Двигатели с постоянными магнитами для поверхностного монтажа и внутреннего
- Итан
- База знаний
Синхронные двигатели с постоянными магнитами (PMSM) в настоящее время являются наиболее распространенным типом двигателей в новых энергетических транспортных средствах и высокоэффективных промышленных приводах. Их суть заключается в использовании высокоэффективные постоянные магниты для непосредственной генерации постоянного магнитного поля на роторе, обеспечивая бесщеточный, беспроскальзывающий и высокоэффективный синхронный режим работы. В зависимости от места установки постоянных магнитов на роторе и характеристик магнитной цепи, ПМСМ в основном делятся на две категории: синхронные двигатели с поверхностными постоянными магнитами (СППМ) и синхронные двигатели с внутренними постоянными магнитами (ВСПМ).
- Двигатели SPM имеют постоянные магниты, прикрепленные к внешней поверхности сердечника ротора.
- Двигатели SPM имеют простой процесс производства, но их магнитная схема, как правило, менее сложна.
- Двигатели SPM подходят для применения в системах с низким и средним уровнем мощности.
- В двигателях IPM постоянные магниты встроены в сердечник ротора.
- Двигатели IPM обладают высокой механической прочностью и отличной конструкцией магнитной цепи.
- Магнитные двигатели IPM подходят для высокоскоростных и мощных приложений.
Содержание
Основные выводы
- Основная конструкция ПМСМ включает в себя статор, ротор, воздушный зазор и вспомогательные компоненты, такие как торцевые крышки и подшипники.
- ПМСМ в основном делятся на две категории: поверхностные синхронные двигатели с постоянными магнитами (ПДСМ) и внутренние синхронные двигатели с постоянными магнитами (ВДСМ).
- Принцип работы СПМ и ИПМ основан на электромагнитном взаимодействии и синхронизации магнитного поля.
- Поверхностные двигатели с постоянными магнитами (ПДПМ) напрямую прикрепляют постоянные магниты в форме дуги к внешней поверхности сердечника ротора. Процесс производства прост, а стоимость относительно низкая. Они подходят для серводвигателей с низкой и средней скоростью вращения, бесщеточных двигателей постоянного тока небольшой мощности и некоторого старого оборудования.
- Двигатели с внутренними постоянными магнитами (IPM) содержат постоянные магниты внутри сердечника ротора. Они обладают высокой механической прочностью, постоянные магниты естественным образом защищены сердечником, обеспечивают высокую скорость и надежность, что делает их подходящими почти для всех основных приводных двигателей новых энергетических транспортных средств.
История развития ПМСМ
В эпоху традиционных двигателей основными были асинхронные двигатели и двигатели с электрическим возбуждением. синхронные двигатели. Никола Тесла изобрел трехфазный асинхронный двигатель в 1887-1888 годах, который впоследствии доминировал в промышленности. Магнитное поле ротора асинхронного двигателя создается за счет индукции тока статора в роторе. Он имеет простую конструкцию, низкую стоимость изготовления и высокую долговечность, но его КПД относительно низок, размеры велики, а вес тяжел. Эти характеристики уже давно сделали его предпочтительным выбором для оборудования общего назначения, такого как промышленные вентиляторы, насосы и компрессоры.
Восхождение двигателей с поверхностными постоянными магнитами
Значительные достижения в области редкоземельных материалов с постоянными магнитами в 1970-х годах привели синхронные двигатели с постоянными магнитами к практическому и широкому коммерческому использованию. Двигатели с поверхностным монтажом постоянных магнитов стали первым основным типом благодаря простому процессу производства, высокосимметричной магнитной цепи и более простому векторному управлению. Однако на высоких скоростях поверхностно установленные магниты склонны к отсоединению под действием центробежных сил, а также могут подвергаться размагничиванию, что приводит к ослаблению поля при усилении скорости и почти полному отсутствию генерации момента сопротивления. Эти недостатки постепенно ограничили их применение в высокоскоростных и мощных сценариях.
Восхождение внутренних двигателей с постоянными магнитами
Концепция двигателей с внутренними постоянными магнитами (IPM) возникла еще в 1950-х годах, но в то время они были ограничены характеристиками материалов с постоянными магнитами и не получили широкого распространения. В 1980-х гг. коммерциализация материалов NdFeB дала толчок их бурному развитию. После 2000 года Toyota Prius широко использует двигатели IPM, полностью демонстрируя их всесторонние преимущества, такие как широкий диапазон скоростей, высокий КПД, отличная способность увеличивать скорость ослабления поля, высокая механическая прочность, хорошая защита магнита и относительно низкое использование редкоземельных материалов. Этот успех непосредственно способствовал быстрому принятию IPM в области новых энергетических транспортных средств. В настоящее время ИПМ стали абсолютным мейнстримом в области приводных двигателей электромобилей, а также ускоряют свое проникновение в замену промышленных высокоэффективных двигателей с переменной частотой, в то время как поверхностные двигатели с постоянными магнитами (ППМ) постепенно отходят на второй план в сценариях с низкой скоростью или конкретной мощностью.
