Двигатель PMSM: идеальный выбор для эффективного вождения электромобиля

I. Введение

В условиях глобального внимания к углеродной нейтральности и быстрой модернизации отрасли электромобилей (EV) спрос на высокоэффективные и высокопроизводительные приводные двигатели становится все более жестким. Являясь основным компонентом, определяющим запас хода, мощность и надежность электромобиля, двигатель PMSM постепенно стал основной конфигурацией транспортных средств на новой энергии, заменяя традиционные двигатели во многих моделях высокого класса и массового рынка.

С 1970-х годов разработка редкоземельных материалов для постоянных магнитов привела к модернизации двигателей с постоянными магнитами, основанных на стабильном магнитном поле, генерируемом постоянными магнитами.двигатель pmsm для электромобиляпреодолела узкие места в производительности традиционных двигателей с электрическим возбуждением, продемонстрировав очевидные преимущества в энергосбережении, миниатюризации и точном управлении. В этой статье будут глубоко проанализированы технические характеристики, основные преимущества и практическая ценность двигателей PMSM, а также обсуждены перспективы их развития в области электромобилей.

II. Введение в двигатели PMSM и их роль в электромобилях

Двигатель с постоянными магнитами (PMSM) — это двигатель переменного тока, который использует постоянные магниты для создания магнитного поля ротора, реализуя синхронную работу между ротором и вращающимся магнитным полем статора без контактных колец, щеток или обмоток возбуждения ротора. В отличие от традиционных двигателей, его магнитное поле создается редкоземельными материалами с постоянными магнитами (такими как неодим-железо-бор Nd2Fe14B), которые обладают превосходными магнитными свойствами, такими как высокая коэрцитивная сила, остаточный магнетизм и произведение магнитной энергии.

В электромобиляхПМСМ двигательforev выполняет основную задачу по преобразованию электрической энергии в механическую, напрямую влияя на динамические характеристики автомобиля, потребление энергии и впечатления от вождения.

Благодаря развитию векторного управления, прямого управления крутящим моментом и технологии силовых электронных устройств двигатели PMSM решили исторические проблемы сложного запуска и сложного управления и широко используются в легковых автомобилях, коммерческих автомобилях и специальных транспортных средствах на новых источниках энергии. От высокопроизводительных электромобилей, стремящихся к быстрому ускорению, до семейных автомобилей, ориентированных на дальний пробег, двигатели PMSM можно настраивать и регулировать в соответствии с разнообразными потребностями в позиционировании продукта.

С точки зрения истории развития, первым двигателем в мире был двигатель с постоянными магнитами, но однажды он был заменен двигателями с электрическим возбуждением из-за обратных характеристик материалов с постоянными магнитами. Только с появлением редкоземельных материалов NdFeB в 1970-х годах двигатель PMSM обрел жизнеспособность и двинулся в сторону высокой мощности, высокого КПД и миниатюризации. Сегодня ведущие предприятия в стране и за рубежом добились прорыва в технологии PMSM большой мощности, заложив прочную основу для ее популяризации в индустрии электромобилей.

III. Принцип работы и технические характеристики двигателей PMSM

3.1 Принцип взаимодействия постоянных магнитов и электромагнитных полей

Основной принцип работы двигателя PMSM основан на электромагнитной индукции и эффекте взаимного возбуждения между постоянными магнитами и переменным током. Ротор оснащен редкоземельными постоянными магнитами, которые после намагничивания создают постоянное магнитное поле; обмотка статора подключена к трехфазному переменному току для формирования вращающегося магнитного поля с регулируемой скоростью и амплитудой.

Под действием электромагнитной силы ротор «заблокирован» вращающимся магнитным полем статора и работает синхронно, со скоростью вращения, равной синхронной скорости (без потерь скольжения), что принципиально повышает эффективность преобразования энергии.

3.2 Процесс эффективного преобразования энергии

По сравнению с традиционными двигателями с электрическим возбуждением, двигатель с постоянными магнитами исключает потери возбуждения обмоток ротора и механические потери щеток и контактных колец, а ток статора должен обеспечивать только ток крутящего момента, что значительно снижает потери в меди и железе. В процессе преобразования энергии магнитное поле постоянных магнитов стабильно и надежно, а потери энергии контролируются на низком уровне — даже при частичной нагрузке или в условиях низкой скорости работы оно может поддерживать высокую эффективность, что имеет решающее значение для расширения запаса хода электромобилей.

