Задвижващи двигатели Pumbaa 160KW PMSM за електрически превозни средства PML160

1. Мотор с плосък проводник
• Формата на намотката на двигателя постепенно преминава от кръгла към плоска тел, с висока скорост на запълване на слотовете, къси краища, висока плътност на мощността и силен капацитет за разсейване на топлината.

2. Проектиране на изолация за високо напрежение
• Двигателят използва нови изолационни материали и процеси, за да отговори на изискванията за висока честота на превключване на SiC контролерите за все по-високоскоростни двигатели

3. Високоскоростни и тежкотоварни изолирани лагери
• Конструкцията на двигателя използва изолирани лагери, които могат да отговорят на проектните изисквания от 24000 об/мин; и може ефективно да предотврати генерирането на електрическа корозия на лагерите

4. Двигател с маслено охлаждане
• Двигателят е с високоскоростна маслено охлаждана структура, която ефективно намалява номиналната мощност след намаляване на обема, което не само подобрява ефективността, но и удължава експлоатационния живот на системата.

5. Отлични показатели за шумозаглушаване и вибрации
• Роторът на двигателя е със сегментирана наклонена полюсна структура, която ефективно оптимизира шумовите и вибрационни вибрации (NVH) на моторната система

На фона на глобалната стратегия за „двоен въглерод“ (въглероден пик и въглеродна неутралност) и бързото развитие на индустрията за електрически превозни средства (EV), синхронният двигател с постоянни магнити (PMSM), характеризиращ се с висока ефективност, компактност и висока плътност на мощността, се превърна в основен компонент на задвижващите системи за превозни средства с нова енергия (NEV). Тази статия ще анализира задълбочено основната стойност и иновативните насоки на PMSM от гледна точка на структурните принципи, електромагнитните характеристики и технологичните приложения.

I. Основна структура на PMSM: Съвместно проектиране на ротор и статор

Ядрото на PMSM се състои от статор (неподвижна част) и ротор (въртяща се част). Тяхната съвместна конструкция директно определя производителността на двигателя.

Структура на статора
Подобно на традиционните асинхронни двигатели, статорът се състои от желязна сърцевина и трифазни намотки. Желязната сърцевина е изработена чрез ламиниране на силициеви стоманени листове, за да се намалят загубите от вихрови токове. Намотките използват разпределени намотки (U/V/W три фази), като броят на навивките и площта на напречното сечение са оптимизирани въз основа на изискванията за мощност, за да се подобри ефективността на преобразуване на електрическата енергия. Дизайнът на отворите на слотовете (напр. крушовидни слотове, слотове със заоблено дъно) в желязната сърцевина на статора намалява пулсациите на въртящия момент, подобрявайки плавността на работа.

Структура на ротора
Разликите в производителността на PMSM произтичат главно от типовете ротори, с две основни категории:

Повърхностно монтиран PMSM (SPMSM): Постоянните магнити са свързани към повърхността на ротора, покрити със защитна обвивка (напр. въглеродни влакна). Този дизайн се отличава с проста структура и ниска цена, но има тесен диапазон на скоростта на отслабване на полето, което го прави подходящ за сценарии с ниска скорост (напр. електрически автобуси).

​Вътрешен PMSM (IPMSM):​​ Постоянните магнити са вградени във вътрешността на ротора (във V-образно, U-образно или радиално разположение). Чрез използване на реактивния въртящ момент за подпомагане на изхода, той значително разширява диапазона на скоростта на отслабване на полето (до 2–3 пъти базовата скорост) и подобрява съпротивлението на размагнитване. Този тип е основният избор за електрически превозни средства (напр. Tesla Model 3, BYD e-platform 3.0).

(Схема на вътрешната структура на двигателя)

II. Принцип на действие: Същност на електромагнитната индукция и генерирането на въртящ момент

Работата на PMSM се основава на закона за електромагнитната индукция на Фарадей и взаимодействието на магнитните полюси. Когато към статорните намотки се приложи трифазен променлив ток (AC), се генерира въртящо се магнитно поле. Постоянните магнити на ротора (или вградените магнитни полюси) следват това въртящо се поле поради принципа на „привличане на противоположните полюси“, постигайки ефективно преобразуване на електрическата енергия в механична енергия.

(Структурна схема на двигателя)

III. Технологични предимства и пробиви в приложенията в индустрията

В сравнение с асинхронните двигатели (IM), PMSM показват основни предимства:

Висока ефективност: Без загуби на възбуждане в ротора (загубите на мед в ротора представляват 20%–30% от IM), PMSM постигат номинална ефективност от 95%–97% (спрямо ~85%–90% за IM), което значително намалява консумацията на енергия на електрическите автомобили (подобряване на пробега с 10%–15%).

Висока плътност на мощността: Постоянните магнити осигуряват постоянна връзка между въздушния поток и въздушната междина, без да е необходим възбуждащ ток, намалявайки обема с 30% в сравнение с магнитните магнити със същата мощност – идеално за строгите изисквания на електрическите превозни средства за компактност на пространството.

Широк диапазон на регулиране на скоростта: В комбинация с векторно управление (Field-Oriented Control, FOC), IPMS осигуряват постоянен въртящ момент под базовата скорост (0–10 000 об/мин) и постоянна мощност над базовата скорост (чрез отслабване на полето за разширяване на скоростта), покривайки всички оперативни сценарии - от стартиране с ниска скорост до движение с висока скорост.

В момента PMSM се използват широко в електрически превозни средства (напр. 210kW двигател със задно задвижване на NIO ET7), промишлени роботи (високопрецизни серво задвижвания), домакински уреди (компресори за климатици с променлива честота) и други области. Те представляват над 60% от пазара на NEV, служейки като критична технологична подкрепа за целта „Двойно въглеродно гориво“.

IV. Тенденции за бъдещо развитие: Съвместни иновации в материалите и контрола

Технологичните пробиви в PMSM се развиват в две ключови посоки:

​Подобрения на материалите:​​ Използване на постоянни магнитни материали от редкоземни елементи с висок остатъчен магнитен коефициент и ниски температурни коефициенти (напр. неодим, желязо, бор [NdFeB] N52), комбинирани с конструкции от „сегментирана магнитна стомана + оптимизация на магнитната верига“, за потискане на рисковете от размагнитване при високи температури (справяне с влошаването на производителността при условия над 150°C).

Оптимизация на алгоритъма за управление: Интегриране на технологията с изкуствен интелект с управление на моделите с прогнозиране (MPC) за отчитане на състоянието на двигателя в реално време (напр. затихване на магнитния поток, температура на намотката) и динамично регулиране на параметрите на променливотоковото напрежение (FOC), което допълнително подобрява ефективността и надеждността (с цел ефективност над 98%).

(Принцип на управление)

Заключение

Като „сърце на мощността“ на електрическите превозни средства, структурните иновации и пробивите в технологията за управление на PMSM тласкат NEV към по-дълъг пробег, по-висока мощност и по-висок интелект. В бъдеще, с пречистването на редкоземните материали, адаптирането към 800V платформи за високо напрежение и популяризирането на управлението с изкуствен интелект, PMSM ще продължат да водят тенденцията на иновации в задвижващите системи.