Pagrindinė varomoji jėga, vedanti didelio efektyvumo ir energijos taupymo erą

Dvigubos šiuolaikinės pramonės sistemos ir naujos energijos revoliucijos jėgų skatinami varikliai, kaip pagrindiniai energijos konvertavimo įrenginiai, patiria technologinę iteraciją nuo tradicinių elektromagnetinių iki nuolatinių magnetų tipų.Nuolatinio magneto varikliai, pasižymintys didžiuliais didelio efektyvumo, miniatiūrizavimo ir mažų nuostolių pranašumais, tapo „galios širdimi“ tokiose srityse kaip naujos energijos transporto priemonės, pramoninė automatika, išmanieji namai ir kosmosas, iš esmės pakeitę energijos panaudojimo būdą žmonių gamyboje ir gyvenime.

I. Pagrindinis nuolatinių magnetinių variklių principas: energijos revoliucija, kurią skatina magnetiniai laukai

Nuolatinių magnetų variklių esmė yra naudoti nuolatinį magnetinį lauką, kurį sukuria nuolatinės magnetinės medžiagos (tokios kaip neodimio geležies boras, samariumo kobaltas ir kt.), pakeisti tradicinių variklių sužadinimo apvijas ir pasiekti efektyvų elektros energijos ir mechaninės energijos konvertavimą per elektromagnetinę indukciją. Jo veikimo principą galima apibendrinti kaip "magnetinio lauko sąveiką": po kintamos srovės, praeinančios per statoriaus apviją, sukuriamas besisukantis magnetinis laukas. Šis magnetinis laukas sąveikauja su pastoviu rotoriaus nuolatinių magnetų magnetiniu lauku, generuodamas elektromagnetinį sukimo momentą, kad rotorius suktųsi, o tada veikia išorinė apkrova.

Palyginti su tradiciniais žadinimo varikliais, nuolatinio magneto varikliai pašalina sužadinimo apvijas, slydimo žiedus, šepečius ir kitus komponentus, todėl pasiekiami du pagrindiniai konstrukcijos laimėjimai: Pirma, jie pašalina sužadinimo nuostolius (sudaro apie 10–20 % visų variklio nuostolių), žymiai pagerina energijos konversijos efektyvumą; Antra, tai supaprastina variklio struktūrą, sumažina gedimų dažnį ir pailgina tarnavimo laiką. Kaip pavyzdį paimkite naujų energetinių transporto priemonių varomuosius variklius. Nuolatinių magnetų sinchroninių variklių efektyvumas paprastai gali siekti 90–97%, o tai yra daug didesnis nei tradicinių asinchroninių variklių 85–90%. Tai taip pat yra pagrindinė priežastis, kodėl jie tapo pagrindiniu pavaros sprendimu.

Ii. Techniniai pranašumai: keturi variklio veikimo keitimo matmenys

Platus taikymasnuolatinio magneto varikliaikyla iš jų visapusiškų našumo, dydžio, energijos suvartojimo ir patikimumo pasiekimų, kuriuos galima konkrečiai apibendrinti į keturis pagrindinius pranašumus:

1. Didelis efektyvumas ir energijos taupymas: mažų nuostolių funkcija visomis eksploatavimo sąlygomis

Nuolatinio magneto varikliai gali išlaikyti aukštą efektyvumą esant įvairiems sukimosi greičiams, ypač esant dalinei apkrovai (pavyzdžiui, naujos energijos transporto priemonės miesto eisme), kur jų efektyvumo pranašumas yra dar ryškesnis. Pavyzdžiui, trifazis asinchroninis variklis, paprastai naudojamas pramonėje, esant tokiai pačiai galiai, nuolatinio magneto variklio tuščiosios eigos nuostoliai gali būti sumažinti daugiau nei 50%, o veikimo nuostoliai gali būti sumažinti nuo 20% iki 30%. Ilgalaikis naudojimas gali sutaupyti daug elektros energijos. Pasak Tarptautinės energetikos agentūros, jei visi pramoniniai varikliai visame pasaulyje būtų pakeisti nuolatinio magneto varikliais su didelio efektyvumo varikliais, kasmet būtų galima sumažinti anglies dvideginio emisiją maždaug 120 mln.

2. Kompaktiškas ir lengvas: Struktūrinis dizainas, peržengiantis erdvinius apribojimus

Kadangi nuolatinių magnetinių medžiagų magnetinio srauto tankis yra daug didesnis nei tradicinių sužadinimo apvijų, nuolatinių magnetų variklių tūris ir svoris gali būti sumažintas nuo 30% iki 50%, naudojant tą pačią galią. Šis pranašumas ypač svarbus tokiose srityse kaip aviacija ir medicinos prietaisai, kurie jautrūs erdvei ir svoriui. Pavyzdžiui, nuolatinio magneto varikliai, naudojami dronuose, sveria tik perpus mažiau nei tradiciniai varikliai, tačiau jie gali pasiūlyti didesnį galios tankį ir žymiai padidinti jų ištvermę.

