1. Silnik z magnesami trwałymi ziem rzadkich — przyszłość silnika
Silnik z magnesami trwałymi ziem rzadkich to nowy typ silnika z magnesami trwałymi, który pojawił się na początku lat siedemdziesiątych.
Ze względu na doskonałe właściwości magnetyczne materiałów z magnesami trwałymi ziem rzadkich, mogą one wytworzyć silne stałe pole magnetyczne bez energii zewnętrznej po namagnesowaniu.
Silnik z magnesami trwałymi ziem rzadkich ma nie tylko wysoką wydajność, ale także prostą konstrukcję i niezawodne działanie.Może być również mały i lekki.
Wykonane w specjalnych silnikach, które mogą spełniać określone wymagania operacyjne, takie jak silniki trakcyjne wind, specjalne silniki samochodowe itp.
Połączenie silników z magnesami trwałymi z metali ziem rzadkich z technologią energoelektroniki i technologią sterowania mikrokomputerowego poprawiło wydajność silnika i układu przeniesienia napędu na nowy poziom.
Poprawa wydajności i poziomu technicznego wyposażenia pomocniczego jest ważnym kierunkiem rozwoju przemysłu motoryzacyjnego w celu dostosowania struktury przemysłowej.
Silniki z magnesami trwałymi ziem rzadkich są szeroko stosowane w prawie każdej dziedzinie lotnictwa, lotnictwa, obrony narodowej, produkcji sprzętu, produkcji przemysłowej i rolniczej oraz w życiu codziennym.
Obejmuje silniki synchroniczne z magnesami trwałymi, generatory z magnesami trwałymi, silniki prądu stałego, bezszczotkowe silniki prądu stałego, serwomotory prądu przemiennego z magnesami trwałymi, silniki liniowe z magnesami trwałymi, specjalne silniki z magnesami trwałymi i powiązane systemy sterowania, obejmujące prawie cały przemysł motoryzacyjny.
2. Wsparcie polityki dotyczącej silników z magnesami trwałymi ziem rzadkich
W dniu 22 listopada 2021 r. Ministerstwo Przemysłu i Informatyki oraz Państwowa Administracja ds. Regulacji Rynku wspólnie wydały „Plan poprawy efektywności energetycznej pojazdów silnikowych (2021-2023)”, w którym proponuje się, aby do 2023 r. -silniki energooszczędne osiągną 170 mln kilowatów, a udział w eksploatacji silników wysokosprawnych i energooszczędnych sięgnie ponad 20%, a roczna oszczędność energii elektrycznej wyniesie 49 mld kWh.
Dokument wyraźnie mówi, że „w przypadku wentylatorów, pomp, sprężarek, obrabiarek i innych urządzeń ogólnego przeznaczenia należy zachęcać do stosowania silników elektrycznych o poziomie efektywności energetycznej 2 i wyższym.
W przypadku warunków pracy przy zmiennym obciążeniu należy promować silniki z magnesami trwałymi o zmiennej częstotliwości o poziomie efektywności energetycznej 2 i wyższym”.
Zgodnie z wersją normy „Silnik synchroniczny z magnesami trwałymi” z 2013 r., obecna produkcja silników z magnesami trwałymi rozkłada się na pierwszy i drugi stopień zużycia energii;w połączeniu z „Ograniczeniami efektywności energetycznej silnika i stopniami efektywności energetycznej” (GB 18613-2020) oraz „Planem poprawy efektywności energetycznej silnika”, tylko niektóre wysokowydajne silniki z magnesami trwałymi NdFeB z metali ziem rzadkich mogą osiągnąć sprawność ponad 95% standard zużycia energii pierwszego poziomu (odpowiadający IE5), a pozostałe silniki z magnesami trwałymi ziem rzadkich należą do standardu zużycia energii drugiego poziomu.
Obecnie silniki z magnesami trwałymi z metali ziem rzadkich mogą zaoszczędzić ponad 10% energii elektrycznej i zwiększyć swoją wydajność do ponad 95%.
Korzystając z silnika synchronicznego z magnesami trwałymi ziem rzadkich, współczynnik oszczędzania energii mocy biernej może osiągnąć 85%, a współczynnik oszczędzania energii mocy czynnej może osiągnąć 23% ~ 25%.Efekt oszczędzania energii jest niezwykły.
3. Dlaczego powinniśmy energicznie rozwijać energooszczędne silniki z magnesami trwałymi ziem rzadkich?
(1) Silniki przemysłowe to obszary zużywające najwięcej energii elektrycznej w społeczeństwie.
