מדוע מנועים סינכרוניים בעלי מגנט קבוע הופכים למנועי ההנעה העיקריים?

מדוע מנועים סינכרוניים בעלי מגנט קבוע הופכים למנועי ההנעה העיקריים?

מנוע חשמלי יכול להמיר אנרגיה חשמלית לאנרגיה מכנית, ולהעביר את האנרגיה המכנית לגלגלים דרך מערכת ההילוכים כדי להניע את הרכב. זוהי אחת ממערכות ההנעה המרכזיות של כלי רכב המונעים על ידי אנרגיה חדשה. כיום, מנועי ההנעה הנפוצים בכלי רכב המונעים על ידי אנרגיה חדשה הם בעיקר מנועים סינכרוניים בעלי מגנט קבוע ומנועים אסינכרוניים בעלי זרם חילופין (AC). רוב כלי הרכב המונעים על ידי אנרגיה חדשה משתמשים במנועים סינכרוניים בעלי מגנט קבוע. חברות רכב מייצגות כוללות BYD, Li Auto וכו'. חלק מהרכבים משתמשים במנועים אסינכרוניים בעלי זרם חילופין. מנועים חשמליים מייצגים חברות רכב כמו טסלה ומרצדס-בנץ.

מנוע אסינכרוני מורכב בעיקר מסטטור נייח ורוטור מסתובב. כאשר סליל הסטטור מחובר לספק מתח AC, הרוטור יסתובב ויפיק הספק. העיקרון העיקרי הוא שכאשר סליל הסטטור מופעל (זרם חילופין), הוא ייצור שדה אלקטרומגנטי מסתובב, וסליל הרוטור הוא מוליך סגור שחותך ברציפות את קווי האינדוקציה המגנטית של הסטטור בשדה המגנטי המסתובב של הסטטור. על פי חוק פאראדיי, כאשר מוליך סגור חותך את קו האינדוקציה המגנטית, ייווצר זרם, והזרם ייצור שדה אלקטרומגנטי. בשלב זה, ישנם שני שדות אלקטרומגנטיים: האחד הוא השדה האלקטרומגנטי של הסטטור המחובר לזרם החילופין החיצוני, והשני נוצר על ידי חיתוך קו האינדוקציה האלקטרומגנטית של הסטטור. שדה אלקטרומגנטי של הרוטור. על פי חוק לנץ, הזרם המושרה תמיד יתנגד לגורם הזרם המושרה, כלומר, ינסה למנוע מהמוליכים על הרוטור לחתוך את קווי האינדוקציה המגנטית של השדה המגנטי המסתובב של הסטטור. התוצאה היא: המוליכים על הרוטור "ידבקו" לשדה האלקטרומגנטי המסתובב של הסטטור. השדה האלקטרומגנטי המסתובב גורם לכך שהרוטור רודף אחר השדה המגנטי המסתובב של הסטטור, ולבסוף המנוע מתחיל להסתובב. במהלך התהליך, מהירות הסיבוב של הרוטור (n2) ומהירות הסיבוב של הסטטור (n1) אינן מסונכרנות (הפרש המהירות הוא כ-2-6%). לכן, הוא נקרא מנוע AC אסינכרוני. לעומת זאת, אם מהירות הסיבוב זהה, הוא נקרא מנוע סינכרוני.

מנוע סינכרוני בעל מגנט קבוע הוא גם סוג של מנוע AC. הרוטור שלו עשוי מפלדה עם מגנטים קבועים. כאשר המנוע פועל, הסטטור מקבל אנרגיה כדי לייצר שדה מגנטי מסתובב שדוחף את הרוטור להסתובב. "סינכרון" פירושו שסיבוב הרוטור במצב יציב, המהירות מסונכרנת עם מהירות הסיבוב של השדה המגנטי. למנועים סינכרוניים בעלי מגנט קבוע יש יחס הספק-משקל גבוה יותר, הם קטנים יותר בגודלם, קלים יותר במשקל, בעלי מומנט יציאה גדול יותר, ובעלי ביצועי מהירות ובלימה מעולים. לכן, מנועים סינכרוניים בעלי מגנט קבוע הפכו לרכב החשמלי הנפוץ ביותר כיום. עם זאת, כאשר חומר המגנט הקבוע נתון לרעידות, טמפרטורה גבוהה וזרם עומס יתר, החדירות המגנטית שלו עלולה לרדת, או להתרחש דה-מגנטיזציה, מה שעלול להפחית את ביצועי המנוע המגנט הקבוע. בנוסף, מנועים סינכרוניים בעלי מגנט קבוע משתמשים בחומרי אדמה נדירה, ועלות הייצור שלהם אינה יציבה.

