De belangrijkste drijvende kracht die het tijdperk van hoge efficiëntie en energiebesparing leidt

Gedreven door de dubbele krachten van het moderne industriële systeem en de nieuwe energierevolutie ondergaan motoren, als de belangrijkste apparaten voor energieconversie, een technologische iteratie van traditionele elektromagnetische naar permanente magneettypen.Permanente magneetmotoren, met hun opmerkelijke voordelen van hoge efficiëntie, miniaturisatie en lage verliezen, zijn het ‘krachthart’ geworden op gebieden als nieuwe energievoertuigen, industriële automatisering, slimme huizen en ruimtevaart, waardoor de manier waarop energie wordt gebruikt in de menselijke productie en het leven ingrijpend verandert.

I. Kernprincipe van permanente magneetmotoren: een energierevolutie aangedreven door magnetische velden

De essentie van permanentmagneetmotoren is het gebruik van het constante magnetische veld dat wordt gegenereerd door permanente magnetische materialen (zoals neodymium-ijzerborium, samariumkobalt, enz.) om de bekrachtigingswikkelingen in traditionele motoren te vervangen en een efficiënte omzetting van elektrische energie en mechanische energie te bereiken door middel van elektromagnetische inductie. Het werkingsprincipe kan worden samengevat als "magnetische veldinteractie": nadat wisselstroom door de statorwikkeling is geleid, wordt een roterend magnetisch veld gegenereerd. Dit magnetische veld werkt samen met het constante magnetische veld van de permanente magneten op de rotor, waardoor een elektromagnetisch koppel wordt gegenereerd om de rotor te laten draaien en vervolgens de externe belasting aan te drijven.

Vergeleken met traditionele excitatiemotoren elimineren permanente magneetmotoren excitatiewikkelingen, sleepringen, borstels en andere componenten, waardoor twee belangrijke doorbraken in de structuur worden bereikt: ten eerste elimineren ze excitatieverliezen (goed voor ongeveer 10% -20% van de totale motorverliezen), waardoor de energieomzettingsefficiëntie aanzienlijk wordt verbeterd; Ten tweede vereenvoudigt het de motorstructuur, vermindert het uitvalpercentage en verlengt het de levensduur. Neem als voorbeeld de aandrijfmotoren van nieuwe energievoertuigen. Het rendement van synchrone motoren met permanente magneet kan over het algemeen 90% tot 97% bereiken, wat veel hoger is dan de 85% tot 90% van traditionele asynchrone motoren. Dit is ook de belangrijkste reden waarom ze de mainstream aandrijfoplossing zijn geworden.

II. Technische voordelen: Vier dimensies voor het opnieuw vormgeven van motorprestaties

De brede toepassing vanpermanente magneetmotorenkomt voort uit hun allround doorbraken op het gebied van prestaties, omvang, energieverbruik en betrouwbaarheid, die specifiek kunnen worden samengevat in vier kernvoordelen:

1. Hoge efficiëntie en energiebesparing: functie met laag verlies onder alle bedrijfsomstandigheden

Permanente magneetmotoren kunnen een hoge efficiëntie behouden over een breed scala aan rotatiesnelheden, vooral onder gedeeltelijke belasting (zoals nieuwe energievoertuigen in stadsverkeer), waar hun efficiëntievoordeel nog duidelijker is. Als we bijvoorbeeld de driefasige asynchrone motor nemen die gewoonlijk op industrieel gebied wordt gebruikt, kan bij hetzelfde vermogen het nullastverlies van de permanente magneetmotor met meer dan 50% worden verminderd, en het bedrijfsverlies met 20% tot 30%. Bij langdurig gebruik kan een grote hoeveelheid elektriciteit worden bespaard. Volgens het Internationaal Energieagentschap zou, als alle industriële motoren wereldwijd zouden worden vervangen door hoogefficiënte motoren met permanente magneet, de CO2-uitstoot jaarlijks met ongeveer 120 miljoen ton kunnen worden verminderd.

2. Compact en lichtgewicht: structureel ontwerp dat ruimtelijke beperkingen doorbreekt

Omdat de magnetische fluxdichtheid van permanente magnetische materialen veel hoger is dan die van traditionele bekrachtigingswikkelingen, kunnen het volume en het gewicht van permanente magneetmotoren bij hetzelfde vermogen met 30% tot 50% worden verminderd. Dit voordeel is vooral van cruciaal belang op gebieden als de lucht- en ruimtevaart en medische apparatuur die gevoelig zijn voor ruimte en gewicht. De permanente magneetaandrijfmotoren die in drones worden gebruikt, wegen bijvoorbeeld slechts half zoveel als traditionele motoren, maar kunnen toch een hogere vermogensdichtheid bieden, waardoor hun uithoudingsvermogen aanzienlijk wordt vergroot.

