Каковы будущие направления развития синхронных двигателей с постоянными магнитами?

Синхронный двигатель с постоянными магнитамиs (PMSM) превратились в основные силовые компоненты современных электрифицированных систем, известные своей высокой эффективностью, превосходной удельной мощностью и исключительными динамическими характеристиками. Благодаря глобальным целям углеродной нейтральности, строгой политике энергосбережения и быстрой электрификации ключевых отраслей — от автомобилестроения и производства до аэрокосмической отрасли — PMSM получили широкое распространение в новых энергетических транспортных средствах (NEV), оборудовании промышленной автоматизации, аэрокосмических двигательных установках, бытовой технике и проектах распределенной генерации электроэнергии.

По мере того, как материаловедение, силовая электроника и алгоритмы управления продолжают развиваться, PMSM претерпевает глубокую трансформацию в сторону более высокой производительности, интеллекта, экологизации и системной интеграции. В этой статье всесторонне исследуются контекст разработки, основные технологии, сценарии применения, существующие проблемы и будущие тенденции PMSM, а также подробно рассматриваются передовые методы проектирования с целью предоставить систематическую информацию отраслевым исследователям, инженерам и лицам, принимающим решения.

I. Введение

На фоне глобальных целей углеродной нейтральности середины века и ускоренной электрификации промышленности спрос на высокоэффективные и надежные двигатели резко возрос.Синхронный электродвигатель с постоянными магнитамипревосходит асинхронные, вентильно-реактивные и другие традиционные двигатели, обладая уникальными техническими преимуществами.

В отличие от асинхронных двигателей, в которых используется возбуждение обмотки ротора, в модулях PMSM для создания магнитных полей ротора используются высокопроизводительные постоянные магниты, что исключает потери в меди ротора. Это повышает энергоэффективность на 5-10% и удельную мощность на 20-30%, что делает их идеальными для тяги NEV, высокоточного сервооборудования, вспомогательных силовых установок аэрокосмической отрасли и распределенной ветровой/солнечной генерации.

Их быстрый отклик и низкие пульсации крутящего момента также делают их незаменимыми для таких прецизионных сценариев, как промышленные роботы и обрабатывающее оборудование.

Однако крупномасштабное применение СДСМ сталкивается с узкими местами: высокой стоимостью редкоземельных магнитов (30-40% от общей стоимости), плохой термической стабильностью, сложными требованиями к управлению и зависимостью от высокопроизводительных силовых электронных компонентов и инструментов моделирования.

Постоянные инновации в магнитных материалах, структурном проектировании, моделировании и алгоритмах управления имеют важное значение. В этой статье рассматриваются основные аспекты PMSM с практическими примерами и анализом проблем, а также предоставляются ссылки на исследования и разработки.

II. Статус развития и исследований ПМСМ

（I）Фонд развития

Разработка и популяризация синхронных двигателей с постоянными магнитами тесно связаны с прорывами в трех основных областях: технология материалов с постоянными магнитами, технология силовой электроники и теория управления. Эти три столпа дополняют друг друга, продвигая технологию PMSM от лабораторных исследований к крупномасштабному промышленному производству.

Что касается материалов постоянных магнитов, двигатели начала 20-го века использовали феррит и магниты AlNiCo, которые имели низкую магнитную энергию (20-30 кДж/м³ для феррита, 40-60 кДж/м³ для AlNiCo), что приводило к низкой плотности мощности, большому объему и ограниченной эффективности, что ограничивало их использование сценариями с низким энергопотреблением, такими как небольшие вентиляторы. Изобретение и индустриализация редкоземельных магнитов в 1980-х годах ознаменовали важную веху: магниты неодим-железо-бор (NdFeB) имеют произведение магнитной энергии 200-400 кДж/м³ (в 5-10 раз больше, чем у феррита), что фундаментально обеспечивает миниатюризацию PMSM, высокий КПД и высокую плотность мощности.

Магниты из самария-кобальта (SmCo) (150-250 кДж/м³) еще больше расширили возможности применения ПМСМ в высокотемпературных средах. Между тем, современные биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), полевые МОП-транзисторы из карбида кремния (SiC) и устройства на основе нитрида галлия (GaN) повысили эффективность и надежность привода, а итерация алгоритма управления (от скалярного управления до FOC / DTC, а затем до MPC) улучшила производительность PMSM в сложных условиях.

（II）Статус отечественных и зарубежных исследований

На международном уровне развитые страны сформировали зрелые технологические системы и производственные цепочки PMSM. Япония специализируется на автомобильной и бытовой технике: Toyota, Nissan и Mitsubishi Electric имеют многолетний опыт работы с NEV PMSM, гибрид Toyota Prius использует PMSM в качестве основного тягового двигателя для нескольких поколений (КПД системы превышает 90%), а высокоточные сервоприводы PMSM от Mitsubishi (пульсации крутящего момента <1%) широко используются в промышленных роботах.

