Анализ преимуществ синхронных двигателей с постоянными магнитами в электромобилях

I. Введение

На фоне глобального энергосбережения и сокращения выбросов автомобильная промышленность ускоряет модернизацию в сторону более высокой эффективности и удельной мощности, при этом частотно-регулируемые приводы (ЧРП) становятся основной конфигурацией электромобилей и промышленных приводов.

Среди многочисленных типов двигателейсинхронный электродвигатель с постоянными магнитами(PMSM) стал основным конкурентом традиционных асинхронных двигателей (IM) благодаря своим выдающимся характеристикам. Таким образом, возникает решающий вопрос: могут ли PMSM, включая синхронный электродвигатель переменного тока с постоянными магнитами, полностью разрушить и заменить IM и стать доминирующим решением в области приводов?

В этой статье мы рассмотрим это противоречие, сравнив преимущества и недостатки, проанализировав возможность замены и изучив различия в адаптации в сценариях с ЧРП, с целью прояснить оптимальные границы применения обоих двигателей.

II. Базовое представление о синхронных двигателях с постоянными магнитами

Синхронный электродвигатель с постоянными магнитами — это тип двигателя переменного тока, в котором постоянные магниты создают магнитное поле ротора, обеспечивая синхронную работу между ротором и вращающимся магнитным полем статора без потерь скольжения. Стоит отметить, что синхронный электродвигатель переменного тока с постоянными магнитами по существу соответствует PMSM в основных принципах и сценариях применения, лишь незначительно отличаясь терминологическим выражением в конкретных областях промышленности.

С точки зрения классификации PMSM в основном делятся на типы поверхностного монтажа (SPMSM) и внутреннего монтажа (IPMSM) в зависимости от положения постоянных магнитов; По материалу его можно разделить на редкоземельные постоянные магниты (неодим-железо-бор, самарий-кобальт) и нередкоземельные постоянные магниты. Среди них редкоземельные PMSM, устанавливаемые внутри, широко используются в электромобилях благодаря своей превосходной удельной мощности и характеристикам регулирования скорости.

III. Сравнение преимуществ и недостатков двигателей с постоянными магнитами и обычными двигателями

3.1 Синхронный двигатель с постоянными магнитами (PMSM)

Преимущества: PMSM может похвастаться замечательной эффективностью: КПД при полной нагрузке составляет 94–97 %, и сохраняет высокий КПД даже при частичной нагрузке или в условиях низкой скорости благодаря устранению потерь в меди ротора и потерь скольжения. Он также отличается высокой мощностью и плотностью крутящего момента — его упрощенная конструкция ротора и малая инерция обеспечивают более компактный размер и меньший вес при той же мощности, что идеально соответствует требованиям к легкому весу электромобилей. Кроме того, он демонстрирует превосходные характеристики с большим крутящим моментом на низких скоростях, высокий коэффициент мощности и стабильную работу под управлением частотно-регулируемого привода с плавным снижением эффективности при преобразовании частоты.

Недостатки: Самым большим узким местом PMSM являются риски, связанные с затратами и ресурсами. На редкоземельные постоянные магниты приходится большая часть их стоимости, а их цены очень нестабильны и в значительной степени зависят от цепочки поставок редкоземельных металлов. Технически это требует обнаружения или оценки положения ротора, что усложняет систему управления, особенно для бездатчикового запуска и управления на низкой скорости. Более того, высокие температуры и большие нагрузки могут вызвать размагничивание постоянных магнитов, требующее строгого регулирования температурного режима, а их обслуживание и утилизация также сталкиваются с техническими и экономическими проблемами.

3.2 Асинхронный двигатель (IM)

Преимущества: IM имеет развитую структуру и простой производственный процесс, что приводит к низким первоначальным инвестициям и широкому выбору материалов. Его можно запустить напрямую в режиме онлайн, что демонстрирует высокую устойчивость к нагрузкам и суровым условиям, таким как пыль и высокие температуры. Благодаря конструкции ротора с короткозамкнутым ротором он прост в обслуживании, имеет легкодоступные запасные части и не использует редкоземельные материалы, что обеспечивает стабильные цепочки поставок.

Недостатки: IM имеет более низкий КПД: КПД при полной нагрузке составляет всего 90–93%, а его КПД значительно падает при частичной нагрузке или в условиях низкой скорости ЧРП. Он также имеет недостаточную удельную мощность, поскольку он больше и тяжелее, чем PMSM при той же мощности, а точность регулирования скорости ограничена проскальзыванием, что уступает PMSM в сценариях высокоточного управления скоростью.

3.3 Краткое сравнение с вентильно-реактивными двигателями (SRM)

Преимущества SRM заключаются в простой конструкции и низкой стоимости, а также отсутствии риска размагничивания постоянных магнитов. Однако он страдает от большого шума и пульсаций крутящего момента, а также имеет более низкую эффективность и характеристики управления по сравнению с PMSM. В практических приложениях SRM подходит для недорогих сценариев добычи полезных ископаемых, в то время как PMSM доминирует в высокопроизводительных областях, таких как электромобили, образуя взаимодополняющие отношения.

