Dlaczego silniki synchroniczne z magnesami trwałymi stają się głównymi silnikami napędowymi?
Silnik elektryczny może przekształcać energię elektryczną w energię mechaniczną i przekazywać ją do kół poprzez układ przeniesienia napędu, napędzając pojazd. Jest to jeden z podstawowych układów napędowych pojazdów zasilanych nowymi źródłami energii. Obecnie powszechnie stosowanymi silnikami napędowymi w pojazdach zasilanych nowymi źródłami energii są głównie silniki synchroniczne z magnesami trwałymi oraz silniki asynchroniczne prądu przemiennego. Większość pojazdów zasilanych nowymi źródłami energii wykorzystuje silniki synchroniczne z magnesami trwałymi. Reprezentatywne firmy samochodowe to BYD, Li Auto itp. Niektóre pojazdy wykorzystują silniki asynchroniczne prądu przemiennego. Silniki elektryczne reprezentują firmy takie jak Tesla i Mercedes-Benz.
Silnik asynchroniczny składa się głównie ze stacjonarnego stojana i obracającego się wirnika. Po podłączeniu uzwojenia stojana do źródła zasilania prądem przemiennym wirnik obraca się i wytwarza moc wyjściową. Główną zasadą jest to, że po zasileniu uzwojenia stojana (prądem przemiennym) powstaje wirujące pole elektromagnetyczne, a uzwojenie wirnika jest zamkniętym przewodnikiem, który stale przecina linie indukcji magnetycznej stojana w wirującym polu magnetycznym stojana. Zgodnie z prawem Faradaya, gdy zamknięty przewodnik przecina linię indukcji magnetycznej, powstaje prąd, który generuje pole elektromagnetyczne. W tym momencie występują dwa pola elektromagnetyczne: jedno to pole elektromagnetyczne stojana podłączone do zewnętrznego prądu przemiennego, a drugie jest generowane przez przecięcie linii indukcji elektromagnetycznej stojana. Pole elektromagnetyczne wirnika. Zgodnie z prawem Lenza, indukowany prąd zawsze będzie stawiał opór przyczynie indukowanego prądu, czyli będzie starał się zapobiec przecinaniu linii indukcji magnetycznej wirującego pola magnetycznego stojana przez przewodniki na wirniku. W rezultacie przewody wirnika „dogonią” stojana. Wirujące pole elektromagnetyczne powoduje, że wirnik podąża za wirującym polem magnetycznym stojana, co ostatecznie powoduje obrót silnika. W trakcie tego procesu prędkość obrotowa wirnika (n2) i prędkość obrotowa stojana (n1) nie są zsynchronizowane (różnica prędkości wynosi około 2–6%). Dlatego silnik ten nazywa się asynchronicznym silnikiem prądu przemiennego. Natomiast jeśli prędkość obrotowa jest taka sama, silnik nazywa się synchronicznym.
Silnik synchroniczny z magnesami trwałymi jest również rodzajem silnika prądu przemiennego. Jego wirnik jest wykonany ze stali z magnesami trwałymi. Podczas pracy silnika stojan jest pobudzany, aby wytworzyć wirujące pole magnetyczne, które wprawia wirnik w ruch obrotowy. „Synchronizacja” oznacza, że obroty wirnika podczas pracy w stanie ustalonym są zsynchronizowane z prędkością obrotową pola magnetycznego. Silniki synchroniczne z magnesami trwałymi charakteryzują się wyższym stosunkiem mocy do masy, są mniejsze, lżejsze, mają większy moment obrotowy wyjściowy oraz doskonałą prędkość graniczną i skuteczność hamowania. Dlatego silniki synchroniczne z magnesami trwałymi stały się obecnie najszerzej stosowanymi silnikami elektrycznymi. Jednakże, gdy materiał z magnesami trwałymi jest poddawany wibracjom, wysokiej temperaturze i przeciążeniu, jego przenikalność magnetyczna może się zmniejszyć lub może dojść do rozmagnesowania, co może obniżyć wydajność silnika z magnesami trwałymi. Ponadto, silniki synchroniczne z magnesami trwałymi z metali ziem rzadkich wykorzystują metale ziem rzadkich, a koszty produkcji są zmienne.