3. Mažas triukšmas ir didelis patikimumas: eksploatacinis pranašumas mažinant priežiūros išlaidas

Nuolatinio magneto varikliuose nėra lengvai nusidėvinčių dalių, tokių kaip šepečiai ir slydimo žiedai. Jų rotoriaus konstrukcija paprasta. Eksploatacijos metu jie turi mažą vibraciją ir triukšmą (dažniausiai mažiau nei 60 decibelų), o gedimų dažnis yra daug mažesnis nei tradicinių variklių. Pramoninėse gamybos linijose vidutinis laikas tarp nuolatinių magnetų variklių gedimų (MTBF) gali siekti daugiau nei 100 000 valandų, o tai yra 2–3 kartus daugiau nei tradicinių variklių, o tai žymiai sumažina įrangos priežiūros išlaidas ir prastovų nuostolius.

4. Platus greičio reguliavimo diapazonas: valdymo lankstumas, pritaikytas įvairiems scenarijams

Naudojant vektorinį valdymą, kintamo dažnio greičio reguliavimą ir kitas technologijas, nuolatinio magneto varikliai gali pasiekti platų greičio reguliavimo diapazoną nuo 0 iki 10 000 aps./min. Su dideliu greičio reguliavimo tikslumu (paklaida mažesnis nei 0,5%) ir greitu atsako greičiu (milisekundžių lygis). Ši funkcija leidžia patenkinti įvairių scenarijų poreikius: naujose energetinėse transporto priemonėse ji gali sklandžiai perjungti iš mažo greičio didelio sukimo momento užvedimo ir didelio greičio efektyvaus važiavimo. Tiksliosiose staklėse jis gali užtikrinti stabilų veikimą mažu greičiu, kad būtų užtikrintas apdorojimo tikslumas.

III. Taikymo sritys: galios transformavimas, įsiskverbiantis į visą pramonės grandinę

Nuo pramoninės gamybos iki kasdienio gyvenimo, nuo antžeminio transporto iki kosmoso – nuolatinio magneto varikliai tapo pagrindine varomąja jėga technologiniams atnaujinimams įvairiose srityse. Pagrindiniai jų taikymo scenarijai yra šie:

1. Naujos energijos transporto priemonės: pagrindinis vairavimo sistemų pasirinkimas

Šiuo metu daugiau nei 90 % grynai elektrinių ir hibridinių transporto priemonių visame pasaulyje naudoja nuolatinio magneto sinchroninius variklius kaip varomuosius variklius. Pavyzdžiui, pagrindiniai modeliai, tokie kaip „Tesla Model 3“ ir „BYD Han“, yra aprūpinti didelio našumo nuolatinio magneto varikliais, kurie ne tik užtikrina didelę galią (0–100 km/h įsibėgėjimas net 2,1 sekundės), bet ir užtikrina mažas energijos sąnaudas (minimalus energijos suvartojimas tik 11,9 KWH 100 km), o tai palengvina transformaciją automobilizacijai.

2. Pramonės automatizavimas: pagrindinė gamybos efektyvumo didinimo įranga

Pramonėje nuolatinio magneto varikliai plačiai naudojami staklėse, robotuose, ventiliatoriuose, vandens siurbliuose ir kitoje įrangoje. Paimkite pramoninius robotus kaip pavyzdį. Jungtyse naudojami nuolatinio magneto servovarikliai gali pasiekti aukšto tikslumo padėties nustatymą (kartojantis padėties nustatymo tikslumas ±0,001 mm) ir greitą reakciją, leidžiančią robotams atlikti sudėtingas surinkimo, suvirinimo ir kitas užduotis bei žymiai pagerinti gamybos efektyvumą. Be to, nuolatinio magneto varikliais varomi ventiliatoriai ir siurbliai gali sutaupyti nuo 20% iki 40% energijos, palyginti su tradiciniais varikliais, kasmet pramonės įmonėms sutaupant didžiulius elektros energijos mokesčius.

3. Išmanieji namai ir buitinė elektronika: pagrindiniai komponentai, skirti optimizuoti vartotojo patirtį

Kasdieniame gyvenime nuolatinio magneto varikliai prasiskverbė į tokius laukus kaip buitiniai prietaisai ir skaitmeniniai gaminiai. Pavyzdžiui, nuolatinio magneto nuolatinės srovės variklis, naudojamas išmaniosiose skalbimo mašinose, gali reguliuoti greitį be laipsnio, todėl skalbimas yra tolygesnis ir triukšmas mažesnis. Nešiojamojo kompiuterio aušinimo ventiliatorius turi mikro nuolatinio magneto variklį, kuris yra tik monetos dydžio, tačiau gali užtikrinti efektyvų aušinimo efektą ir užtikrinti stabilų įrenginio veikimą.

4. Orlaiviai ir krašto apsauga: techninė pagalba siekiant prasibrauti iš ekstremalios aplinkos

Aviacijos ir kosmoso srityje nuolatinio magneto varikliai yra plačiai naudojami palydovų padėties valdymui, nepilotuojamų orlaivių (UAV) varymui, raketų nukreipimo sistemoms ir kt., nes jie yra labai patikimi ir gali atlaikyti ekstremalią aplinką (veikia nuo -60 ℃ iki 200 ℃ temperatūros diapazone). Pavyzdžiui, nuolatinio magneto variklis, nešiojamas Kinijos Mėnulio zondo Chang 'e-5, stabiliai veikė ekstremalios temperatūros skirtumo Mėnulyje aplinkoje, teikdamas itin svarbią galią mėginio grąžinimo misijai.

