Каковы преимущества синхронных двигателей с постоянными магнитами в энергоэффективных приложениях?

Как конструкция синхронного двигателя с постоянными магнитами минимизирует потери энергии

ПМСД избавляются от обмоток ротора, которые мы видим в обычных асинхронных двигателях, что устраняет около 25–30 процентов резистивных потерь, вызванных медными обмотками. Вместо этого такие двигатели используют редкоземельные магниты, поэтому их магнитное поле остаётся сильным без необходимости подачи дополнительной энергии. Это означает, что при неактивной работе двигателя теряется примерно на 15–20 процентов меньше энергии по сравнению со старыми моделями с электрическим возбуждением. Вся конструкция также снижает потери в стали примерно на 40 процентов благодаря более оптимальной форме магнитных цепей. На практике это уже подтвердилось во время модернизации насосных турбин в прошлом году, как показали исследования журнала Fluid Systems Journal.

Более высокая эффективность при переменных нагрузках по сравнению с асинхронными двигателями переменного тока

ПМСД сохраняют эффективность более 94% в диапазоне нагрузки от 10% до 150% благодаря точным возможностям управления ослаблением поля. Напротив, асинхронные двигатели испытывают снижение эффективности на 12–18% при нагрузке ниже 50%, что критично для таких применений, как эскалаторы и упаковочное оборудование. Алгоритмы векторного управления без датчиков позволяют осуществлять регулировку магнитного потока в реальном времени, устраняя потери, связанные с проскальзыванием, характерные для асинхронных машин.

Повышение эффективности: улучшение на 5–10% по сравнению с традиционными двигателями

На основе реальных примеров, двигатели с постоянными магнитами позволяют экономить около 7,3 кВт·ч в день на каждый компрессор мощностью 10 лошадиных сил по сравнению со стандартными асинхронными двигателями класса IE4. В сочетании с новыми технологиями силовой полупроводниковой техники, которые сокращают потери при переключении примерно на 38 процентов, общая эффективность системы возрастает на 12–15 процентных пунктов в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, согласно недавнему отчету Energy Technology Review за 2023 год. Благодаря такому сочетанию улучшений предприятия пищевой промышленности могут ожидать возврат инвестиций примерно на 20 % быстрее, чем раньше, что имеет большое значение при оценке долгосрочных эксплуатационных расходов.

Роль редкоземельных магнитов в снижении потерь в стали и меди

Неодимовые магниты позволяют создавать ультратонкие статорные пластины толщиной 0,35 мм — на 60% тоньше по сравнению с традиционными конструкциями, что снижает потери от вихревых токов на 55%. Их остаточная магнитная индукция 1,4 Тл позволяет сократить длину обмоток статора на 30%, уменьшая потери в меди на 19%, при сохранении плотности крутящего момента. Эти преимущества материалов обеспечивают 65% общего снижения потерь в ПМДПР в электрических погрузчиках (Materials Engineering, 2023).

Высокая удельная мощность и компактная конструкция системы

Обеспечение более высокой выходной мощности при меньших габаритах

Синхронные двигатели с постоянными магнитами могут вырабатывать примерно на 40% большую плотность крутящего момента по сравнению со стандартными асинхронными двигателями, поскольку в них отсутствуют роторные короткозамкнутые обмотки, рассеивающие энергию, а магнитные поля используются более эффективно. Эти двигатели оснащены статорами без пазов и требуют меньшего количества медных обмоток, что уменьшает нерационально используемое пространство внутри. В результате промышленные версии часто достигают выходной мощности свыше 5 кВт на килограмм. Недавнее исследование систем терморегулирования, опубликованное в 2022 году, подтверждает это, показывая, что новые магнитные материалы позволяют инженерам создавать более компактные двигатели, не опасаясь перегрева. Многие производители начинают обращать внимание на эти преимущества, стремясь сделать свою технику одновременно мощной и компактной.

Конструктивные преимущества для применений с ограниченным местом

Осевые электродвигатели поставляются с модульной конструкцией, что значительно упрощает их установку в роботизированные манипуляторы, компрессоры систем отопления, вентиляции и кондиционирования, а также в сложные системы приводов в аэрокосмической отрасли, которые мы наблюдаем в наши дни. По сравнению с традиционными радиальными двигателями, такие моторы могут сократить длину на 25% и почти до 35%. Такая экономия места предоставляет инженерам реальную свободу при работе с ограниченными пространствами механизмов. Возьмём, к примеру, судовой движитель — на лодках и кораблях даже несколько сантиметров имеют огромное значение для проектирования корпуса и определения веса, который судно может нести без ущерба для своих характеристик.