W 2020 roku chińskie holdingi motoryzacyjne będą miały około 4 miliardów kilowatów, a całkowite zużycie energii wyniesie około 4,8 bilionów kWh, co będzie stanowić 64% całkowitego zużycia energii elektrycznej przez całe społeczeństwo.
Wśród nich całkowite zużycie energii przez silniki w przemyśle wyniesie 3,84 biliona kWh, co stanowi 75% zużycia energii elektrycznej w przemyśle, każdy 1% wzrost efektywności energetycznej silników w przemyśle może zaoszczędzić około 38,4 miliarda kWh energii elektrycznej rocznie, a 3% wzrost efektywności energetycznej odpowiada rocznej produkcji energii przez Trzech Przełomów.
Rada Państwa wydała „Plan działania na rzecz szczytu emisji dwutlenku węgla do 2030 r.”, który koncentruje się na promowaniu oszczędzania energii i zwiększaniu wydajności kluczowych urządzeń zużywających energię, koncentrując się na silnikach, wentylatorach, pompach, sprężarkach, transformatorach, wymiennikach ciepła, kotłach przemysłowych i innych urządzeniach do kompleksowo poprawić standard efektywności energetycznej.
(2) Wysokowydajne i energooszczędne silniki odnoszą się do standardowych silników ogólnego przeznaczenia o wysokiej sprawności
(spotkanie powyżej normy drugiego poziomu nowej normy efektywności energetycznej silnika).W maju 2020 r. Chiny ogłosiły najnowszą normę efektywności energetycznej silników „GB18613-2020 Limity efektywności energetycznej silnika i stopnie efektywności energetycznej”, norma została oficjalnie wdrożona 1 czerwca 2021 r., a silniki energooszczędne poniżej IE3 (norma międzynarodowa) zostały wymuszone aby zatrzymać produkcję.
Typy silników obejmują trójfazowe silniki asynchroniczne, silniki z magnesami trwałymi z metali ziem rzadkich itp. Tradycyjne silniki asynchroniczne można zwiększyć, zwiększając materiały (zwiększając zewnętrzną średnicę żelaznego rdzenia, zwiększając rozmiar szczeliny stojana, zwiększając wagę drutów miedzianych , oraz przy użyciu blach ze stali krzemowej o dobrej przenikalności magnetycznej).
Jednak ze względu na swoją podstawową zasadę działania trudno jest poprawić sprawność tradycyjnych silników asynchronicznych.Na przykład niektóre energooszczędne silniki IE4 i IE5 preferują tryb z magnesami trwałymi.
(3) Co ważniejsze, w porównaniu z silnikami asynchronicznymi silniki z magnesami trwałymi ziem rzadkich mają zalety związane z naturalną oszczędnością energii.
1) Oszczędność energii:
W odróżnieniu od silnika asynchronicznego, wirnik silnika z magnesami trwałymi nie potrzebuje prądu wzbudzenia, a oszczędność energii wynosi około 15% -20%.
2) Wysoka wydajność:
Sprawność silników z magnesami trwałymi jest o 2-19 punktów procentowych wyższa niż w przypadku silników tradycyjnych.
3) Silnik z magnesami trwałymi ziem rzadkich ma prostą konstrukcję i niski wskaźnik awaryjności.
4) Długa żywotność:
Wirnik silnika z magnesami trwałymi przyjmuje osadzoną uszczelnioną konstrukcję, która jest korzystna dla zmniejszenia tarcia i utleniania podczas obracania oraz poprawy stabilności i żywotności silnika.(4) Cykl odzyskiwania wymiany silników z magnesami trwałymi ziem rzadkich wynosi około 1- 2 lata, a korzyści ekonomiczne są właściwie oczywiste.
4. Różnice między silnikami z magnesami trwałymi z metali ziem rzadkich a silnikiem tradycyjnym
Silnik z magnesami trwałymi to silnik synchroniczny DC/AC, w którym stojan jest magnesem trwałym, a tylko wirnik jest cewką.Stojan zwykłego silnika to cewka (elektromagnes).
1) Natura pola magnetycznego.
Po wykonaniu silnika z magnesami trwałymi może on utrzymać swoje pole magnetyczne bez energii zewnętrznej;tradycyjne silniki potrzebują prądu elektrycznego, aby wytworzyć pole magnetyczne.
2) Obowiązujące okazje.