3. Laag geluidsniveau en hoge betrouwbaarheid: het operationele voordeel van het verlagen van de onderhoudskosten

Permanente magneetmotoren hebben geen snel versleten onderdelen zoals borstels en sleepringen. Hun rotorstructuur is eenvoudig. Tijdens bedrijf hebben ze weinig trillingen en geluid (meestal minder dan 60 decibel) en is het uitvalpercentage veel lager dan dat van traditionele motoren. In industriële productielijnen kan de gemiddelde tijd tussen storingen (MTBF) van motoren met permanente magneet meer dan 100.000 uur bedragen, wat 2 tot 3 keer zo lang is als die van traditionele motoren, waardoor de onderhoudskosten van de apparatuur en het verlies aan uitvaltijd aanzienlijk worden verminderd.

4. Groot snelheidsregelbereik: besturingsflexibiliteit aangepast aan meerdere scenario's

Door middel van vectorbesturing, snelheidsregeling met variabele frequentie en andere technologieën kunnen motoren met permanente magneet een snelheidsregeling over een breed bereik bereiken, van 0 tot 10.000 tpm, met een hoge nauwkeurigheid van de snelheidsregeling (fout minder dan 0,5%) en een snelle responssnelheid (millisecondenniveau). Deze functie maakt het mogelijk om aan de eisen van verschillende scenario's te voldoen: in nieuwe energievoertuigen kan het naadloos schakelen tussen starten bij lage snelheid met hoog koppel en efficiënt cruisen bij hoge snelheid. Bij precisiewerktuigmachines kan het een stabiele werking bij lage snelheid bieden om de verwerkingsnauwkeurigheid te garanderen.

III. Toepassingsgebieden: Energietransformatie Doordringt de gehele industriële keten

Van industriële productie tot het dagelijks leven, van grondtransport tot lucht- en ruimtevaart: permanente magneetmotoren zijn de belangrijkste drijvende kracht geworden voor technologische upgrades op verschillende gebieden. Hun belangrijkste toepassingsscenario's zijn onder meer:

1. Nieuwe energievoertuigen: de reguliere keuze voor aandrijfsystemen

Momenteel maakt meer dan 90% van de puur elektrische voertuigen en hybride voertuigen wereldwijd gebruik van synchrone motoren met permanente magneet als aandrijfmotoren. Reguliere modellen zoals Tesla Model 3 en BYD Han zijn bijvoorbeeld allemaal uitgerust met krachtige permanente magneetmotoren, die niet alleen een krachtig vermogen leveren (met een acceleratie van 0-100 km/u in slechts 2,1 seconden), maar ook een laag energieverbruik bereiken (met een minimaal energieverbruik van slechts 11,9 kWh per 100 km), waardoor de transformatie van de auto-industrie naar een koolstofarme industrie wordt vergemakkelijkt.

2. Industriële automatisering: cruciale apparatuur voor het verbeteren van de productie-efficiëntie

Op industrieel gebied worden permanentmagneetmotoren veel gebruikt in werktuigmachines, robots, ventilatoren, waterpompen en andere apparatuur. Neem industriële robots als voorbeeld. De servomotoren met permanente magneet die bij de verbindingen worden gebruikt, kunnen een zeer nauwkeurige positionering (met een herhaalpositioneringsnauwkeurigheid van ± 0,001 mm) en een snelle respons bereiken, waardoor de robots complexe assemblage-, las- en andere taken kunnen voltooien en de productie-efficiëntie aanzienlijk kunnen verbeteren. Bovendien kunnen ventilatoren en pompen aangedreven door permanente magneetmotoren 20% tot 40% energie besparen in vergelijking met traditionele motoren, waardoor industriële ondernemingen jaarlijks een enorme hoeveelheid elektriciteitskosten kunnen besparen.

3. Smart Home en consumentenelektronica: kerncomponenten voor het optimaliseren van de gebruikerservaring

In het dagelijks leven zijn permanentmagneetmotoren doorgedrongen in gebieden zoals huishoudelijke apparaten en digitale producten. De gelijkstroommotor met permanente magneet die in slimme wasmachines wordt gebruikt, kan bijvoorbeeld een traploze snelheidsregeling bereiken, wat resulteert in gelijkmatiger wassen en minder geluid. De koelventilator van de notebookcomputer maakt gebruik van een micro-permanente magneetmotor, die slechts de grootte van een munt heeft, maar een efficiënt koeleffect kan bieden en de stabiele werking van het apparaat kan garanderen.

4. Lucht- en ruimtevaart en nationale defensie: technische ondersteuning voor het doorbreken van extreme omgevingen

In de lucht- en ruimtevaart worden motoren met permanente magneet veel gebruikt bij de standcontrole van satellieten, de voortstuwing van onbemande luchtvaartuigen (UAV), raketgeleidingssystemen, enz., vanwege hun hoge betrouwbaarheid en vermogen om extreme omgevingen te weerstaan ​​(werkend binnen een temperatuurbereik van -60 ℃ tot 200 ℃). De motor met permanente magneet van de Chinese maansonde Chang 'e-5 heeft bijvoorbeeld stabiel gefunctioneerd in de omgeving met extreme temperatuurverschillen op de maan, wat cruciale krachtondersteuning biedt voor de retourzending van het monster.

