Waarom worden synchrone motoren met permanente magneten de belangrijkste aandrijfmotoren?
De elektromotor zet elektrische energie om in mechanische energie en brengt deze via de transmissie over op de wielen om het voertuig aan te drijven. Het is een van de belangrijkste aandrijfsystemen van elektrische voertuigen. Momenteel worden in elektrische voertuigen voornamelijk permanentmagneet-synchrone motoren en wisselstroom-asynchrone motoren gebruikt. De meeste elektrische voertuigen maken gebruik van permanentmagneet-synchrone motoren. Bekende autofabrikanten zijn onder andere BYD en Li Auto. Sommige voertuigen gebruiken wisselstroom-asynchrone motoren. Elektromotoren worden gebruikt door autofabrikanten zoals Tesla en Mercedes-Benz.
Een asynchrone motor bestaat hoofdzakelijk uit een stationaire stator en een roterende rotor. Wanneer de statorwikkeling is aangesloten op de wisselstroomvoeding, gaat de rotor draaien en levert deze vermogen. Het belangrijkste principe is dat wanneer de statorwikkeling wordt bekrachtigd (wisselstroom), er een roterend elektromagnetisch veld ontstaat. De rotorwikkeling is een gesloten geleider die continu de magnetische inductielijnen van de stator doorsnijdt in het roterende magnetische veld van de stator. Volgens de wet van Faraday wordt er een stroom opgewekt wanneer een gesloten geleider de magnetische inductielijnen doorsnijdt, en deze stroom genereert een elektromagnetisch veld. Op dat moment zijn er twee elektromagnetische velden: het elektromagnetische veld van de stator, aangesloten op de externe wisselstroom, en het elektromagnetische veld van de rotor, gegenereerd door het doorsnijden van de magnetische inductielijnen van de stator. Volgens de wet van Lenz zal de geïnduceerde stroom altijd de oorzaak van de geïnduceerde stroom tegenwerken, dat wil zeggen dat de geleiders op de rotor zullen proberen te voorkomen dat ze de magnetische inductielijnen van het roterende magnetische veld van de stator doorsnijden. Het resultaat is: de geleiders op de rotor "halen" het roterende elektromagnetische veld van de stator in. Dit betekent dat de rotor het roterende magnetische veld van de stator achtervolgt, waardoor de motor uiteindelijk begint te draaien. Tijdens dit proces zijn de rotatiesnelheid van de rotor (n2) en de rotatiesnelheid van de stator (n1) niet synchroon (het snelheidsverschil bedraagt ongeveer 2-6%). Daarom wordt dit een asynchrone wisselstroommotor genoemd. Als de rotatiesnelheid daarentegen gelijk is, spreekt men van een synchrone motor.
De permanentmagneet-synchrone motor is ook een type wisselstroommotor. De rotor is gemaakt van staal met permanente magneten. Wanneer de motor werkt, wordt de stator bekrachtigd om een roterend magnetisch veld te genereren dat de rotor aandrijft. "Synchronisatie" betekent dat de rotatiesnelheid van de rotor tijdens stationair bedrijf synchroon loopt met de rotatiesnelheid van het magnetische veld. Permanentmagneet-synchrone motoren hebben een hogere vermogen-gewichtsverhouding, zijn kleiner en lichter, hebben een groter uitgangskoppel en uitstekende prestaties op het gebied van maximale snelheid en remvermogen. Daarom zijn permanentmagneet-synchrone motoren tegenwoordig de meest gebruikte elektromotoren in elektrische voertuigen. Echter, wanneer het permanentmagneetmateriaal wordt blootgesteld aan trillingen, hoge temperaturen en overbelasting, kan de magnetische permeabiliteit afnemen of kan demagnetisatie optreden, wat de prestaties van de permanentmagneetmotor kan verminderen. Bovendien maken permanentmagneet-synchrone motoren gebruik van zeldzame-aardematerialen, waardoor de productiekosten niet stabiel zijn.
In vergelijking met synchrone motoren met permanente magneten, moeten asynchrone motoren elektrische energie opnemen voor bekrachtiging tijdens het werken, wat energie verbruikt en het rendement van de motor verlaagt. Motoren met permanente magneten zijn duurder vanwege de toevoeging van permanente magneten.