בהשוואה למנועים סינכרוניים בעלי מגנט קבוע, מנועים אסינכרוניים צריכים לספוג אנרגיה חשמלית לצורך עירור בזמן העבודה, מה שיצמצם אנרגיה חשמלית ויפחית את יעילות המנוע. מנועים בעלי מגנט קבוע יקרים יותר עקב תוספת של מגנטים קבועים.

דגמים שבוחרים במנועים אסינכרוניים AC נוטים לתת עדיפות לביצועים ולנצל את יתרונות תפוקת הביצועים והיעילות של מנועים אסינכרוניים AC במהירויות גבוהות. הדגם המייצג הוא דגם S המוקדם. מאפיינים עיקריים: כאשר המכונית נוסעת במהירות גבוהה, היא יכולה לשמור על פעולה במהירות גבוהה וניצול יעיל של אנרגיה חשמלית, תוך הפחתת צריכת האנרגיה תוך שמירה על תפוקת הספק מקסימלית;

דגמים שבוחרים במנועים סינכרוניים בעלי מגנט קבוע נוטים לתעדף את צריכת האנרגיה ולנצל את הביצועים והפעולה היעילה של מנועים סינכרוניים בעלי מגנט קבוע במהירויות נמוכות, מה שהופך אותם למתאימים למכוניות קטנות ובינוניות. מאפייניהם הם גודל קטן, משקל קל וחיי סוללה ארוכים. יחד עם זאת, יש להם ביצועי ויסות מהירות טובים ויכולים לשמור על יעילות גבוהה כאשר מתמודדים עם התחלות, עצירות, האצות והאטות חוזרות ונשנות.

מנועים סינכרוניים בעלי מגנט קבוע שולטים. על פי נתונים סטטיסטיים של "מסד הנתונים החודשי של שרשרת תעשיית הרכבים באנרגיה חדשה" שפורסם על ידי מכון המחקר לתעשייה מתקדמת (GGII), הקיבולת המותקנת המקומית של מנועי הנעה לרכבים באנרגיה חדשה מינואר עד אוגוסט 2022 הייתה כ-3.478 מיליון יחידות, עלייה של 101% משנה לשנה. ביניהם, הקיבולת המותקנת של מנועים סינכרוניים בעלי מגנט קבוע הייתה 3.329 מיליון יחידות, עלייה של 106% משנה לשנה; הקיבולת המותקנת של מנועים אסינכרוניים AC הייתה 1.295 מיליון יחידות, עלייה של 22% משנה לשנה.

מנועים סינכרוניים בעלי מגנט קבוע הפכו למנועי ההנעה העיקריים בשוק מכוניות נוסעים חשמליות טהורות.

אם לשפוט לפי מבחר המנועים לדגמים המרכזיים בארץ ובחו"ל, כלי רכב חדשים לאנרגיה שהושקו על ידי SAIC Motor, Geely Automobile, Guangzhou Automobile, BAIC Motor, Denza Motors וכו', כולם משתמשים במנועים סינכרוניים בעלי מגנט קבוע. מנועים סינכרוניים בעלי מגנט קבוע משמשים בעיקר בסין. ראשית, מכיוון שלמנועים סינכרוניים בעלי מגנט קבוע ביצועים טובים במהירות נמוכה ויעילות המרה גבוהה, המתאימים מאוד לתנאי עבודה מורכבים עם התנעות ועצירות תכופות בתנועה עירונית. שנית, בגלל המגנטים הקבועים של בורון ברזל ניאודימיום במנועים סינכרוניים בעלי מגנט קבוע. החומרים דורשים שימוש במשאבי אדמה נדירה, ולמדינתי יש 70% ממשאבי אדמה נדירה בעולם, והתפוקה הכוללת של חומרים מגנטיים NdFeB מגיעה ל-80% מהעולם, כך שסין מעוניינת יותר להשתמש במנועים סינכרוניים בעלי מגנט קבוע.