W porównaniu z silnikami synchronicznymi z magnesami trwałymi, silniki asynchroniczne muszą absorbować energię elektryczną do wzbudzenia podczas pracy, co powoduje zużycie energii elektrycznej i obniża sprawność silnika. Silniki z magnesami trwałymi są droższe ze względu na obecność magnesów trwałych.
Modele, w których zastosowano silniki asynchroniczne prądu przemiennego, zazwyczaj stawiają na pierwszym miejscu wydajność i wykorzystują zalety silników asynchronicznych prądu przemiennego w zakresie mocy i sprawności przy dużych prędkościach. Przykładem jest wczesny Model S. Główne cechy: Podczas jazdy z dużą prędkością samochód może utrzymywać wysokie obroty i efektywne wykorzystanie energii elektrycznej, zmniejszając zużycie energii przy jednoczesnym zachowaniu maksymalnej mocy wyjściowej;
Modele z silnikami synchronicznymi z magnesami trwałymi zazwyczaj priorytetowo traktują zużycie energii i wykorzystują ich wydajność oraz sprawność działania przy niskich prędkościach, co czyni je odpowiednimi do samochodów małych i średnich. Charakteryzują się niewielkimi rozmiarami, niewielką wagą i długą żywotnością akumulatora. Jednocześnie charakteryzują się dobrą regulacją prędkości i utrzymują wysoką sprawność nawet przy wielokrotnym ruszaniu, zatrzymywaniu, przyspieszaniu i zwalnianiu.
Dominują silniki synchroniczne z magnesami trwałymi. Według statystyk z „New Energy Vehicle Industry Chain Monthly Database” opublikowanej przez Advanced Industry Research Institute (GGII), krajowa moc zainstalowana silników napędowych do pojazdów o nowej energii w okresie od stycznia do sierpnia 2022 r. wyniosła około 3,478 mln sztuk, co stanowi wzrost o 101% rok do roku. Wśród nich moc zainstalowana silników synchronicznych z magnesami trwałymi wyniosła 3,329 mln sztuk, co stanowi wzrost o 106% rok do roku; moc zainstalowana silników asynchronicznych prądu przemiennego wyniosła 1,295 mln sztuk, co stanowi wzrost o 22% rok do roku.
Silniki synchroniczne z magnesami trwałymi stały się głównymi silnikami napędowymi na rynku samochodów osobowych z napędem elektrycznym.
Sądząc po wyborze silników do popularnych modeli w kraju i za granicą, nowe pojazdy energetyczne wprowadzane na rynek przez krajowe firmy SAIC Motor, Geely Automobile, Guangzhou Automobile, BAIC Motor, Denza Motors itp. wykorzystują silniki synchroniczne z magnesami trwałymi. Silniki synchroniczne z magnesami trwałymi są stosowane głównie w Chinach. Po pierwsze, ponieważ silniki synchroniczne z magnesami trwałymi charakteryzują się dobrą wydajnością przy niskich prędkościach obrotowych i wysoką sprawnością konwersji, co doskonale sprawdza się w złożonych warunkach pracy z częstymi rozruchami i zatrzymywaniami w ruchu miejskim. Po drugie, ze względu na magnesy trwałe z neodymu, żelaza i boru w silnikach synchronicznych z magnesami trwałymi. Materiały te wymagają użycia pierwiastków ziem rzadkich, a mój kraj posiada 70% światowych zasobów pierwiastków ziem rzadkich, a całkowita produkcja materiałów magnetycznych NdFeB sięga 80% światowej produkcji, dlatego Chiny są bardziej zainteresowane wykorzystaniem silników synchronicznych z magnesami trwałymi.