Tradycyjne silniki muszą napędzać mechanizm redukujący, aby osiągnąć wysoki moment obrotowy, podczas gdy silniki z magnesami trwałymi z metali ziem rzadkich mogą zastąpić mechanizm redukujący, aby uzyskać napęd bezpośredni.
3) Silnik z magnesami trwałymi ma małe wibracje i dobrą stabilność pracy.
4) Wysoka gęstość mocy i wydajność.
W porównaniu ze zwykłymi silnikami, silniki z magnesami trwałymi mają dużą gęstość mocy, co głównie oznacza, że silniki z magnesami trwałymi są małe i duże pod względem wytwarzania mocy lub mocy wyjściowej.
W porównaniu ze zwykłymi silnikami oszczędność energii może osiągnąć 20% -40%.Struktura wirnika silnika z magnesami trwałymi różni się od struktury zwykłego silnika.
Bieguny magnesów trwałych są zainstalowane na wirniku silnika z magnesami trwałymi;cewka wzbudzenia jest zainstalowana na wirniku zwykłego silnika, a pole magnetyczne musi być zasilane prądem.W porównaniu z tradycyjnymi silnikami każdy punkt prędkości oszczędza energię, zwłaszcza przy niskich prędkościach.
5) Mały rozmiar, lekki, niski wzrost temperatury
Silnik z magnesami trwałymi ma prostą konstrukcję.
Dzięki zastosowaniu wysokowydajnych magnesów trwałych do zapewnienia pola magnetycznego, pole magnetyczne w szczelinie powietrznej silnika z magnesami trwałymi jest znacznie zwiększone w porównaniu ze zwykłymi silnikami, podczas gdy objętość i waga silników z magnesami trwałymi są znacznie zmniejszone w porównaniu ze zwykłymi silnikami .
Rozmiary i kształty są również elastyczne.Nieelektryczne wzbudzenie wirnika oznacza, że nie ma strat i generowania ciepła.
Dlatego wzrost temperatury silników z magnesami trwałymi jest na ogół bardzo niski.
6) Niższy wskaźnik awaryjności, szeroko stosowany
Ze względu na zastosowanie wysokowydajnych materiałów z magnesami trwałymi ziem rzadkich do zapewnienia pola magnetycznego, wskaźnik awaryjności jest niższy, a użycie jest bardziej powszechne.
7) Duży początkowy moment obrotowy i dobra wydajność
Ponieważ uzwojenie wirnika nie działa, gdy silnik z magnesami trwałymi pracuje normalnie, uzwojenie wirnika można zaprojektować tak, aby w pełni spełniało wymagania wysokiego momentu rozruchowego, na przykład od 1,8 do 2,5 razy lub nawet więcej.
5. Jak długa jest żywotność silnika z magnesami trwałymi ziem rzadkich?Czy magnetyzm osłabnie z czasem?
Żywotność silnika z magnesami trwałymi wynosi zwykle 15-20 lat, a żywotność silnika zależy głównie od konserwacji użytkownika.
Ponadto jakość środowiska użytkowania silnika z magnesami trwałymi oraz czynniki takie jak elektryczność, magnetyzm, ciepło, wibracje i inne czynniki, które silnik otrzymuje podczas użytkowania, będą miały wpływ na żywotność silnika synchronicznego z magnesami trwałymi!
Ogólne magnesy mają żywotność.Podczas używania przez określoną liczbę lat magnetyzm osłabnie, ale właściwości magnetyczne materiałów z magnesami trwałymi NdFeB zmieniają się bardzo nieznacznie w czasie, a magnesy trwałe ziem rzadkich mieszczą się w projektowanym okresie eksploatacji silnika (10-20 lat).
Tłumienie wydajności magnetycznej jest mniejsze niż 3%.Przy istniejącej konstrukcji silnika i elektronicznej technologii sterowania ma to niewielki wpływ na ogólną wydajność silnika.
Przyczyny demagnetyzacji silników z magnesami trwałymi:
01. Niewłaściwy dobór gatunków stali magnetycznej
Jeśli obliczenia konstrukcji silnika nie są wystarczająco dokładne i wybrano błędnie niższą klasę, np. należy wybrać magnes stały 180°C, ale błędnie wybrano 155°C, może dojść do takiej sytuacji: próba wstępna rekordowy wskaźnik procesu testowego jest bardzo dobry. Ponieważ silnik stopniowo dąży do stabilności termicznej, odpowiednie wskaźniki silnika zaczynają się pogarszać i coraz bardziej odbiegają od oczekiwań projektowych.W pewnym momencie prąd gwałtownie wzrasta, falownik szybko się zatrzymuje i wyświetlany jest kod przetężenia.Ponownie sprawdź charakterystykę silnika bez obciążenia, wskazując, że silnik utracił swój magnetyzm i należy wymienić stal magnetyczną.