טסלה ו-BMW הזרות משתמשות במנועים סינכרוניים בעלי מגנט קבוע ובמנועים אסינכרוניים AC כדי לפתח בשיתוף פעולה. מנקודת מבט של מבנה היישום, מנוע סינכרוני בעל מגנט קבוע הוא הבחירה המרכזית עבור כלי רכב בעלי אנרגיה חדשה.

עלות חומרי המגנט הקבוע מהווה כ-30% מעלות מנועים סינכרוניים בעלי מגנט קבוע. חומרי הגלם לייצור מנועים סינכרוניים בעלי מגנט קבוע כוללים בעיקר ניאודימיום ברזל בורון, יריעות פלדת סיליקון, נחושת ואלומיניום. ביניהם, חומר המגנט הקבוע ניאודימיום ברזל בורון משמש בעיקר לייצור מגנטים קבועים לרוטור, והרכב העלות הוא כ-30%; יריעות פלדת סיליקון משמשות בעיקר לייצור מגנטים בהתאמה אישית. הרכב העלות של ליבת הרוטור הוא כ-20%; הרכב העלות של סליל הסטטור הוא כ-15%; הרכב העלות של ציר המנוע הוא כ-5%; והרכב העלות של מעטפת המנוע הוא כ-15%.

למה הםמנועי מגנט קבועים של OSG מדחס אוויר בורגייעיל יותר?

מנוע סינכרוני בעל מגנט קבוע מורכב בעיקר מרכיבי סטטור, רוטור ומעטפת. כמו מנועי AC רגילים, לליבת הסטטור יש מבנה למינציה כדי להפחית אובדן ברזל עקב זרמי מערבולת ואפקטים של היסטרזיס כאשר המנוע פועל; גם הסלילים הם בדרך כלל מבנים סימטריים תלת פאזיים, אך בחירת הפרמטרים שונה למדי. לחלק הרוטור יש צורות שונות, כולל רוטור מגנט קבוע עם כלוב סנאי התחלתי, ורוטור מגנט קבוע טהור משובץ או מותקן על פני השטח. ליבת הרוטור יכולה להיות מורכבת ממבנה מוצק או למינציה. הרוטור מצויד בחומר מגנט קבוע, המכונה בדרך כלל מגנט.

תחת פעולה רגילה של מנוע מגנט קבוע, השדות המגנטיים של הרוטור והסטטור נמצאים במצב סינכרוני. אין זרם מושרה בחלק הרוטור, ואין אובדן נחושת, היסטרזיס או אובדן זרם מערבולת ברוטור. אין צורך להתחשב בבעיית אובדן הרוטור והחימום. באופן כללי, מנוע מגנט קבוע מופעל על ידי ממיר תדרים מיוחד ויש לו באופן טבעי פונקציית התחלה רכה. בנוסף, מנוע מגנט קבוע הוא מנוע סינכרוני, בעל המאפיין של התאמת גורם ההספק באמצעות עוצמת העירור, כך שניתן לתכנן את גורם ההספק לערך מוגדר.

מנקודת מבט ראשונית, בשל העובדה שמנוע המגנט הקבוע מופעל על ידי ספק כוח בתדר משתנה או ממיר תומך, תהליך ההתנעה של מנוע המגנט הקבוע קל מאוד; הוא דומה להתנעה של מנוע בתדר משתנה, ומונע את פגמי ההתנעה של מנועים אסינכרוניים רגילים.

בקיצור, היעילות וגורם ההספק של מנועי מגנט קבוע יכולים להגיע לגבוהים מאוד, המבנה פשוט מאוד, והשוק היה חם מאוד בעשר השנים האחרונות.

עם זאת, כשל באובדן עירור הוא בעיה בלתי נמנעת במנועים בעלי מגנט קבוע. כאשר הזרם גדול מדי או הטמפרטורה גבוהה מדי, טמפרטורת סלילי המנוע תעלה באופן מיידי, הזרם יגדל בחדות והמגנטים הקבועים יאבדו במהירות את העירור. בבקרת המנוע בעלי מגנט קבוע, מוגדר התקן הגנה מפני זרם יתר כדי למנוע את בעיית שריפת סליל הסטטור של המנוע, אך אובדן העירור וכיבה של הציוד כתוצאה מכך הם בלתי נמנעים.