3.3 Точный контроль скорости и крутящего момента

Точное управление двигателем PMSM основано на передовых алгоритмах управления и высокопроизводительных силовых электронных устройствах. Векторное управление (FOC) решает проблему регулирования скорости двигателя переменного тока по принципу, реализуя плавное регулирование скорости в широком диапазоне и быструю реакцию крутящего момента; Прямое управление крутящим моментом (DTC) упрощает структуру управления, обеспечивая высокую устойчивость к изменениям параметров и быструю динамическую реакцию.

Для электромобилей это означает, что двигатель может мгновенно выдавать большой крутящий момент во время запуска и ускорения и поддерживать стабильную работу во время движения на высокой скорости, обеспечивая при этом точное соответствие между скоростью и крутящим моментом в зависимости от условий движения, оптимизируя потребление энергии.

Кроме того, применение высокопроизводительных процессоров и силовых электронных устройств еще больше повысило точность управления и скорость срабатывания двигателей с постоянными магнитами. Преобразователи частоты общего назначения могут преобразовывать мощность промышленной частоты в мощность переменной частоты, решая проблему запуска синхронных двигателей и обеспечивая надежную техническую гарантию для применения двигателей с постоянными магнитами для электродвигателей.

IV. Преимущества двигателей PMSM для эффективного вождения электромобилей

4.1 Увеличение дальности действия с высокой эффективностью

КПД двигателя с постоянными магнитами (PMSM) при полной нагрузке может достигать 94–97%, что на 3–5 процентных пунктов выше, чем у традиционных асинхронных двигателей. Что еще более важно, он может поддерживать высокую эффективность в условиях частичной нагрузки, что составляет большую часть ежедневных сценариев вождения электромобилей.

Для электромобилей с ограниченной емкостью аккумулятора более высокая эффективность двигателя напрямую приводит к увеличению запаса хода: при той же конфигурации аккумулятора транспортные средства, оснащенные двигателем PMSM для электромобилей, могут увеличить запас хода на 10–15 %, что эффективно снижает беспокойство пользователей по поводу запаса хода.

4.2 Повышение мощности за счет высокой плотности крутящего момента

Благодаря отсутствию обмоток возбуждения ротора и использованию высокопроизводительных редкоземельных постоянных магнитов двигатель PMSM имеет компактную конструкцию, небольшой размер и легкий вес. При том же объеме и весе его плотность крутящего момента на 20–30% выше, чем у асинхронных двигателей, что может обеспечить более высокую выходную мощность.

Для электромобилей это означает, что двигатель может быть расположен более гибко и в то же время он может развивать большой крутящий момент на низкой скорости, обеспечивая быстрое ускорение и высокие характеристики набора высоты, увеличивая удовольствие от вождения.

4.3 Удовлетворение разнообразных потребностей благодаря широкому диапазону регулирования скорости

Благодаря поддержке технологии векторного управления и технологии расширения скорости со слабым магнитным полем двигатель PMSM для электромобилей имеет широкий диапазон регулирования скорости: можно плавно переключать низкую скорость, большой крутящий момент и высокую скорость, а также постоянную мощность. Это позволяет электромобилям адаптироваться к сложным условиям вождения: они могут стабильно выдавать большой крутящий момент при трогании с места и подъеме, а также сохранять высокую эффективность и стабильность при движении на высокой скорости. Специально для встроенных двигателей PMSM они обладают превосходной способностью к расширению скорости при слабом магнитном поле, что может еще больше расширить высокоскоростной рабочий диапазон и удовлетворить разнообразные требования к скорости электромобилей.

4.4 Обеспечение безопасности вождения при высокой надежности

Двигатель PMSM имеет бесщеточную конструкцию, исключающую риск износа и выхода из строя щеток и контактных колец, а срок его службы может достигать более 15 лет (что соответствует сроку службы электромобилей). При этом за счет упрощения конструкции интенсивность отказов существенно ниже, чем у традиционных двигателей.