Германия выделяется среди производителей высокоскоростных и мощных СДСМ: компании Siemens и Bosch разработали модели со скоростью более 20 000 об/мин и эффективностью более 98 %, которые применяются в центробежных компрессорах и вспомогательных силовых установках аэрокосмической отрасли. США нацелены на высокотехнологичные области: многомегаваттные PMSM компании GE приводят в действие судовые силовые установки и ветряные турбины, а Массачусетский технологический институт и Стэнфорд исследуют алгоритмы управления на основе искусственного интеллекта и новые магниты.

Внутри страны, благодаря росту отрасли NEV и политической поддержке, BYD, Huawei и Great Wall Motors освоили основные технологии (подготовка NdFeB, проектирование топологии, векторное управление), массовое производство PMSM для тяги NEV, промышленных сервоприводов и бытовой техники. Лопастной двигатель BYD (разновидность IPMSM) имеет удельную мощность более 3 кВт/кг и широко используется в линейке NEV. Однако остаются пробелы в высококачественных редкоземельных материалах, независимом программном обеспечении для моделирования и высокоточных управляющих микросхемах.

（III）Промышленное применение

PMSM широко применяются в ключевых секторах, становясь основным фактором электрификации и энергосбережения. В NEV PMSM доминирует в тяговых и вспомогательных системах: IPMSM, обладающий превосходной способностью ослаблять магнитный поток, является основным направлением для тяги NEV среднего и высокого класса (удовлетворяет потребности в трогании с места, наборе высоты и движении), в то время как SPMSM используется в компрессорах кондиционеров и водяных насосах для экономии энергии и снижения шума, увеличивая срок службы транспортного средства.

В промышленной автоматизации PMSM является основой сервосистем, промышленных роботов и станков с ЧПУ. Высокоточный сервопривод PMSM обеспечивает стабильное и точное движение соединений робота и обрабатывающих инструментов. В аэрокосмической отрасли PMSM на основе SmCo (с превосходной термической стабильностью) используется во вспомогательных силовых установках, исполнительных механизмах управления полетом и системах ориентации спутников, адаптируясь к суровым авиационным и космическим условиям.

В бытовой технике PMSM постепенно заменил асинхронные двигатели в кондиционерах, стиральных машинах и холодильниках, снизив потребление энергии на 10-20% и соблюдая строгие стандарты энергоэффективности. В энергетическом секторе ветряные турбины с прямым приводом на постоянных магнитах исключают использование коробок передач, сокращают затраты на техническое обслуживание и повышают эффективность, что становится тенденцией в ветроэнергетике.

III. Основные технологии PMSM

(I) Технология проектирования

Технология проектирования играет центральную роль в улучшении комплексных характеристик синхронного двигателя с постоянными магнитами, охватывая топологию ротора/статора, расположение магнитов, контроль потерь, структурную надежность и конструкцию системы охлаждения, обеспечивая при этом баланс между производительностью, стоимостью и технологичностью. Топология ротора имеет два основных типа: SPMSM прикрепляет магниты к поверхности ротора, отличается простой конструкцией, легкостью изготовления и низкой стоимостью, подходит для сценариев с низкой скоростью и низким энергопотреблением.

IPMSM встраивает магниты в сердечник ротора (с барьерами потока для оптимизированных магнитных цепей), обеспечивая более высокую плотность крутящего момента и диапазон ослабления магнитного потока, что идеально подходит для тяговых и высокопроизводительных сервосистем NEV. Оптимизация компоновки магнитов (матрица Хальбаха, концентрированная обмотка с дробными пазами) увеличивает магнитную плотность воздушного зазора и уменьшает пульсации крутящего момента — массив Хальбаха повышает плотность мощности за счет концентрации магнитного потока, а обмотка с дробными пазами укорачивает концевые обмотки, чтобы снизить потери в меди.

Оптимизация потерь нацелена на потери железа, меди и паразитные потери. Системы охлаждения (водяное/масляное охлаждение для мощных/высокоскоростных моделей) предотвращают размагничивание магнитов за счет эффективного рассеивания тепла.

(II) Технология моделирования

Технология моделирования сокращает циклы исследований и разработок, снижает затраты и повышает надежность за счет возможности полномасштабного прогнозирования производительности. Современная конструкция PMSM опирается на инструменты мультифизического моделирования для интеграции моделирования электромагнитной, тепловой, механической и гидродинамики.