Базовая структура синхронных двигателей с постоянными магнитами
Основная конструкция ПМСМ состоит из статора, ротора, воздушного зазора, подшипников, корпуса и других вспомогательных компонентов. При подаче трехфазного переменного тока эти обмотки генерируют вращающееся магнитное поле. Ротор оснащен постоянными магнитами, обеспечивающими постоянное магнитное поле без необходимости возбуждения током. Воздушный зазор является основной зоной взаимодействия магнитного поля.
Принцип работы основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и поля постоянного магнита ротора: эти два магнитных поля сцепляются друг с другом, заставляя ротор вращаться с синхронной скоростью и генерировать электромагнитный момент. По сравнению с традиционными асинхронными двигателями, ПМСМ не имеют проскальзывания, потерь на возбуждение, а их КПД обычно достигает 94%-98%+, при этом они имеют более высокую удельную мощность и более быстрый динамический отклик. Однако для обеспечения пуска и регулирования скорости PMSM должны быть оснащены преобразователем частоты и векторным управлением (FOC).
| Сравнительное измерение | Синхронный двигатель с постоянным магнитом (PMSM) | Традиционный асинхронный двигатель |
|---|---|---|
| Источник магнитного поля ротора | Постоянные магниты создают постоянное магнитное поле, электричество не требуется | Магнитное поле статора индуцирует ток в роторе, который затем генерирует магнитное поле |
| Отношение скоростей | Строгая синхронизация, без проскальзывания | С проскальзыванием |
| Эффективность | 94%-98%+ при полной нагрузке | IE3 90%-93%, IE4 до 95% |
| Плотность мощности | Высокий | Относительно низкий |
| Характеристики крутящего момента | Широкий диапазон постоянного крутящего момента + сильное ослабление поля для увеличения скорости, мощный импульс на низких оборотах | Узкий диапазон постоянного крутящего момента, быстрое падение мощности на высокой скорости |
| Метод контроля | Требуется частотный преобразователь + управление FOC | Возможность прямого подключения к электросети, простое управление |
| Первоначальная стоимость | Высокий | Низкий |
| Ремонтопригодность | Бесщеточный, без контактных колец, не требует обслуживания, но требует предотвращения размагничивания | Простая конструкция, но подшипники подвержены повреждениям |
| Типовые применения | Новые энергетические транспортные средства, беспилотники, высокоэффективные ветряные турбины, роботы | Традиционные ветряные турбины, водяные насосы, компрессоры и общее оборудование |
Синхронные двигатели с постоянными магнитами полностью превосходят асинхронные двигатели по эффективности, радиусу действия, размеру и мощности, что делает их особенно подходящими для новых энергетических транспортных средств, требующих большого радиуса действия и низкого потребления энергии. Поэтому ведущие автопроизводители перешли на ПМСМ. Асинхронные двигатели, с другой стороны, отступили в традиционные промышленные сектора, чувствительные к стоимости.
Совет: Двигатели PMSM обычно стоят на 20%-40% больше, чем эквивалентные асинхронные двигатели той же мощности
Классификация синхронных двигателей с постоянными магнитами
Синхронные двигатели с постоянными магнитами (СДПМ) в основном делятся на две категории в зависимости от места установки постоянных магнитов на роторе и характеристик магнитной цепи: с поверхностным монтажом (ПМ) и с внутренним монтажом (ВМ). Эта классификация является основным структурным разделением ПМСМ. У СПМ и ИПМ есть свои особенности. В первом случае акцент делается на конструктивной простоте и легкости управления, а во втором - на высоких эксплуатационных характеристиках, например, в новых энергетических транспортных средствах.
В двигателях с поверхностным постоянным магнитом (SPM) постоянные магниты установлены непосредственно на внешней поверхности сердечника ротора в форме плитки. Такая конструкция позволяет упростить процесс производства и получить высокосимметричную магнитную цепь, что упрощает векторное управление. Однако из-за поверхностного монтажа магнитов ротор обладает меньшей механической прочностью. На высоких скоростях они склонны к отсоединению под действием центробежных сил. Кроме того, их способность увеличивать скорость за счет ослабления поля слаба, а момент сопротивления пренебрежимо мал. Эти ограничения ограничивают их применение в высокоскоростных и мощных приложениях. Двигатели SPM обычно подходят для применения в сервоприводах с низкой и средней скоростью вращения, маломощных двигателях BLDC, устаревшем оборудовании и в тех случаях, когда на первый план выходят простота и стоимость производства.