Zagraniczne firmy Tesla i BMW współpracują ze sobą, rozwijając swoje rozwiązania w oparciu o silniki synchroniczne z magnesami trwałymi i silniki asynchroniczne prądu przemiennego. Z punktu widzenia struktury aplikacji, silnik synchroniczny z magnesami trwałymi jest najczęściej wybieranym rozwiązaniem w pojazdach o nowych źródłach energii.
Koszt materiałów z magnesami trwałymi stanowi około 30% kosztów silników synchronicznych z magnesami trwałymi. Surowce do produkcji silników synchronicznych z magnesami trwałymi obejmują głównie neodym, żelazo i bor, blachy ze stali krzemowej, miedź i aluminium. Spośród nich, materiał z magnesami trwałymi, neodym, żelazo i bor, jest używany głównie do produkcji magnesów trwałych wirnika, a jego koszt stanowi około 30%; blachy ze stali krzemowej są używane głównie do produkcji niestandardowych magnesów. Koszt rdzenia wirnika wynosi około 20%; koszt uzwojenia stojana około 15%; koszt wału silnika około 5%; a koszt obudowy silnika około 15%.
Dlaczego sąSilniki śrubowe z magnesami trwałymi OSG do sprężarek powietrzabardziej wydajny?
Silnik synchroniczny z magnesami trwałymi składa się głównie ze stojana, wirnika i obudowy. Podobnie jak w zwykłych silnikach prądu przemiennego, rdzeń stojana ma strukturę laminowaną, co zmniejsza straty żelaza spowodowane prądami wirowymi i efektami histerezy podczas pracy silnika; uzwojenia są zazwyczaj trójfazowe, symetryczne, ale dobór parametrów jest zupełnie inny. Wirnik może mieć różne formy, w tym wirnik z magnesami trwałymi z klatką rozruchową oraz wbudowany lub montowany powierzchniowo wirnik z czystymi magnesami trwałymi. Rdzeń wirnika może być wykonany w formie litej lub laminowanej. Wirnik jest wyposażony w materiał z magnesami trwałymi, powszechnie nazywany magnesem.
Podczas normalnej pracy silnika z magnesami trwałymi pola magnetyczne wirnika i stojana są synchroniczne. W wirniku nie występuje prąd indukowany, a straty miedzi w wirniku, histereza ani straty w prądach wirowych nie występują. Nie ma potrzeby uwzględniania problemu strat i nagrzewania wirnika. Silnik z magnesami trwałymi jest zazwyczaj zasilany przez specjalną przetwornicę częstotliwości i posiada funkcję łagodnego rozruchu. Ponadto silnik z magnesami trwałymi jest silnikiem synchronicznym, który charakteryzuje się regulacją współczynnika mocy poprzez intensywność wzbudzenia, dzięki czemu współczynnik mocy można zaprojektować do określonej wartości.
Z punktu widzenia rozruchu, ze względu na fakt, że silnik z magnesami trwałymi jest uruchamiany za pomocą zasilacza o zmiennej częstotliwości lub wspomagającego falownika, proces rozruchu silnika z magnesami trwałymi jest bardzo prosty; jest podobny do rozruchu silnika o zmiennej częstotliwości i unika się wad rozruchowych typowych dla zwykłych silników asynchronicznych klatkowych.
Krótko mówiąc, sprawność i współczynnik mocy silników z magnesami trwałymi mogą być bardzo wysokie, ich konstrukcja jest niezwykle prosta, a rynek w ciągu ostatnich dziesięciu lat był bardzo gorący.
Jednakże utrata wzbudzenia jest nieuniknionym problemem w silnikach z magnesami trwałymi. Zbyt duży prąd lub zbyt wysoka temperatura powodują natychmiastowy wzrost temperatury uzwojeń silnika, gwałtowny wzrost prądu i szybką utratę wzbudzenia magnesów trwałych. W układzie sterowania silnikami z magnesami trwałymi, zabezpieczenie nadprądowe jest ustawione, aby zapobiec spaleniu uzwojenia stojana silnika, jednak wynikająca z tego utrata wzbudzenia i wyłączenie urządzenia są nieuniknione.
Czas publikacji: 12 grudnia 2023 r.