Электромагнитное моделирование оптимизирует магнитные цепи, рассчитывает пульсации крутящего момента и распределение потерь, а также позволяет избежать магнитного насыщения. Тепловое моделирование прогнозирует распределение температуры обмоток, магнитов и корпусов, определяя конструкцию каналов охлаждения, чтобы поддерживать температуру магнитов ниже 120–150°C (безопасный предел для NdFeB). Механическое моделирование (Ansys Mechanical) проверяет прочность ротора и динамический баланс при высокой центробежной силе, оптимизируя такие конструкции, как втулки из углеродного волокна.

Благодаря технологии цифровых двойников моделирование интегрируется с физическими прототипами для настройки параметров в реальном времени, итеративной оптимизации и профилактического обслуживания, что снижает риск непредвиденных сбоев.

(III) Технология управления

Технология управления напрямую определяет динамические характеристики, эффективность и стабильность PMSM, развиваясь от традиционного скалярного управления к современным интеллектуальным стратегиям. Обычные FOC и DTC отвечают различным потребностям приложений: FOC преобразует трехфазный ток в координаты d/q посредством преобразования Парка/Кларка, независимо контролируя ток возбуждения и крутящий момент для низкой пульсации, высокой точности и плавного регулирования скорости.

DTC напрямую управляет крутящим моментом и магнитным потоком посредством выбора вектора напряжения, обеспечивая быструю реакцию и простые алгоритмы. Новые технологии MPC и адаптивного управления адаптируются к сложным условиям: MPC прогнозирует состояния двигателя с помощью математических моделей для оптимизации сигналов управления в реальном времени, обрабатывая множество ограничений; адаптивное управление динамически регулирует параметры в зависимости от изменений температуры и нагрузки.

Стратегии, интегрированные с искусственным интеллектом (нейронная сеть, нечеткое управление, обучение с подкреплением), решают традиционные ограничения моделирования: нейронные сети аппроксимируют нелинейные отношения, нечеткое управление обрабатывает неопределенность, а обучение с подкреплением обеспечивает самооптимизацию.

IV. Характеристики и классификация ПМСМ

（I）Основные характеристики

Основные преимущества и ограничения PMSM определяют область их применения. К преимуществам относятся: высокий КПД (номинальный КПД >95%, для моделей высшего класса до 98%), экономия энергии на 5-10% по сравнению с асинхронными двигателями при длительной эксплуатации; высокая плотность мощности (на 20–30 % выше, чем у асинхронных двигателей), что позволяет создавать меньшие по размеру и более легкие конструкции для сценариев с ограниченным пространством, таких как NEV и дроны.

Дополнительными преимуществами являются отличные динамические характеристики для точного управления и широкий диапазон скоростей, позволяющий адаптироваться к условиям работы на высоких скоростях с низким крутящим моментом и на низких скоростях с высоким крутящим моментом.

Ограничения сохраняются: высокая стоимость, плохая термическая стабильность (NdFeB размагничивается при температуре выше 150°C), сложное управление (требующее высокопроизводительных компонентов и профессиональных алгоритмов) и уязвимость к внешним магнитным полям (риск размагничивания).

（II）Классификация

Классификация PMSM основана на нескольких критериях, каждый из которых соответствует конкретным сценариям применения. По конструкции ротора: СПМСМ (недорогая маломощная бытовая техника), ИПМСМ (НЭМ, сервосистемы) и AFPMSM (повышенная удельная мощность для электромобилей и ветряных турбин). По уровню мощности: микро СДСМ (<1 кВт, для небольших приборов и дронов), СДСМ средней мощности (1–100 кВт, для промышленной автоматизации и вспомогательных устройств NEV) и СДСМ высокой мощности (>100 кВт, для силовых установок судов и больших ветряных турбин).

По материалу магнита: NdFeB, SmCo и без редкоземельных элементов. По применению: автомобильная, промышленная, аэрокосмическая, бытовая, энергетическая.

Каждая категория классификации оптимизирована для уникальных условий работы, обеспечивая адаптируемость PMSM к различным промышленным сценариям.

V. Существующие проблемы и пути прорыва

（I）Ключевые проблемы

Несмотря на быстрое развитие, PMSM сталкивается с четырьмя ключевыми проблемами. Во-первых, зависимость от редкоземельных ресурсов: NdFeB опирается на неодим, празеодим и диспрозий, причем его запасы ограничены, а волатильность цен угрожает стабильности цепочки поставок и контролю затрат. Во-вторых, риск высокотемпературного размагничивания: температура Кюри NdFeB и низкая температура размагничивания ограничивают использование в средах с высокой мощностью и высокими температурами, в то время как высокая стоимость SmCo ограничивает крупномасштабное применение.

В-третьих, отсутствие независимых основных технологий: внутренняя зависимость от импортных высококачественных материалов, SiC MOSFET и программного обеспечения для моделирования ослабляет основную конкурентоспособность. Эта зависимость препятствует автономности и масштабируемости производственной цепочки.