В двигателе с внутренним постоянным магнитом (IPM) постоянные магниты размещаются внутри ламинированного ротора. К распространенным топологиям ротора относятся V-образная, двойная V-образная и I-образная. Такая конструкция придает ротору большую механическую прочность, повышая тем самым устойчивость к размагничиванию и надежность работы на высоких скоростях. ИПМ обеспечивают более широкий диапазон скорости и генерации постоянной мощности, уменьшая количество используемых редкоземельных магнитов, повышая общую эффективность и достигая превосходной плотности крутящего момента. Однако их более сложная конструкция ротора приводит к усложнению производственных процессов и повышению стоимости. Благодаря этим преимуществам IPM стал предпочтительным решением почти для всех основных приводных двигателей новых энергетических транспортных средств и многих высокоэффективных промышленных частотно-регулируемых двигателей.
| Размеры | Поверхностный монтаж (SPM) | Внутренний монтаж (IPM) |
|---|---|---|
| Расположение магнита | Поверхностный монтаж на роторе | Встроенный в ротор |
| Максимальная скорость | Как правило, ниже 10 000 об/мин | С легкостью 15,000-22,000 об/мин+ |
| Возможность усиления скорости ослабления поля | Относительно слабый | Сильный |
| Состав крутящего момента | В основном магнитный момент | Магнитный момент + крутящий момент реактивной тяги (может быть >30%) |
| Защита магнита | Требуется дополнительная обшивка/крепление | Естественная защита железного ядра |
| Типичный новый энергетический автомобиль в процентах | Меньше (<20%) | Более 80% (основной поток, абсолютное доминирование) |
Совет: двигатели IPM обычно стоят на 15%-30% дороже двигателей SPM из-за более сложной конструкции ротора.
Резюме
В соответствии с жесткими требованиями, предъявляемыми к новым энергетическим транспортным средствам в отношении высокой эффективности, малого веса, широкого диапазона скоростей и низкого энергопотребления, двигатели с внутренними постоянными магнитами (IPM) стали основным решением для привода благодаря своим комплексным преимуществам, в то время как поверхностные двигатели с постоянными магнитами (SPM) сохраняют свое место только в конкретных сценариях с низкой и средней скоростью, чувствительных к стоимости, или в качестве вспомогательных двигателей. В ближайшие годы доминирующее положение ИПМ будет укрепляться, стимулируя электрификацию к повышению эффективности и снижению затрат.
Некоторые часто задаваемые вопросы
Что такое синхронный двигатель с постоянными магнитами (PMSM)?
Синхронный двигатель с постоянными магнитами - это высокоэффективный синхронный двигатель переменного тока.
В чем принципиальные различия между СПМ и ИПМ?
СПМ прикреплены к поверхности ротора, а ИПМ встроены внутрь железного сердечника. ИПМ превосходят СПМ по всем параметрам, включая механическую прочность, способность ослаблять поле, использование момента сопротивления, эффективность использования редкоземельных элементов и устойчивость к размагничиванию.
Почему почти во всех новых энергетических автомобилях используются внутренние двигатели с постоянными магнитами?
IPM легко достигают широких диапазонов постоянного крутящего момента и мощности, необходимых для новых энергетических транспортных средств, благодаря моменту сопротивления и превосходным возможностям увеличения скорости ослабления поля.
Размагничиваются ли двигатели с постоянными магнитами?
Да, но риск контролируемый, а срок службы при нормальном использовании может достигать 15-20 лет.
Насколько дороже IPM, чем SPM?
Роторы IPM более сложны в производстве, что приводит к увеличению первоначальной стоимости на 10%-30%.
Роторы IPM более сложны в производстве, что приводит к увеличению первоначальной стоимости на 10%-30%.
В связи с изменениями в международной политике в области редкоземельных металлов ускоряются исследования и разработки в безредкоземельном направлении, но в краткосрочной перспективе IPM все еще будет доминировать.
Чтобы узнать больше, ознакомьтесь с этими блогами:
Исчерпывающее руководство по редкоземельным магнитам в 2026 году
Всеобъемлющий обзор постоянных магнитов
Шесть факторов, влияющих на цены на NdFeB
Глобальный поставщик магнитов TOPMAG: 2025 Кантонская ярмарка
5 факторов, влияющих на оптовые цены на неодимовый магнит
Готовы обновить свой проект? Ознакомьтесь с полным ассортиментом продукции на сайте TOPMAG!🧲
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!