Forța motrice de bază care conduce era eficienței ridicate și conservării energiei

Conduse de forțele duale ale sistemului industrial modern și noua revoluție energetică, motoarele, ca dispozitive de bază pentru conversia energiei, trec printr-o iterație tehnologică de la tipurile electromagnetice tradiționale la tipurile cu magnet permanenți.Motoare cu magnet permanent, cu avantajele lor remarcabile de eficiență ridicată, miniaturizare și pierderi reduse, au devenit „inima puterii” în domenii precum vehiculele cu energie nouă, automatizarea industrială, casele inteligente și aerospațiale, schimbând profund modul în care energia este utilizată în producția și viața umană.

I. Principiul de bază al motoarelor cu magneți permanenți: O revoluție energetică condusă de câmpuri magnetice

Esența motoarelor cu magnet permanenți este de a utiliza câmpul magnetic constant generat de materialele magnetice permanente (cum ar fi neodim fier bor, samariu cobalt etc.) pentru a înlocui înfășurările de excitație în motoarele tradiționale și pentru a obține o conversie eficientă a energiei electrice și a energiei mecanice prin inducție electromagnetică. Principiul său de funcționare poate fi rezumat ca „interacțiune cu câmpul magnetic”: după ce curentul alternativ este trecut prin înfășurarea statorului, este generat un câmp magnetic rotativ. Acest câmp magnetic interacționează cu câmpul magnetic constant al magneților permanenți de pe rotor, generând un cuplu electromagnetic pentru a conduce rotorul să se rotească și apoi determinând sarcina externă să funcționeze.

În comparație cu motoarele cu excitație tradiționale, motoarele cu magnet permanenți elimină înfășurările de excitație, inelele colectoare, periile și alte componente, realizând două progrese majore în structură: în primul rând, elimină pierderile de excitație (reprezentând aproximativ 10%-20% din pierderile totale ale motorului), îmbunătățind semnificativ eficiența conversiei energiei; În al doilea rând, simplifică structura motorului, reduce rata de defecțiuni și prelungește durata de viață. Luați ca exemplu motoarele de acționare ale vehiculelor cu energie nouă. Eficiența motoarelor sincrone cu magnet permanent poate ajunge, în general, la 90% până la 97%, ceea ce este mult mai mare decât 85% până la 90% a motoarelor asincrone tradiționale. Acesta este, de asemenea, motivul principal pentru care au devenit soluția de drive mainstream.

ii. Avantaje tehnice: patru dimensiuni ale performanței motorului de remodelare

Aplicarea largă amotoare cu magnet permanentrezultă din progresele lor complete în ceea ce privește performanța, dimensiunea, consumul de energie și fiabilitatea, care pot fi rezumate în mod specific în patru avantaje principale:

1. Eficiență ridicată și economisire de energie: caracteristică de pierderi reduse în toate condițiile de funcționare

Motoarele cu magnet permanenți pot menține o eficiență ridicată pe o gamă largă de viteze de rotație, în special în condiții de sarcină parțială (cum ar fi vehiculele cu energie nouă în traficul urban), unde avantajul lor de eficiență este și mai pronunțat. Luând ca exemplu motorul asincron trifazat utilizat în mod obișnuit în domeniul industrial, la aceeași putere, pierderea fără sarcină a motorului cu magnet permanent poate fi redusă cu mai mult de 50%, iar pierderea de funcționare poate fi redusă cu 20% până la 30%. Utilizarea pe termen lung poate economisi o cantitate mare de energie electrică. Potrivit Agenției Internaționale pentru Energie, dacă toate motoarele industriale din întreaga lume ar fi înlocuite cu motoare cu magnet permanent de înaltă eficiență, aproximativ 120 de milioane de tone de emisii de dioxid de carbon ar putea fi reduse anual.

2. Compact și ușor: Design structural care depășește limitele spațiale

Datorită densității fluxului magnetic al materialelor magnetice permanente fiind mult mai mare decât cea a înfășurărilor de excitație tradiționale, volumul și greutatea motoarelor cu magnet permanenți pot fi reduse cu 30% până la 50% la aceeași putere. Acest avantaj este deosebit de crucial în domenii precum dispozitivele aerospațiale și medicale care sunt sensibile la spațiu și greutate. De exemplu, motoarele de antrenare cu magnet permanenți utilizate la drone cântăresc doar jumătate decât motoarele tradiționale, dar pot oferi o densitate de putere mai mare, sporind semnificativ rezistența acestora.