В-четвертых, надежность в суровых условиях окружающей среды: высокая температура, влажность и вибрация вызывают выход из строя магнитов, обмотки и подшипников, при этом затраты на техническое обслуживание остаются высокими для сценариев с высоким спросом, таких как аэрокосмическое и глубоководное оборудование.

（II）Пути прорыва

Целенаправленные пути прорыва решают эти проблемы. Инновации в материалах сосредоточены на магнитах с низким содержанием/нередкоземельных металлов (композиты на основе феррита, магниты Fe-Ni-Al, высокоэнтропийные сплавы) для снижения зависимости от ресурсов, а модификация магнитов (добавление диспрозия/тербия) и покрытие (оксид алюминия, нитрид титана) повышают термическую стабильность.

Технологические обновления включают усовершенствованное охлаждение для снижения риска размагничивания, интеграцию цифровых двойников для профилактического обслуживания, а также независимые исследования и разработки инструментов моделирования и микросхем управления для разрушения иностранных монополий. Эти обновления напрямую устраняют узкие места производительности и автономности.

Оптимизация производственной цепочки создает целостную экосистему, способствует переработке редкоземельных металлов посредством гидрометаллургии/пирометаллургии и укрепляет сотрудничество между промышленностью, университетами и исследованиями для ускорения коммерциализации технологий.

VI. Будущие тенденции развития

Благодаря технологиям, рыночному спросу и политике PMSM будет развиваться в шести ключевых направлениях.

Высокопроизводительная интеграция: интеграция двигателя, инвертора, редуктора, контроллера и датчика уменьшает объем/вес на 15–20 % и повышает эффективность на 5–8 % за счет оптимизации топологии (AFPMSM) и обновления материалов, нацеленных на плотность мощности 5 кВт/кг и эффективность полного цикла >96 %.

Экологичность с низкой себестоимостью: индустриализация нередкоземельных материалов и переработка редкоземельных металлов сокращают затраты, в то время как «зеленое» производство сокращает выбросы углекислого газа.

Адаптивность к высоким температурам: оптимизированное охлаждение и магнитная технология позволяют работать при температуре 200°C+, что расширяет возможности использования в аэрокосмической и высокотемпературной промышленности.

Интеллект/сети: IoT+AI+многомерные датчики обеспечивают мониторинг в реальном времени, профилактическое обслуживание и оптимизацию динамического управления, повышая эксплуатационную надежность.

Высокоскоростной и легкий: роторы из углеродного волокна и керамические подшипники достигают >30 000 об/мин, а AFPMSM уменьшает объем для авиационного и медицинского применения.

Кастомизация: оптимизация с учетом специфики области повышает конкурентоспособность рынка и адаптируемость к сценариям.

VII. Методы проектирования СДСМ

Проектирование PMSM — это систематический проект, объединяющий теоретический анализ, оптимизацию моделирования, экспериментальную проверку и соображения индустриализации. Традиционные эмпирические методы неэффективны и неточны, непригодны для удовлетворения требований высокой производительности.

В современном проектировании используются параметризованные инструменты CAD/CAE для создания настраиваемых моделей, что сокращает циклы проектирования. Многоцелевая оптимизация обеспечивает баланс между эффективностью, плотностью крутящего момента, стоимостью, шумом и технологичностью — оптимизация размера магнита для сокращения затрат, согласование пазовых полюсов для снижения шума и обмотки для повышения эффективности производства.

Интегрированная конструкция управления двигателем координирует топологию и алгоритмы для максимизации производительности системы. Экспериментальная проверка подтверждает правильность проектов с помощью итеративных циклов «проектирование-моделирование-эксперимент», обеспечивающих соответствие потребностям приложения. Технологичность и контроль затрат имеют приоритет за счет структурного упрощения и зрелых процессов.

Заключение

PMSM играет ключевую роль в глобальной электрификации и достижении углеродной нейтральности. Благодаря постоянным прорывам в области материалов для постоянных магнитов, структурного проектирования, моделирования и технологий управления PMSM станет более эффективным, надежным и экономически выгодным, расширяя свое присутствие в секторах NEV, аэрокосмической отрасли, промышленной автоматизации и энергетики.

Хотя такие проблемы, как зависимость от редкоземельных элементов и термическая нестабильность, сохраняются, появляются очевидные пути прорыва — через инновации в материалах, технологические обновления и оптимизацию производственных цепочек. Будущие PMSM будут стимулировать трансформацию энергетики и модернизацию промышленности, развиваясь в сторону интеграции, экологизации, интеллекта и индивидуализации.

Для профессионалов отрасли сосредоточение внимания на основных узких местах, укреплении междисциплинарного сотрудничества и ускорении коммерциализации технологий позволит раскрыть весь потенциал PMSM, способствуя устойчивому развитию электрифицированного общества.