Hlavná hnacia sila vedúca éru vysokej účinnosti a úspory energie

Motory, poháňané dvojitými silami moderného priemyselného systému a novej energetickej revolúcie, prechádzajú technologickou iteráciou z tradičných elektromagnetických typov na permanentné magnety.Motory s permanentnými magnetmi, so svojimi pozoruhodnými výhodami vysokej účinnosti, miniaturizácie a nízkych strát, sa stali „srdcom výkonu“ v oblastiach, ako sú nové energetické vozidlá, priemyselná automatizácia, inteligentné domácnosti a letecký priemysel, čím výrazne zmenili spôsob využívania energie v ľudskej výrobe a živote.

I. Základný princíp motorov s permanentnými magnetmi: Energetická revolúcia poháňaná magnetickými poľami

Podstatou motorov s permanentnými magnetmi je využitie konštantného magnetického poľa generovaného permanentnými magnetickými materiálmi (ako je neodým železo bór, samárium kobalt atď.) na nahradenie budiacich vinutí v tradičných motoroch a dosiahnutie efektívnej premeny elektrickej energie a mechanickej energie prostredníctvom elektromagnetickej indukcie. Jeho pracovný princíp možno zhrnúť ako „interakcia magnetického poľa“: po prechode striedavého prúdu cez vinutie statora sa vytvorí rotujúce magnetické pole. Toto magnetické pole interaguje s konštantným magnetickým poľom permanentných magnetov na rotore, pričom generuje elektromagnetický krútiaci moment, ktorý poháňa rotor, aby sa otáčal, a potom poháňa vonkajšiu záťaž, aby fungovala.

V porovnaní s tradičnými budiacimi motormi motory s permanentnými magnetmi eliminujú budiace vinutia, zberacie krúžky, kefy a ďalšie komponenty, čím sa dosiahli dva hlavné prielomy v štruktúre: Po prvé, eliminujú straty pri budení (tvoria asi 10 % - 20 % celkových strát motora), čím sa výrazne zlepší účinnosť premeny energie; Po druhé, zjednodušuje štruktúru motora, znižuje poruchovosť a predlžuje životnosť. Vezmite si ako príklad hnacie motory nových energetických vozidiel. Účinnosť synchrónnych motorov s permanentnými magnetmi môže vo všeobecnosti dosiahnuť 90 % až 97 %, čo je oveľa viac ako 85 % až 90 % tradičných asynchrónnych motorov. To je tiež hlavný dôvod, prečo sa stali hlavným prúdovým riešením pohonu.

II. Technické výhody: Štyri rozmery pretvárania výkonu motora

Široké uplatneniemotory s permanentnými magnetmivyplýva z ich všestranného prelomu vo výkone, veľkosti, spotrebe energie a spoľahlivosti, ktoré možno konkrétne zhrnúť do štyroch hlavných výhod:

1. Vysoká účinnosť a úspora energie: Funkcia nízkych strát za všetkých prevádzkových podmienok

Motory s permanentnými magnetmi si dokážu udržať vysokú účinnosť v širokom rozsahu otáčok, najmä v podmienkach čiastočného zaťaženia (ako sú nové energetické vozidlá v mestskej premávke), kde je ich výhoda účinnosti ešte výraznejšia. Ak vezmeme ako príklad trojfázový asynchrónny motor bežne používaný v priemyselnej oblasti, pri rovnakom výkone možno stratu motora s permanentným magnetom naprázdno znížiť o viac ako 50 % a prevádzkovú stratu možno znížiť o 20 % až 30 %. Dlhodobé používanie môže ušetriť veľké množstvo elektrickej energie. Podľa Medzinárodnej energetickej agentúry, ak by sa všetky priemyselné motory na celom svete nahradili vysokoúčinnými motormi s permanentnými magnetmi, mohlo by sa ročne znížiť približne 120 miliónov ton emisií oxidu uhličitého.

2. Kompaktný a ľahký: Konštrukčný dizajn, ktorý prekonáva priestorové obmedzenia

Vzhľadom na to, že hustota magnetického toku materiálov s permanentnými magnetmi je oveľa vyššia ako hustota tradičných budiacich vinutí, objem a hmotnosť motorov s permanentnými magnetmi možno pri rovnakom výkone znížiť o 30 % až 50 %. Táto výhoda je obzvlášť dôležitá v oblastiach, ako je letecký a kozmický priemysel a zdravotnícke zariadenia, ktoré sú citlivé na priestor a hmotnosť. Napríklad hnacie motory s permanentnými magnetmi používané v dronoch vážia len polovicu toho, čo tradičné motory, napriek tomu môžu ponúknuť vyššiu hustotu výkonu, čo výrazne zvyšuje ich výdrž.

