Высокоэффективные двигатели для электромобилей: Системы синхронных двигателей с постоянными магнитами
Синхронный двигатель с постоянными магнитами является основной движущей силой новых энергетических транспортных средств, благодаря своей высокой эффективности, большой мощности и гибкой конструкции. Мировые рынки электромобилей стремительно растут, и PMSM меняет будущее автомобильной промышленности благодаря своей превосходной плотности мощности и энергосберегающим характеристикам.
Синхронный двигатель с постоянными магнитами - это трехфазный синхронный двигатель переменного тока. Его суть заключается в том, что постоянные магниты на роторе генерируют постоянное магнитное поле, которое взаимодействует с вращающимся магнитным полем, создаваемым обмоткой статора, и приводит ротор в движение с синхронной скоростью. По сравнению с традиционными асинхронными двигателями, PMSM не имеет потерь на скольжение. Когда на трехфазную обмотку статора подается напряжение, генерируется вращающееся магнитное поле, что позволяет добиться эффективной и точной выработки электроэнергии.
ПМСМ в основном состоит из статора и ротора. В статоре обычно используется многослойный сердечник из листов кремниевой стали с обмотками, который отвечает за генерацию вращающегося магнитного поля; ротор встроен или установлен на поверхности с постоянными магнитами для обеспечения постоянного магнитного поля. PMSM обычно имеют внутренний ротор, но внешняя конструкция ротора также используется в некоторых высокоэффективных бытовых приборах.
Классификация сердечников: SPMSM и IPMSM
Исходя из расположения постоянных магнитов в роторе, ПМСМ в основном делятся на две категории:
Поверхностный синхронный двигатель с постоянными магнитами (SPMSM): постоянные магниты прикреплены непосредственно к поверхности ротора, а индуктивности осей переменного и постоянного тока равны. Его структура проста и подходит для приложений, требующих быстрого отклика и высокой перегрузочной способности, таких как сервосистемы промышленной автоматизации.
Встроенный синхронный двигатель с постоянным магнитом: Постоянный магнит встроен в сердечник ротора, а индуктивности вала переменного и постоянного тока не равны. Эта конструкция использует принцип момента сопротивления, обеспечивая высокую плотность крутящего момента и широкий диапазон скоростей, и является основным выбором для тяговых систем новых энергетических транспортных средств.
Проектирование и оптимизация ротора
Ротор - это основной компонент синхронного двигателя с постоянными магнитами (PMSM), от которого зависит, быстро ли разгоняется электромобиль и насколько долговечен он. Его конструкция напоминает "центральную шестерню" автомобильного двигателя, и благодаря продуманному расположению мощных магнитов он обеспечивает высокую мощность и бесшумность.
В роторе используются магниты NdFeB - высокоэффективные магниты, которые позволяют двигателю достигать КПД 95%, экономя на 15% больше энергии, чем традиционные двигатели. Например, для электромобиля с запасом хода в 400 километров это может добавить 50 километров, что эквивалентно меньшему количеству посещений зарядной станции. Ротор изготовлен из тонких стальных листов, уложенных друг на друга и утопленных в V-образные канавки для крепления магнитов, что снижает потери энергии. В то же время оптимизированная конструкция делает вес легче, а ускорение - чувствительнее.
Чтобы сделать езду более тихой, инженеры скорректировали расположение магнитов, чтобы уменьшить гул двигателя во время работы, и уровень шума составляет всего 40 децибел, что близко к тихой обстановке в гостиной. Передовые технологии производства также обеспечивают стабильную работу магнитов на высоких скоростях и при высоких температурах, а коэффициент отказов составляет всего 0,5%.
Конструкция статора
Конструкция статора имеет решающее значение для работы PMSM. В главном приводном двигателе новых энергетических транспортных средств обычно используются распределенные обмотки. Распределение электромагнитной силы оптимизируется за счет равномерного распределения обмоток, что эффективно подавляет гармоники и повышает эффективность и качество выходного крутящего момента. По сравнению с концентрированной обмоткой, обратная электродвижущая сила, создаваемая распределенной обмоткой, ближе к идеальной синусоиде, с меньшим электромагнитным шумом и более высокой точностью управления.