Пример из практики: интеграция в силовые установки электрических транспортных средств

Производители автомобилей переходят на синхронные двигатели с постоянными магнитами, поскольку они обеспечивают эффективность около 95% в трансмиссиях и занимают на 15% меньше места по оси по сравнению с обычными асинхронными двигателями. Меньший размер позволяет автопроизводителям устанавливать два двигателя для полного привода, не жертвуя пространством для пассажиров или ёмкостью аккумулятора, что помогает увеличить запас хода электромобилей на одном заряде. Согласно испытаниям нескольких производителей, эти двигатели сохраняют высокую эффективность в большей части своего рабочего диапазона, что даёт им преимущество перед более старыми типами двигателей, особенно при движении в режиме старт-стоп в городских пробках.

Широкий диапазон скоростей и возможности точного управления

Синхронные двигатели с постоянными магнитами (PMSM) отлично подходят для применений, требующих как широкого диапазона рабочих скоростей, так и точного управления. Их конструкция использует постоянные магниты и электронную регулировку поля для поддержания стабильного крутящего момента в диапазоне скоростей 10:1, превосходя асинхронные двигатели, которые испытывают трудности с падением эффективности на крайних значениях.

Точное управление полем, обеспечивающее высокую производительность в широком диапазоне скоростей

Современные алгоритмы векторного управления динамически регулируют магнитные поля в PMSM, обеспечивая плавный переход между задачами, требующими точности на низких скоростях, и операциями на высокой скорости. Недавние исследования демонстрируют снижение вариации скорости на 25% по сравнению с традиционными системами привода. Такая отзывчивость делает PMSM идеальными для станков с ЧПУ, где точность ±0,1 об/мин напрямую влияет на качество обработанной поверхности.

Преимущества в высокоточных промышленных и автоматизированных системах

Устранение скольжения ротора в PMSM обеспечивает синхронизацию в реальном времени между скоростью двигателя и управляющими сигналами. Автоматизированные упаковочные линии используют это свойство для достижения повторяемости позиционирования на уровне 99,95% и снижения энергопотребления на 18% по сравнению с приводами на основе сервомоторов.

Тенденции бесдатчикового управления, повышающие эксплуатационную гибкость

Современные алгоритмы оценки теперь обеспечивают точность, сопоставимую с энкодерами, без использования физических датчиков, что позволяет сократить расходы на техническое обслуживание на 40% в тяжелых условиях, например, на пищевых производствах. Эта инновация расширяет возможности развертывания, сохраняя при этом присущие технологии постоянных магнитов преимущества в эффективности.

Ключевые применения в электромобилях и системах возобновляемой энергетики

Увеличение запаса хода электромобилей за счет эффективности двигателя

PMSM, или синхронные двигатели с постоянными магнитами, обеспечивают электромобилям значительно больший запас хода, поскольку их КПД составляет около 95–97 процентов. Это примерно на 8–12 процентных пунктов выше по сравнению с асинхронными двигателями. Высокие показатели этих двигателей обусловлены почти отсутствующей инерцией ротора, что означает меньшие потери энергии при ускорении автомобиля. Это особенно важно в городском трафике, где машины постоянно останавливаются и снова начинают движение. Согласно последнему обзору развития электромобильности за 2024 год, транспортные средства, оснащённые PMSM, проезжают примерно на 18% дальше, чем аналогичные модели со старыми типами двигателей. Для тех, кто беспокоится о том, как далеко сможет проехать их электромобиль до подзарядки, такое улучшение имеет решающее значение в повседневной эксплуатации.

Максимизация выработки энергии ветра при низких скоростях ветра

Синхронные двигатели с постоянными магнитами (PMSM) сохраняют эффективность около 85 процентов, даже когда ветер дует со скоростью всего три метра в секунду, благодаря возможности точной регулировки крутящего момента. Они отличаются от традиционных систем с зубчатыми передачами тем, что преобразуют медленное вращение непосредственно с лопастей в электричество без необходимости использования дополнительных механических компонентов. В отчёте «Анализ систем ветроэнергетики» это преимущество указано довольно чётко. Что это означает на практике? Для районов, где ветер не слишком сильный в течение всего года, установки с использованием PMSM, как правило, вырабатывают примерно на 22% больше энергии в год по сравнению с теми, которые используют устаревшую технологию двойного питания асинхронных генераторов. Понятно, почему многие новые ветряные электростанции переходят на эту технологию.