3. Nízka hlučnosť a vysoká spoľahlivosť: Prevádzková výhoda zníženia nákladov na údržbu

Motory s permanentnými magnetmi nemajú ľahko opotrebované časti, ako sú kefy a zberacie krúžky. Ich konštrukcia rotora je jednoduchá. Počas prevádzky majú nízke vibrácie a hluk (zvyčajne pod 60 decibelov) a ich poruchovosť je oveľa nižšia ako u tradičných motorov. V priemyselných výrobných linkách môže stredný čas medzi poruchami (MTBF) motorov s permanentnými magnetmi dosiahnuť viac ako 100 000 hodín, čo je 2 až 3-krát viac ako v prípade tradičných motorov, čím sa výrazne znižujú náklady na údržbu zariadenia a straty spôsobené prestojmi.

4. Široký rozsah regulácie rýchlosti: Flexibilita ovládania prispôsobená viacerým scenárom

Pomocou vektorového riadenia, regulácie otáčok s premenlivou frekvenciou a ďalších technológií môžu motory s permanentnými magnetmi dosiahnuť reguláciu otáčok v širokom rozsahu od 0 do 10 000 ot./min., s vysokou presnosťou regulácie (chyba menšia ako 0,5 %) a rýchlou odozvou (úroveň milisekúnd). Táto funkcia mu umožňuje splniť požiadavky rôznych scenárov: v nových energetických vozidlách môže dosiahnuť bezproblémové prepínanie medzi nízkorýchlostným štartovaním s vysokým krútiacim momentom a vysokorýchlostnou efektívnou plavbou. V presných obrábacích strojoch môže poskytnúť stabilnú nízkorýchlostnú prevádzku, aby sa zabezpečila presnosť spracovania.

III. Oblasti použitia: Transformácia energie Prenikajúca do celého priemyselného reťazca

Od priemyselnej výroby po každodenný život, od pozemnej dopravy po letecký a kozmický priemysel, motory s permanentnými magnetmi sa stali hlavnou hnacou silou technologických inovácií v rôznych oblastiach. Medzi ich hlavné aplikačné scenáre patria:

1. Nové energetické vozidlá: Hlavná voľba pre pohonné systémy

V súčasnosti viac ako 90 % čisto elektrických vozidiel a hybridných vozidiel na celom svete používa ako hnacie motory synchrónne motory s permanentnými magnetmi. Napríklad bežné modely ako Tesla Model 3 a BYD Han sú všetky vybavené vysokovýkonnými motormi s permanentnými magnetmi, ktoré poskytujú nielen silný výkon (so zrýchlením z 0-100 km/h už za 2,1 sekundy), ale dosahujú aj nízku spotrebu energie (s minimálnou spotrebou energie iba 11,9 KWH na 100 km), čo uľahčuje automobilový priemysel transformáciu na nízkokarbonovú.

2. Priemyselná automatizácia: Kľúčové vybavenie na zvýšenie efektívnosti výroby

V priemyselnej oblasti sú motory s permanentnými magnetmi široko používané v obrábacích strojoch, robotoch, ventilátoroch, vodných čerpadlách a iných zariadeniach. Zoberme si ako príklad priemyselné roboty. Servomotory s permanentnými magnetmi používané v spojoch môžu dosiahnuť vysoko presné polohovanie (s presnosťou opakovaného polohovania ±0,001 mm) a rýchlu odozvu, čo umožňuje robotom dokončiť zložité montážne, zváracie a iné úlohy a výrazne zlepšiť efektivitu výroby. Okrem toho môžu ventilátory a čerpadlá poháňané motormi s permanentnými magnetmi ušetriť 20 % až 40 % energie v porovnaní s tradičnými motormi, čím sa priemyselným podnikom každoročne ušetrí obrovské množstvo poplatkov za elektrinu.

3. Inteligentná domácnosť a spotrebná elektronika: Základné komponenty pre optimalizáciu používateľského zážitku

V každodennom živote motory s permanentnými magnetmi prenikli do oblastí, ako sú domáce spotrebiče a digitálne produkty. Napríklad jednosmerný motor s permanentným magnetom používaný v inteligentných práčkach môže dosiahnuť plynulú reguláciu rýchlosti, čo vedie k rovnomernejšiemu praniu a nižšej hlučnosti. Chladiaci ventilátor prenosného počítača využíva mikromotor s permanentným magnetom, ktorý má veľkosť iba mince, ale môže poskytnúť účinný chladiaci efekt a zabezpečiť stabilnú prevádzku zariadenia.

4. Letectvo a národná obrana: Technická podpora pre prelomenie extrémnych prostredí

V oblasti letectva a kozmonautiky sa motory s permanentnými magnetmi široko používajú pri riadení satelitnej polohy, pohone bezpilotných vzdušných dopravných prostriedkov (UAV), systémoch navádzania rakiet atď., a to kvôli ich vysokej spoľahlivosti a schopnosti odolávať extrémnym prostrediam (fungujú v teplotnom rozsahu -60 ℃ až 200 ℃). Napríklad motor s permanentným magnetom, ktorý nesie čínska lunárna sonda Chang 'e-5, stabilne funguje v prostredí s extrémnymi teplotnými rozdielmi na Mesiaci a poskytuje kľúčovú energetickú podporu pre misiu návratu vzorky.