IV. Технико-экономическое обоснование замены СДСМ ИМ

Движущие факторы: Ужесточение политики энергосбережения во всем мире (например, стандартов эффективности IE3/IE4) вынудило автомобильную промышленность принять более эффективные решения. Популяризация частотно-регулируемого привода еще больше усиливает преимущества PMSM в производительности, а растущий спрос на высокую удельную мощность и легкий вес в электромобилях обеспечивает широкую платформу применения для PMSM. Кроме того, учитывая стоимость всего жизненного цикла, преимущества энергосбережения PMSM могут компенсировать первоначальную инвестиционную премию в сценариях с высоким потреблением энергии.

Ограничительные узкие места: Колебания цен на редкоземельные элементы удерживают стоимость PMSM выше, чем IM. Огромный запас IM на рынке с развитой системой обслуживания продлевает цикл замены. PMSM также имеет плохую адаптируемость к суровым условиям работы и высокие технические пороги в области контроля и терморегулирования, что ограничивает его популяризацию в некоторых областях.

Тенденция замещения: В ближайшие 5-10 лет замена IM на PMSM будет в основном сосредоточена на дополнительных рынках. PMSM будет доминировать в высокоэффективных сценариях, таких как электромобили, высокоточные станки и насосы с преобразованием частоты, в то время как IM останется в чувствительных к затратам и тяжелых условиях эксплуатации. Будет сформирована модель долгосрочного сосуществования, основанная на адаптации к конкретным сценариям.

V. Различия в адаптации в сценариях с частотно-регулируемым приводом (ЧРП)

Управление и привод. Синхронный электродвигатель с постоянными магнитами требует векторного управления или управления по полю (FOC), основанного на технологии определения или оценки положения ротора, что увеличивает сложность управления и стоимость. Напротив, IM может использовать более простое векторное управление или прямое управление крутящим моментом (DTC) без необходимости точного синхронного положения, что делает его более подходящим для недорогих сценариев.

Управление температурным режимом и надежность: PMSM имеет высокую удельную мощность и плотность тепла, поэтому конструкция системы охлаждения имеет решающее значение — недостаточное охлаждение может привести к размагничиванию постоянных магнитов. IM имеет более мягкое распределение тепла и больший конструктивный запас, относительно мягкие требования к системам охлаждения и более высокую надежность в суровых условиях.

Запуск и обслуживание: IM можно запустить напрямую в режиме онлайн, обладая обширным опытом обслуживания и низкими затратами на ремонт.синхронный электродвигатель переменного тока с постоянными магнитамихорошо работает при пуске с преобразованием частоты, обеспечивая большой крутящий момент, но требует защиты от размагничивания и накопления тепла при частом запуске и остановке, с более высокими затратами на обслуживание и техническими требованиями.

VI. Предложения по инженерному выбору и меры противодействия

Принцип выбора: Основой выбора двигателя является всесторонняя оценка, основанная на стоимости всего жизненного цикла (начальные инвестиции + потребление энергии + техническое обслуживание + потери из-за простоев) и условий работы, отвергая концепцию «один размер подходит всем», согласно которой PMSM является универсальным превосходством.

Адаптация сценария: PMSM предпочтителен для мощных, высокочастотных преобразований и легких сценариев, таких как электромобили и крупномасштабные энергосберегающие преобразования. IM больше подходит для экономичных, суровых условий работы и сценариев привода с постоянной скоростью, таких как традиционные насосы, вентиляторы и ленточные конвейеры.
Реагирование на риски: обратите пристальное внимание на технологические прорывы в области нередкоземельных постоянных магнитов и переработки постоянных магнитов, чтобы справиться с рисками в цепочке поставок. Примите стратегию «пилотного продвижения» — сначала замените дорогостоящие нагрузки с высоким энергопотреблением на PMSM, соберите данные эксплуатации и отзывы о техническом обслуживании, а затем расширьте сферу применения.

VII. Будущие тенденции развития и проблемы PMSM

Тенденции развития: Будущее PMSM будет сосредоточено на исследованиях материалов, не являющихся редкоземельными постоянными магнитами, чтобы уменьшить зависимость от редкоземельных элементов. Недорогая технология бездатчикового управления, интегрированная легкая конструкция и эффективная технология переработки постоянных магнитов также станут ключевыми направлениями исследований, что позволит еще больше улучшить экономические показатели и экологичность.
Основные проблемы: Стабильность и устойчивость цепочки поставок редкоземельных элементов остаются основным препятствием. Также актуальными вопросами, требующими решения, являются снижение стоимости постоянных магнитов и высокоточных систем управления, оптимизация надежности СДСМ в экстремальных условиях работы.

VIII. Заключение

Синхронный электродвигатель с постоянными магнитами, включая синхронный электродвигатель переменного тока с постоянными магнитами, имеет значительные преимущества в эффективности, удельной мощности и характеристиках регулирования скорости, что делает его незаменимым основным компонентом в высокопроизводительных областях, таких как электромобили. Он будет продолжать сокращать долю рынка IM, но полная глобальная замена нереальна из-за ограничений стоимости, цепочки поставок и адаптации к условиям труда.

В будущем на автомобильном рынке сформируется модель «оптимальной адаптации к конкретному сценарию». PMSM будет занимать все более важную позицию в проектах нового строительства и энергосберегающей трансформации, в то время как IM будет долгое время сосуществовать в конкретных областях. Для инженеров и предприятий рациональный выбор, основанный на реальных потребностях, а также использование технологических прорывов в области материалов для постоянных магнитов и систем управления станет ключом к использованию возможностей модернизации автомобильной промышленности.