Использование в солнечных системах отопления, вентиляции и кондиционирования и других устойчивых системах для зданий

PMSM снижают потребление энергии в системах солнечного отопления, вентиляции и кондиционирования на 27–33% за счёт:

• Управления компрессором с переменной скоростью, соответствующего колебаниям солнечного входного сигнала
• на 40% меньшие пусковые токи по сравнению с традиционными двигателями
• Работа без технического обслуживания свыше 50 000 часов в сетевых установках

Такая эффективность позволяет коммерческим зданиям достичь нулевого энергопотребления на 1,8 года быстрее, чем проекты с использованием систем с асинхронными двигателями

Снижение эксплуатационных расходов и долгосрочное влияние на устойчивость

Экономия затрат на протяжении всего жизненного цикла в коммерческих и промышленных применениях

В промышленных и коммерческих условиях синхронные двигатели с постоянными магнитами могут значительно снизить эксплуатационные расходы, поскольку требуют меньшего обслуживания и дольше работают между техническими проверками. Эти двигатели не имеют щёток, поэтому нет износа коллектора, а также они выделяют меньше тепла, что позволяет изоляции обмоток сохраняться в течение гораздо более длительного времени. В итоге расходы на техническое обслуживание снижаются примерно на 30–40 процентов по сравнению с традиционными асинхронными двигателями, что особенно важно для предприятий, где оборудование работает круглосуточно, например, на фабриках или серверных фермах. Согласно фактическим данным недавнего исследования 2023 года, проведённого на нескольких предприятиях по переработке мяса, операторы сэкономили около 180 тысяч долларов на каждом двигателе за пятнадцать лет просто за счёт отсутствия поломок и необходимости замены меньшего количества деталей по сравнению с устаревшими технологиями двигателей.

Аналитика данных: сокращение потребления электроэнергии системами отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха на 20–35%

Эта технология действительно сокращает эксплуатационные расходы, поскольку повышает эффективность работы систем. Мы зафиксировали реальную экономию от 20% до 35% в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха в коммерческих зданиях. Возьмём, к примеру, одну сеть больниц в Среднем Западе за прошлый год. Они заменили старые двигатели на двигатели с постоянными магнитами в своих установках обработки воздуха и сэкономили около 28% электроэнергии ежегодно. В совокупности это составило почти 2,1 миллиона долларов меньше расходов в год по всем их объектам. Довольно впечатляюще, если подумать, на что ещё можно потратить такие деньги в сфере медицинского обслуживания.

Соотношение экологических преимуществ и проблем, связанных с редкоземельными материалами

Благодаря своей энергоэффективности, двигатели с постоянными магнитами значительно сокращают выбросы углерода. Цифры также впечатляют — около 450 тонн CO2 экономится на двигатель мощностью 100 лошадиных сил за десять лет. Но у этой истории есть и другая сторона, над которой отрасль активно работает. Были созданы программы по переработке магнитов, позволяющие восстанавливать около 92–95 процентов использованных материалов. Для компонентов, где производительность не столь критична, компании разрабатывают альтернативы на основе ферритовых материалов. Производители двигателей также совершенствуют конструкции, чтобы использовать лишь около 40 процентов диспрозия по сравнению со старыми моделями. Все эти усовершенствования означают, что мы можем пользоваться преимуществами энергосбережения уже сегодня, одновременно уделяя внимание устойчивым методам производства в будущем.

Часто задаваемые вопросы

Что такое PMSM?
Синхронные двигатели с постоянными магнитами (PMSM) — это двигатели, в которых для создания постоянного магнитного поля используются постоянные магниты, что обеспечивает более высокую эффективность и снижает потери энергии по сравнению с традиционными асинхронными двигателями.

Каким образом PMSM повышают энергоэффективность электромобилей?
PMSM повышают энергоэффективность электромобилей за счёт минимизации инерции ротора и максимизации эффективности крутящего момента, что приводит к увеличению запаса хода.

Почему PMSM предпочтительнее асинхронных двигателей в системах возобновляемой энергии?
PMSM предпочтительны в системах возобновляемой энергии благодаря способности сохранять высокую эффективность при низких скоростях ветра и меньшей потребности в механических компонентах, что повышает общую эффективность системы.

С какими трудностями связано использование редкоземельных материалов в PMSM?
К таким трудностям относятся экологические последствия добычи и высокая стоимость редкоземельных материалов. Вместе с тем, для решения этих проблем разрабатываются программы переработки и альтернативные материалы.