tymczasem należy stworzyć system recyklingu trwałych materiałów magnetycznych. Dzięki technologiom takim jak demontaż i oczyszczanie można osiągnąć recykling zasobów pierwiastków ziem rzadkich, zmniejszając zależność od zasobów pierwotnych.

Wniosek

Od energii parowej z czasów rewolucji przemysłowej po silniki elektromagnetyczne epoki elektrycznej, a obecnie po silniki z magnesami trwałymi – ludzkość nigdy nie ustała w pogoni za wydajną energią. Jako jedna z kluczowych technologii nowej rewolucji energetycznej i Przemysłu 4.0, silniki z magnesami trwałymi są nie tylko kluczem do poprawy efektywności wykorzystania energii i promowania rozwoju niskoemisyjnego, ale także ważnym wsparciem w osiąganiu wysokiej klasy produkcji i przełamywaniu blokad technologicznych. Dzięki ciągłym przełomom w nowych materiałach i inteligentnych technologiach silniki z magnesami trwałymi będą tworzyć wartość w większej liczbie dziedzin i wstrzykiwać ciągły strumień „zielonej energii” w zrównoważony rozwój społeczeństwa ludzkiego.