Конструкция статора значительно улучшает характеристики NVH за счет точной оптимизации расположения обмоток и распределения электромагнитных сил. С помощью передового моделирования электромагнитного поля высокочастотные гармоники могут быть снижены до 30%, что отвечает высоким требованиям потребителей к бесшумной езде. Компактная конструкция статора также может гибко адаптироваться к различным топологиям ротора, чтобы максимально эффективно использовать внутреннее пространство двигателя.
Особенности и преимущества ПМСМ
Высокая эффективность и плотность мощности
PMSM не требует тока возбуждения ротора, что исключает связанные с этим потери. Его пиковый КПД может достигать более 95%, что значительно лучше, чем у традиционных асинхронных двигателей. Отличная удельная мощность позволяет вырабатывать большую мощность при том же объеме.
Высокая производительность, низкий уровень шума и высокая надежность
PMSM имеет широкий диапазон регулирования постоянной скорости вращения и работает плавно. В сочетании с конструкцией со скошенными полюсами и мерами по оптимизации NVH шум при работе может достигать 40 децибел или менее, а электромагнитные помехи (EMI) минимальны. Бесщеточная конструкция исключает искрение и износ щеток, требует минимального обслуживания и имеет расчетный срок службы, обычно превышающий 10 лет.
Компактная конструкция и гибкость управления
PMSM имеет компактную структуру, небольшой вес, малую инерцию ротора и быстрый динамический отклик. В сочетании с технологией управления, ориентированного на поле (FOC), он может достичь высокого крутящего момента и плавного выхода в зоне низких скоростей, что идеально соответствует потребностям новых энергетических транспортных средств в мгновенном отклике на ускорение.
Сценарии применения
Система передачи нового энергетического транспортного средства
PMSM является основным источником энергии в системе привода нового энергетического автомобиля. Двигатель PMSM, которым оснащена Tesla Model 3, обеспечивает запас хода более 510 километров (WLTP) с высоким КПД и пиковой мощностью 275 лошадиных сил (около 205 кВт). Двигатель IPMSM, используемый в BYD Han EV, достигает высоких показателей ускорения и отличной энергоэффективности с кратковременной перегрузкой до 200%.
Промышленное оборудование и сервопривод
В промышленности PMSM обеспечивают высокоточное позиционирование и быстрый динамический отклик для шпинделей станков, осей подачи и сервоприводов. В сервосистемах Siemens широко используются малоинерционные двигатели SPMSM с временем отклика до 1 миллисекунды, что делает их идеальными для автоматизированных производственных линий и прецизионных станков с ЧПУ.
Бытовая техника, роботы и энергетические системы
ПМСМ проникли в бытовую технику, приводы роботов и энергетические системы. Компрессор кондиционера Midea с переменной частотой PMSM может сэкономить более 30% энергии по сравнению с традиционными моделями; двигатели для роботов обеспечивают точное и гибкое управление движением с низкой инерцией; PMSM также используются для коррекции коэффициента мощности (PFC) в электросетях для повышения общей эффективности передачи и распределения электроэнергии.
Резюме и перспективы
Синхронные двигатели с постоянными магнитами стали основными технологиями в новых энергетических транспортных средствах и высокотехнологичных промышленных областях благодаря своей превосходной эффективности, высокой плотности крутящего момента и компактной конструкции. IPMSM доминирует на рынке тяговых электродвигателей для новых энергетических транспортных средств благодаря высокой плотности крутящего момента и широким возможностям регулирования скорости; SPMSM сияет в области сервоприводов благодаря быстрому отклику и преимуществам в стоимости. Постоянный прогресс интеллектуальных инверторов и передовых технологий бессенсорного управления продолжает снижать стоимость системы и повышать ее производительность.
Я занимаюсь научно-популярной литературой о магнитах. Мои статьи в основном посвящены принципам их действия, применению и анекдотам. Наша цель - предоставить читателям ценную информацию, помочь каждому лучше понять очарование и значение магнитов. В то же время мы будем рады услышать ваши мнения о потребностях, связанных с магнитами. Не стесняйтесь следовать за нами и сотрудничать с нами, ведь мы вместе исследуем бесконечные возможности магнитов!