В процессе проектирования за счет оптимизации коэффициента полюсной дуги, ширины паза, а также использования перекошенных пазов и других мер зубчатый момент снижается, вибрация и шум во время работы двигателя сводятся к минимуму, а комфорт и безопасность вождения повышаются. Кроме того, зрелая технология управления температурным режимом может эффективно предотвращать размагничивание постоянных магнитов, вызванное высокой температурой, обеспечивая стабильную работу в экстремальных условиях работы.

V. Практические примеры применения двигателей с постоянными магнитами в электромобилях

Во всем мире двигатель с постоянными магнитами для электромобилей стал предпочтительным приводным двигателем для основных автопроизводителей. Например, в Tesla Model 3/Y используется внутренний синхронный двигатель с постоянными магнитами, который обеспечивает баланс между высокой эффективностью и производительностью: КПД двигателя достигает 97% при оптимальных рабочих условиях, а время разгона от 0 до 100 км/ч составляет всего 3,3 секунды. BYD, отечественный автопроизводитель, самостоятельно разработал лопастной двигатель, который широко используется в таких моделях, как Han и Tang.

Он использует материалы для постоянных магнитов неодим-железо-бор и оптимизирует конструкцию магнитной цепи с плотностью крутящего момента более 40 Н·м/кг и максимальным КПД 98,5%.

В сфере коммерческих автомобилей легкие автобусы SAIC Maxus и электрические грузовики Foton также оснащены двигателями PMSM, изготовленными по индивидуальному заказу, которые могут адаптироваться к условиям работы с частыми стартами и тяжелыми нагрузками, а потребление энергии на 100 километров на 15–20% ниже, чем у транспортных средств, оснащенных асинхронными двигателями.

На международном уровне BMW iX3 и Mercedes-Benz EQC также используют двигатели PMSM в качестве основного компонента привода, полагаясь на их высокую надежность и эффективность для повышения конкурентоспособности продукции на рынке.

Что касается промышленной поддержки, ведущие автомобильные предприятия, такие как Siemens и ABB, также добились важных прорывов в технологии двигателей с постоянными магнитами для электромобилей. Еще в 1986 году компания Siemens разработала шестифазный двигатель с постоянными магнитами (PMSM) мощностью 1095 кВт, который используется для приведения в движение судов, объем которого уменьшен почти на 60% по сравнению с традиционными двигателями постоянного тока. Максимальная установленная мощность двигателя PMSM компании АББ для силовой установки судов составляет 38 МВт, что закладывает техническую основу для применения двигателей PMSM в сценариях большой мощности.

В Китае компания CRRC Zhuzhou разработала высокоскоростной ветряной генератор с постоянными магнитами мощностью 3 МВт, а его технология была перенесена в область электромобилей, способствуя модернизации отечественных двигателей с постоянными магнитами.

VI. Сравнение двигателей PMSM с другими приводными двигателями

6.1 Сравнение с асинхронными асинхронными двигателями

Асинхронные асинхронные двигатели (АД) обладают преимуществами низкой стоимости, простой конструкции и высокой надежности и когда-то широко использовались в первых электромобилях. Однако по сравнению с двигателем PMSM их недостатки очевидны: КПД при полной нагрузке составляет всего 90–93%, а при частичной нагрузке КПД значительно падает; плотность крутящего момента низкая, что приводит к увеличению объема и веса; точность регулирования скорости ограничена проскальзыванием, а динамический отклик медленный.

Для электромобилей, которым важны запас хода и производительность, двигатель PMSM for EV стал более идеальным выбором, в то время как асинхронные двигатели сохранились лишь в небольшом количестве недорогих моделей или мощных специальных транспортных средств.

6.2 Сравнение с вентильными реактивными двигателями

Реактивные двигатели с переключателем (SRM) имеют преимущества простой конструкции, низкой стоимости и отсутствия риска размагничивания. Однако они имеют очевидные недостатки, такие как большая пульсация крутящего момента, высокий уровень шума и низкий КПД, что ограничивает их применение в легковых автомобилях. Двигатель PMSM имеет лучшую плавность хода, более низкий уровень шума и более высокую эффективность, что может лучше соответствовать требованиям комфорта электромобилей.