3. Zgomot redus și fiabilitate ridicată: Avantajul operațional al reducerii costurilor de întreținere

Motoarele cu magnet permanenți nu au piese ușor de uzat, cum ar fi periile și inelele colectoare. Structura rotorului lor este simplă. În timpul funcționării, au vibrații și zgomot scăzute (de obicei sub 60 de decibeli), iar rata lor de defecțiune este mult mai mică decât cea a motoarelor tradiționale. În liniile de producție industrială, timpul mediu între defecțiuni (MTBF) al motoarelor cu magnet permanenți poate ajunge la peste 100.000 de ore, ceea ce este de 2 până la 3 ori mai mare decât al motoarelor tradiționale, reducând semnificativ costurile de întreținere a echipamentelor și pierderile din timpul de nefuncționare.

4. Gamă largă de reglare a vitezei: flexibilitate de control adaptată la mai multe scenarii

Prin intermediul controlului vectorial, reglarea vitezei cu frecvență variabilă și alte tehnologii, motoarele cu magnet permanenți pot atinge o gamă largă de reglare a vitezei de la 0 la 10.000 RPM, cu precizie de reglare a vitezei mari (eroare mai mică de 0,5%) și viteză de răspuns rapidă (nivel în milisecunde). Această caracteristică îi permite să răspundă cerințelor diferitelor scenarii: în vehiculele cu energie nouă, poate realiza o comutare fără probleme între pornirea la viteză mică cu cuplu mare și croazieră eficientă la viteză mare. În mașinile-unelte de precizie, poate oferi o funcționare stabilă la viteză mică pentru a asigura acuratețea procesării.

iii. Domenii de aplicare: Transformarea puterii care pătrunde în întregul lanț industrial

De la producția industrială la viața de zi cu zi, de la transportul terestre la aerospațial, motoarele cu magnet permanenți au devenit forța motrice de bază pentru îmbunătățirile tehnologice în diverse domenii. Principalele lor scenarii de aplicare includ:

1. Vehicule cu energie nouă: alegerea curentă pentru sistemele de propulsie

În prezent, peste 90% dintre vehiculele pur electrice și vehiculele hibride din întreaga lume folosesc motoare sincrone cu magnet permanenți ca motoare de antrenare. De exemplu, modelele mainstream precum Tesla Model 3 și BYD Han sunt toate echipate cu motoare cu magneti permanenți de înaltă performanță, care nu numai că oferă o putere puternică (cu o accelerație de 0-100 km/h de până la 2,1 secunde), dar realizează și un consum redus de energie (cu un consum minim de energie de doar 11,9 KWH la 100 km), facilitând transformarea industriei automotive către un nivel scăzut de carbon.

2. Automatizare industrială: echipamente cheie pentru creșterea eficienței producției

În domeniul industrial, motoarele cu magnet permanenți sunt utilizate pe scară largă în mașini-unelte, roboți, ventilatoare, pompe de apă și alte echipamente. Luați roboții industriali ca exemplu. Servomotoarele cu magnet permanenți utilizate la îmbinări pot obține o poziționare de înaltă precizie (cu o precizie de poziționare repetată de ± 0,001 mm) și un răspuns rapid, permițând roboților să finalizeze asamblarea complexă, sudarea și alte sarcini și îmbunătățind semnificativ eficiența producției. În plus, ventilatoarele și pompele acționate de motoare cu magnet permanenți pot economisi 20% până la 40% din energie în comparație cu motoarele tradiționale, economisind o sumă uriașă de taxe de electricitate pentru întreprinderile industriale în fiecare an.

3. Smart Home și electronice de larg consum: componente de bază pentru optimizarea experienței utilizatorului

În viața de zi cu zi, motoarele cu magnet permanenți au pătruns în domenii precum aparatele de uz casnic și produsele digitale. De exemplu, motorul DC cu magnet permanent adoptat în mașinile de spălat inteligente poate realiza o reglare continuă a vitezei, rezultând o spălare mai uniformă și un zgomot mai mic. Ventilatorul de răcire al computerului notebook adoptă un motor cu micromagneți permanenți, care are doar dimensiunea unei monede, dar poate oferi un efect de răcire eficient și poate asigura funcționarea stabilă a dispozitivului.

4. Aerospațial și Apărare Națională: Asistență Tehnică pentru Breaking Through Medie Extreme

În domeniul aerospațial, motoarele cu magnet permanenți sunt utilizate pe scară largă în controlul atitudinii prin satelit, propulsia vehiculelor aeriene fără pilot (UAV), sistemele de ghidare a rachetelor etc., datorită fiabilității ridicate și capacității lor de a rezista în medii extreme (funcționând într-un interval de temperatură de la -60 ℃ la 200 ℃). De exemplu, motorul cu magnet permanent purtat de sonda lunară Chang 'e-5 din China a funcționat stabil în mediul cu diferențe extreme de temperatură de pe Lună, oferind un suport de putere crucial pentru misiunea de returnare a probei.