Iv. Ontwikkelingsuitdagingen en toekomstige trends: technologische doorbraken naar hogere prestaties

Hoewel permanentmagneetmotoren opmerkelijk succes hebben geboekt, worden ze nog steeds geconfronteerd met een aantal uitdagingen in hun ontwikkelingsproces: ten eerste zijn permanente magneetmaterialen afhankelijk van import. Meer dan 90% van 's werelds hoogwaardige neodymium-ijzer-boor permanente magneetmaterialen worden in China geproduceerd, maar de schaarste en prijsschommelingen van zeldzame aardmetalen kunnen de stabiliteit van de industrie aantasten. Ten tweede is de stabiliteit bij hoge temperaturen onvoldoende. Traditionele permanente magnetische materialen van neodymium-ijzer-boor zijn gevoelig voor demagnetisatie bij hoge temperaturen, wat hun toepassing in hoge-temperatuurscenario's zoals vliegtuigmotoren en de nucleaire industrie beperkt. Ten derde zijn de kosten relatief hoog. De prijs van hoogwaardige permanente magnetische materialen is 5 tot 10 maal hoger dan die van traditionele elektromagnetische materialen, waardoor de productiekosten van motoren stijgen.

Als antwoord op deze uitdagingen zal de toekomstige ontwikkeling van permanentmagneetmotoren in drie belangrijke richtingen doorbreken:

1. Onderzoek en ontwikkeling van nieuwe permanente magnetische materialen: het doorbreken van de beperkingen van hulpbronnen en prestaties

Onderzoeksinstellingen zijn actief bezig met de ontwikkeling van permanente magnetische materialen die vrij zijn van zeldzame aardmetalen (zoals permanente magnetische materialen van ijzer-stikstof en ijzer-kobalt) en permanente magnetische materialen die bestand zijn tegen hoge temperaturen (zoals verbeterde versies van permanente magnetische materialen van samariumkobalt) om de afhankelijkheid van zeldzame aardmetalen te verminderen en de stabiliteit van motoren in extreme omgevingen te verbeteren. Het permanente magnetische ijzer-stikstofmateriaal dat is ontwikkeld door het Amerikaanse ministerie van Energie heeft bijvoorbeeld magnetische eigenschappen die dicht bij die van neodymium-ijzerboor liggen en bevat geen zeldzame aardmetalen, wat de kosten met meer dan 40% kan verlagen.

2. Intelligentie en integratie: Verbeter de prestaties van motorsystemen

In de toekomst zullen permanentmagneetmotoren diep worden geïntegreerd met het Internet of Things en kunstmatige intelligentietechnologieën om intelligente monitoring en adaptieve regelgeving te realiseren. Industriële motoren kunnen bijvoorbeeld in realtime worden gemonitord op hun bedrijfsstatus via sensoren, en gecombineerd met AI-algoritmen om de snelheidsregelstrategieën te optimaliseren, waardoor het energieverbruik verder wordt verlaagd. Ondertussen zal het geïntegreerde ontwerp van motoren met controllers en reductoren (zoals het "multi-in-one" elektrische aandrijfsysteem in nieuwe energievoertuigen) het volume en het gewicht aanzienlijk verminderen en de systeemefficiëntie verbeteren.

3. Groene productie en recycling: bouwen aan een duurzame industriële keten

Om een ​​koolstofarme ontwikkeling te bereiken zal de industrie van permanente magneetmotoren de toepassing van groene productietechnologieën bevorderen, zoals oplosmiddelvrije coatings en sinterprocessen bij lage temperaturen, om de vervuiling tijdens het productieproces te verminderen. Ondertussen moet er een recyclingsysteem voor permanent magnetische materialen worden opgezet. Door technologieën zoals demontage en zuivering kan de recycling van zeldzame aardmetalen worden bereikt, waardoor de afhankelijkheid van primaire hulpbronnen wordt verminderd.

Conclusie

Van de stoomkracht van de Industriële Revolutie tot de elektromagnetische motoren van het elektrische tijdperk, en nu tot de motoren met permanente magneet: het streven van de mensheid naar efficiënte energie is nooit opgehouden. Als een van de kerntechnologieën van de nieuwe energierevolutie en Industrie 4.0 zijn motoren met permanente magneet niet alleen de sleutel tot het verbeteren van de efficiëntie van het energieverbruik en het bevorderen van een koolstofarme ontwikkeling, maar ook een belangrijke ondersteuning voor het bereiken van hoogwaardige productie en het doorbreken van technologische blokkades. Met de voortdurende doorbraken in nieuwe materialen en intelligente technologieën zullen permanente magneetmotoren waarde creëren op meer gebieden en een continue stroom van ‘groene stroom’ injecteren in de duurzame ontwikkeling van de menselijke samenleving.