Iv. Výzvy vývoja a budúce trendy: Technologické objavy smerom k vyššiemu výkonu

Hoci motory s permanentnými magnetmi dosiahli pozoruhodný úspech, stále čelia určitým výzvam v procese vývoja: Po prvé, materiály s permanentnými magnetmi sa spoliehajú na dovoz. Viac ako 90 % svetových vysokovýkonných materiálov s permanentnými magnetmi na báze neodýmu a železa a bóru sa vyrába v Číne, ale nedostatok a kolísanie cien zdrojov vzácnych zemín môže ovplyvniť stabilitu priemyslu. Po druhé, stabilita pri vysokej teplote je nedostatočná. Tradičné permanentné magnetické materiály neodým a železo bór sú náchylné na demagnetizáciu pri vysokých teplotách, čo obmedzuje ich použitie vo vysokoteplotných scenároch, ako sú letecké motory a jadrový priemysel. Po tretie, náklady sú relatívne vysoké. Cena vysokovýkonných permanentných magnetických materiálov je 5 až 10-krát vyššia ako cena tradičných elektromagnetických materiálov, čo zvyšuje výrobné náklady motorov.

V reakcii na tieto výzvy budúci vývoj motorov s permanentnými magnetmi prerazí v troch hlavných smeroch:

1. Výskum a vývoj nových permanentných magnetických materiálov: Prelomenie obmedzení zdrojov a výkonu

Výskumné inštitúcie aktívne vyvíjajú permanentné magnetické materiály bez obsahu vzácnych zemín (ako sú permanentné magnetické materiály železo-dusík a železo-kobalt) a permanentné magnetické materiály odolné voči vysokej teplote (ako sú vylepšené verzie permanentných magnetických materiálov samáriového kobaltu), aby sa znížilo spoliehanie sa na zdroje vzácnych zemín a zvýšila sa stabilita motorov v extrémnych prostrediach. Napríklad permanentný magnetický materiál železo-dusík vyvinutý Ministerstvom energetiky USA má magnetické vlastnosti blízke vlastnostiam neodýmu a železa a neobsahuje prvky vzácnych zemín, čo môže znížiť náklady o viac ako 40 %.

2. Inteligencia a integrácia: Zvýšte výkon motorických systémov

V budúcnosti budú motory s permanentnými magnetmi hlboko integrované s internetom vecí a technológiami umelej inteligencie s cieľom dosiahnuť inteligentné monitorovanie a adaptívnu reguláciu. Napríklad priemyselné motory možno monitorovať v reálnom čase z hľadiska ich prevádzkového stavu pomocou senzorov a kombinovať s algoritmami AI na optimalizáciu stratégií regulácie rýchlosti, čím sa ďalej znižuje spotreba energie. Medzitým integrovaná konštrukcia motorov s ovládačmi a reduktormi (ako je elektrický pohonný systém „multi-in-one“ v nových energetických vozidlách) výrazne zníži objem a hmotnosť a zvýši účinnosť systému.

3. Zelená výroba a recyklácia: Budovanie trvalo udržateľného priemyselného reťazca

Na dosiahnutie nízkouhlíkového vývoja bude priemysel výroby motorov s permanentnými magnetmi podporovať aplikáciu ekologických výrobných technológií, ako je lakovanie bez rozpúšťadiel a nízkoteplotné spekanie, aby sa znížilo znečistenie počas výrobného procesu. Medzitým by sa mal zaviesť systém recyklácie permanentných magnetických materiálov. Prostredníctvom technológií, ako je demontáž a čistenie, možno dosiahnuť recykláciu zdrojov vzácnych zemín, čím sa zníži závislosť od primárnych zdrojov.

Záver

Od parnej sily priemyselnej revolúcie po elektromagnetické motory elektrického veku a teraz až po motory s permanentnými magnetmi, ľudská snaha o efektívnu energiu nikdy neprestala. Ako jedna zo základných technológií novej energetickej revolúcie a Priemyslu 4.0 sú motory s permanentnými magnetmi nielen kľúčom k zlepšeniu účinnosti využitia energie a podpore nízkouhlíkového vývoja, ale aj dôležitou podporou pre dosiahnutie špičkovej výroby a prelomenie technologických blokád. Vďaka neustálym objavom v nových materiáloch a inteligentných technológiách budú motory s permanentnými magnetmi vytvárať hodnotu vo viacerých oblastiach a vnesú nepretržitý prúd „zelenej energie“ do trvalo udržateľného rozvoja ľudskej spoločnosti.