Iv. Plėtros iššūkiai ir ateities tendencijos: technologiniai proveržiai siekiant didesnio našumo

Nors nuolatinių magnetų varikliai sulaukė nepaprastos sėkmės, jų kūrimo procese vis dar susiduriama su tam tikrais iššūkiais: Pirma, nuolatinių magnetų medžiagos priklauso nuo importo. Daugiau nei 90 % pasaulio didelio našumo neodimio geležies boro nuolatinių magnetų medžiagų pagaminama Kinijoje, tačiau retųjų žemių išteklių trūkumas ir kainų svyravimai gali turėti įtakos pramonės stabilumui. Antra, stabilumas aukštoje temperatūroje yra nepakankamas. Tradicinės neodimio geležies boro nuolatinės magnetinės medžiagos yra linkusios demagnetizuotis esant aukštai temperatūrai, o tai riboja jų taikymą aukštos temperatūros scenarijuose, pvz., Orlaivių varikliuose ir branduolinėje pramonėje. Trečia, kaina yra gana didelė. Didelio našumo nuolatinių magnetinių medžiagų kaina yra 5–10 kartų didesnė nei tradicinių elektromagnetinių medžiagų, o tai padidina variklių gamybos sąnaudas.

Reaguojant į šiuos iššūkius, būsimas nuolatinių magnetų variklių kūrimas pasireikš trimis pagrindinėmis kryptimis:

1. Naujų nuolatinių magnetinių medžiagų tyrimai ir kūrimas: išteklių ir veikimo apribojimų įveikimas

Mokslinių tyrimų institucijos aktyviai kuria retųjų žemių neturinčias nuolatines magnetines medžiagas (tokias kaip geležies azoto ir geležies ir kobalto nuolatinės magnetinės medžiagos) ir aukštai temperatūrai atsparias nuolatines magnetines medžiagas (pvz., patobulintas samariumo kobalto nuolatinių magnetinių medžiagų versijas), kad sumažintų priklausomybę nuo retųjų žemių išteklių ir padidintų variklių stabilumą ekstremaliose aplinkose. Pavyzdžiui, JAV Energetikos departamento sukurta geležies ir azoto nuolatinė magnetinė medžiaga pasižymi magnetinėmis savybėmis, artimomis neodimio geležies boro savybėms, be to, joje nėra retųjų žemių elementų, kurie gali sumažinti išlaidas daugiau nei 40%.

2. Intelektas ir integracija: pagerinkite variklio sistemų veikimą

Ateityje nuolatinio magneto varikliai bus giliai integruoti su daiktų internetu ir dirbtinio intelekto technologijomis, kad būtų pasiektas protingas stebėjimas ir prisitaikantis reguliavimas. Pavyzdžiui, pramoninių variklių veikimo būsena gali būti stebima realiuoju laiku naudojant jutiklius ir derinami su dirbtinio intelekto algoritmais, siekiant optimizuoti greičio reguliavimo strategijas ir toliau mažinti energijos sąnaudas. Tuo tarpu integruota variklių su valdikliais ir reduktoriais konstrukcija (pavyzdžiui, elektrinės pavaros sistema „daug viename“ naujose energetinėse transporto priemonėse) žymiai sumažins tūrį ir svorį bei padidins sistemos efektyvumą.

3. Žalioji gamyba ir perdirbimas: tvarios pramonės grandinės kūrimas

Siekiant mažo anglies dioksido kiekio technologijų plėtros, nuolatinio magneto variklių pramonė skatins naudoti ekologiškas gamybos technologijas, tokias kaip dengimas be tirpiklių ir sukepinimo procesai žemoje temperatūroje, kad būtų sumažinta tarša gamybos proceso metu. Tuo tarpu reikėtų sukurti nuolatinių magnetinių medžiagų perdirbimo sistemą. Taikant tokias technologijas kaip išardymas ir valymas, retųjų žemių išteklius galima perdirbti ir sumažinti priklausomybę nuo pirminių išteklių.

Išvada

Nuo pramoninės revoliucijos garų galios iki elektros amžiaus elektromagnetinių variklių, o dabar iki nuolatinių magnetų variklių – žmonija niekada nesiliauja siekusi efektyvios galios. Kaip viena iš pagrindinių naujosios energijos revoliucijos ir pramonės 4.0 technologijų, nuolatinio magneto varikliai yra ne tik raktas į energijos panaudojimo efektyvumą ir skatinant mažo anglies dioksido kiekio technologijų plėtrą, bet ir svarbi parama siekiant aukščiausios klasės gamybos ir įveikti technologines blokadas. Dėl nuolatinių naujų medžiagų ir pažangių technologijų pasiekimų nuolatinio magneto varikliai sukurs vertę daugiau sričių ir įneš nuolatinį „žaliosios energijos“ srautą į tvarų žmonių visuomenės vystymąsi.