Кроме того, точность управления и динамический отклик двигателей PMSM намного превосходят двигатели SRM, что делает их более подходящими для сценариев с высокими требованиями к ходовым качествам. Таким образом, SRM используется лишь в небольшом количестве электромобилей и специальной техники бюджетного класса, в то время как двигатели PMSM доминируют на массовом рынке электромобилей.

VII. Тенденции развития и проблемы двигателей PMSM

7.1 Тенденции развития

Будущее развитие двигателей PMSM будет сосредоточено на двух направлениях: низкая стоимость и высокая производительность. С точки зрения низкой стоимости, исследование и применение нередкоземельных материалов для постоянных магнитов и переработанных материалов для постоянных магнитов снизят зависимость от неодима-железа-бора, а оптимизация процессов проектирования и производства еще больше снизит производственные затраты.

Что касается высокой производительности, двигатель PMSM для электромобилей будет развиваться в направлении высокой скорости, большого крутящего момента и интеллекта - за счет применения силовых устройств из карбида кремния (SiC) и усовершенствованных алгоритмов управления (таких как управление режимом скольжения, адаптивное управление), эффективность и скорость реакции будут дополнительно улучшены, а также будет реализована интеграция с интеллектуальными системами, установленными на автомобиле, для реализации адаптивной регулировки в соответствии с привычками вождения.

Кроме того, ключевым направлением развития станет сочетание технологий моделирования и технологий проектирования. Программное обеспечение для анализа методом конечных элементов может точно рассчитывать параметры двигателя, такие как распределение магнитного поля и зубчатый момент, а метод комбинации возбуждения и цепи может сбалансировать эффективность и точность вычислений, сокращая цикл разработки двигателей с постоянными магнитами. В то же время бесщеточные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами (BLDCM) будут дополнительно интегрированы с технологией PMSM, а передовые стратегии управления будут внедрены для расширения их применения в бытовой технике и небольших электромобилях.

7.2 Основные проблемы

Несмотря на очевидные преимущества, двигатель PMSM по-прежнему сталкивается со многими проблемами в области электромобилей. Во-первых, цены на материалы из редкоземельных постоянных магнитов нестабильны, а на цепочку поставок влияют политические меры и факторы окружающей среды, что создает ценовые риски для производителей. Во-вторых, проблема размагничивания постоянных магнитов в экстремальных условиях до конца не решена, что требует дальнейшей оптимизации терморегулирования и конструкции магнитной цепи. В-третьих, система управления сложна, а порог исследований и разработок в области бездатчикового управления и технологии низкоскоростного запуска высок, что ограничивает популяризацию малых и средних предприятий.

Кроме того, технология переработки и повторного использования материалов с постоянными магнитами еще не развита, что создает нагрузку на окружающую среду, связанную с утилизацией электродвигателей с постоянными магнитами по окончании срока службы. Баланс между производительностью, стоимостью, защитой окружающей среды и надежностью стал ключевым вопросом для устойчивого развития двигателей с постоянными магнитами (PMSM).

VIII. Выводы и перспективы

Благодаря своим преимуществам, таким как высокая эффективность, высокая плотность крутящего момента, широкий диапазон регулирования скорости и высокая надежность, двигатель PMSM стал идеальным выбором для эффективного вождения электромобилей и в дальнейшем будет занимать основные позиции на рынке приводных двигателей для электромобилей благодаря модернизации технологии редкоземельных материалов и технологий управления. Для производителей электромобилей оптимизация конструкции двигателей с постоянными магнитами для электромобилей, снижение затрат и повышение надежности станут основным конкурентным преимуществом при захвате рынка; для потребителей автомобили, оснащенные двигателями PMSM, могут принести больше удовольствия от вождения и снизить затраты на эксплуатацию.

Заглядывая в будущее, благодаря прорыву в области нередкоземельных материалов с постоянными магнитами, технологии интеллектуального управления и технологии переработки, технические узкие места двигателей PMSM будут постепенно решены, а области их применения будут и дальше расширяться — от легковых автомобилей и коммерческих автомобилей до новых энергетических кораблей, аэрокосмической и других высокотехнологичных областей. Являясь основным компонентом новых энергетических транспортных средств, двигатель PMSM продолжит способствовать трансформации и модернизации мировой автомобильной промышленности, способствуя реализации целей углеродной нейтральности.