02. Przegrzanie Problem rozmagnesowania
Przegrzanie utrata magnetyzmu jest delikatnym tematem, a spadek właściwości magnetycznych magnesów może również prowadzić do problemów z przetężeniem i przegrzaniem.Po wykluczeniu wpływu właściwości magnetycznych stali namagnesowanej i uwzględnieniu jedynie współczynnika termicznego można stwierdzić, że występują dwie sytuacje, w których wystąpi zjawisko rozmagnesowania przegrzania: po pierwsze, ścieżka wentylacji obiegowej w silniku jest nieuzasadnione, co narusza naturalne prawo przewodzenia zimna i ciepła, powodujące lokalną akumulację ciepła;po drugie, obciążenie cieplne uzwojenia jest zbyt wysokie, a wytwarzanie ciepła przekracza poziom wymiany ciepła układu wymiany ciepła silnika.
03. Problem nadmiernego prądu rozmagnesowania
Kiedy silnik pracuje, gdy prąd obciążenia przekroczy zdolność magnesu do przeciwdziałania rozmagnesowaniu, spowoduje to nieodwracalne rozmagnesowanie magnesu, co jeszcze bardziej zwiększy prąd obciążenia i pogorszy nieodwracalne rozmagnesowanie magnesu.Ta odwrotność przyspiesza nieodwracalne rozmagnesowanie aż do rozmagnesowania.
Jak zapobiegać rozmagnesowaniu silników z magnesami trwałymi?
01. Prawidłowy dobór mocy silnika z magnesami trwałymi:
Rozmagnesowanie jest związane z doborem mocy silników z magnesami trwałymi.Właściwy dobór mocy silnika PM może zapobiec lub opóźnić rozmagnesowanie.Głównym powodem rozmagnesowania silnika synchronicznego z magnesami trwałymi jest to, że temperatura jest zbyt wysoka, a przeciążenie jest główną przyczyną wysokiej temperatury.Dlatego przy doborze mocy silnika z magnesami trwałymi należy pozostawić pewien margines.Zgodnie z rzeczywistą sytuacją obciążenia, na ogół około 20% jest bardziej odpowiednie.
02. Unikaj uruchamiania z dużym obciążeniem i częstego uruchamiania:
Silniki synchroniczne z magnesami trwałymi starają się unikać bezpośredniego rozruchu lub częstego rozruchu dużych obciążeń.Podczas procesu rozruchu moment rozruchowy oscyluje, aw dolnym odcinku momentu rozruchowego pole magnetyczne stojana rozmagnesowuje biegun magnetyczny wirnika.Dlatego staraj się unikać dużego obciążenia i częstego uruchamiania silnika synchronicznego z magnesami trwałymi.
03. Popraw projekt:
(1) Odpowiednio zwiększ grubość magnesu trwałego:
Z perspektywy projektowania i wytwarzania silników synchronicznych z magnesami trwałymi należy rozważyć zależność między reakcją twornika, momentem elektromagnetycznym i rozmagnesowaniem magnesów trwałych.
Pod połączonym działaniem strumienia magnetycznego wytwarzanego przez prąd uzwojenia momentu obrotowego i strumienia magnetycznego wytwarzanego przez uzwojenie siły promieniowej, magnesy trwałe na powierzchni wirnika łatwo powodują rozmagnesowanie.
Pod warunkiem, że szczelina powietrzna silnika pozostaje niezmieniona, aby magnes trwały się nie rozmagnesował, najskuteczniejszą metodą jest odpowiednie zwiększenie grubości magnesu trwałego.
(2) Wewnątrz wirnika znajduje się obwód rowka wentylacyjnego, który zmniejsza wzrost temperatury wirnika:
Jeśli temperatura wirnika jest zbyt wysoka, magnes trwały spowoduje nieodwracalną utratę magnetyzmu.W projekcie konstrukcyjnym wewnętrzny obwód wentylacyjny wirnika można zaprojektować tak, aby bezpośrednio chłodził stal magnetyczną.Nie tylko obniża temperaturę stali magnetycznej, ale także poprawia jej wydajność.
Video