IV. Provocări de dezvoltare și tendințe viitoare: descoperiri tehnologice către o performanță mai înaltă

Deși motoarele cu magnet permanenți au obținut un succes remarcabil, ele se confruntă în continuare cu unele provocări în procesul lor de dezvoltare: în primul rând, materialele cu magnet permanenți se bazează pe importuri. Peste 90% din materialele de înaltă performanță din lume, cu neodim, fier, bor, magneti permanenți, sunt produse în China, dar deficitul și fluctuațiile prețurilor resurselor de pământuri rare pot afecta stabilitatea industriei. În al doilea rând, stabilitatea la temperatură ridicată este insuficientă. Materialele magnetice permanente tradiționale cu neodim fier bor sunt predispuse la demagnetizare la temperaturi ridicate, ceea ce limitează aplicarea lor în scenarii de temperatură înaltă, cum ar fi motoarele aeronautice și industria nucleară. În al treilea rând, costul este relativ mare. Prețul materialelor magnetice permanente de înaltă performanță este de 5 până la 10 ori mai mare decât al materialelor electromagnetice tradiționale, ceea ce crește costul de producție al motoarelor.

Ca răspuns la aceste provocări, dezvoltarea viitoare a motoarelor cu magneti permanenți va străpunge în trei direcții majore:

1. Cercetare și dezvoltare de noi materiale magnetice permanente: depășirea limitărilor de resurse și performanță

Instituțiile de cercetare dezvoltă în mod activ materiale magnetice permanente fără pământuri rare (cum ar fi materiale magnetice permanente fier-azot și fier-cobalt) și materiale magnetice permanente rezistente la temperaturi înalte (cum ar fi versiuni îmbunătățite ale materialelor magnetice permanente cu cobalt samariu) pentru a reduce dependența de resursele de pământuri rare și pentru a îmbunătăți stabilitatea motoarelor în medii extreme. De exemplu, materialul magnetic permanent fier-azot dezvoltat de Departamentul de Energie al SUA are proprietăți magnetice apropiate de cele ale borului de fier neodim și nu conține elemente de pământuri rare, ceea ce poate reduce costurile cu mai mult de 40%.

2. Inteligență și integrare: Îmbunătățiți performanța sistemelor motorii

În viitor, motoarele cu magnet permanenți vor fi profund integrate cu internetul obiectelor și tehnologiile de inteligență artificială pentru a realiza o monitorizare inteligentă și o reglare adaptivă. De exemplu, motoarele industriale pot fi monitorizate în timp real pentru starea lor de funcționare prin intermediul senzorilor și combinate cu algoritmi AI pentru a optimiza strategiile de reglare a vitezei, reducând și mai mult consumul de energie. Între timp, proiectarea integrată a motoarelor cu controlere și reductoare (cum ar fi sistemul de acționare electrică „multi-în-unul” la vehiculele cu energie nouă) va reduce semnificativ volumul și greutatea și va spori eficiența sistemului.

3. Producție ecologică și reciclare: construirea unui lanț industrial durabil

Pentru a obține o dezvoltare cu emisii scăzute de carbon, industria motoarelor cu magnet permanenți va promova aplicarea tehnologiilor de producție ecologice, cum ar fi acoperirea fără solvenți și procesele de sinterizare la temperatură scăzută, pentru a reduce poluarea în timpul procesului de producție. Între timp, ar trebui stabilit un sistem de reciclare a materialelor magnetice permanente. Prin tehnologii precum dezasamblarea și purificarea, se poate realiza reciclarea resurselor de pământuri rare, reducând dependența de resursele primare.

Concluzie

De la puterea aburului a Revoluției Industriale la motoarele electromagnetice ale erei electrice și acum până la motoarele cu magnet permanenți, căutarea omenirii de energie eficientă nu a încetat niciodată. Fiind una dintre tehnologiile de bază ale noii revoluții energetice și ale Industriei 4.0, motoarele cu magnet permanenți sunt nu numai cheia pentru îmbunătățirea eficienței utilizării energiei și promovarea dezvoltării cu emisii scăzute de carbon, ci și un sprijin important pentru realizarea producției de vârf și depășirea blocajelor tehnologice. Odată cu progresele continue în noile materiale și tehnologii inteligente, motoarele cu magnet permanenți vor crea valoare în mai multe domenii și vor injecta un flux continuu de „putere verde” în dezvoltarea durabilă a societății umane.