Modellen die kiezen voor asynchrone wisselstroommotoren geven doorgaans prioriteit aan prestaties en benutten de voordelen van asynchrone wisselstroommotoren op het gebied van vermogen en efficiëntie bij hoge snelheden. Een representatief voorbeeld hiervan is de vroege Model S. Belangrijkste kenmerken: Bij hoge snelheden kan de motor een hoge snelheid behouden en efficiënt gebruikmaken van elektrische energie, waardoor het energieverbruik wordt verlaagd met behoud van maximaal vermogen.
Modellen die kiezen voor synchrone motoren met permanente magneten geven doorgaans prioriteit aan energieverbruik en benutten de prestaties en efficiënte werking van deze motoren bij lage snelheden, waardoor ze geschikt zijn voor kleine en middelgrote auto's. Kenmerkend zijn het compacte formaat, het lage gewicht en de lange accuduur. Tegelijkertijd bieden ze een goede snelheidsregeling en behouden ze een hoog rendement bij herhaaldelijk starten, stoppen, accelereren en decelereren.
Permanentmagneet-synchrone motoren domineren. Volgens statistieken uit de "Maandelijkse database van de keten van de nieuwe-energievoertuigenindustrie" van het Advanced Industry Research Institute (GGII) bedroeg de in China geïnstalleerde capaciteit van aandrijfmotoren voor nieuwe-energievoertuigen van januari tot en met augustus 2022 circa 3,478 miljoen eenheden, een stijging van 101% ten opzichte van het voorgaande jaar. Hiervan bestond de geïnstalleerde capaciteit uit permanentmagneet-synchrone motoren met 3,329 miljoen eenheden, een stijging van 106% ten opzichte van het voorgaande jaar; de geïnstalleerde capaciteit uit wisselstroom-asynchrone motoren bedroeg 1,295 miljoen eenheden, een stijging van 22% ten opzichte van het voorgaande jaar.
Synchrone motoren met permanente magneten zijn de belangrijkste aandrijfmotoren geworden in de markt voor volledig elektrische personenauto's.
Afgaande op de motorkeuze voor gangbare modellen in binnen- en buitenland, maken elektrische voertuigen van Chinese fabrikanten zoals SAIC Motor, Geely Automobile, Guangzhou Automobile, BAIC Motor en Denza Motors allemaal gebruik van permanentmagneet-synchrone motoren. Permanentmagneet-synchrone motoren worden vooral in China gebruikt. Ten eerste vanwege hun goede prestaties bij lage snelheden en hoge conversie-efficiëntie, waardoor ze zeer geschikt zijn voor complexe werkomstandigheden met frequent starten en stoppen in het stadsverkeer. Ten tweede vanwege de neodymium-ijzer-boor-magneten in permanentmagneet-synchrone motoren. De materialen die hiervoor gebruikt worden, zijn zeldzame aardmetalen. China beschikt over 70% van 's werelds zeldzame aardmetalen en de totale productie van NdFeB-magneten bedraagt 80% van de wereldproductie. Daarom is China zeer geïnteresseerd in het gebruik van permanentmagneet-synchrone motoren.
De buitenlandse bedrijven Tesla en BMW gebruiken permanentmagneet-synchrone motoren en wisselstroom-asynchrone motoren in hun gezamenlijke ontwikkeling. Vanuit het oogpunt van toepassingsstructuur is de permanentmagneet-synchrone motor de meest gangbare keuze voor elektrische voertuigen.
De kosten van de permanente magneetmaterialen vertegenwoordigen ongeveer 30% van de totale kosten van synchrone motoren met permanente magneten. De grondstoffen voor de productie van synchrone motoren met permanente magneten bestaan hoofdzakelijk uit neodymium-ijzerboor, siliciumstaalplaten, koper en aluminium. Neodymium-ijzerboor wordt voornamelijk gebruikt voor de permanente magneten in de rotor en vertegenwoordigt ongeveer 30% van de kosten. Siliciumstaalplaten worden voornamelijk gebruikt voor de op maat gemaakte rotorkern en vertegenwoordigen ongeveer 20% van de kosten. De statorwikkeling vertegenwoordigt ongeveer 15%, de motoras ongeveer 5% en de motorbehuizing ongeveer 15%.
Waarom zijnOSG permanentmagneetmotoren schroefluchtcompressorefficiënter?
De permanentmagneet-synchrone motor bestaat hoofdzakelijk uit een stator, een rotor en een behuizing. Net als gewone wisselstroommotoren heeft de statorkern een gelaagde structuur om ijzerverliezen als gevolg van wervelstromen en hysteresis tijdens bedrijf te verminderen; de wikkelingen zijn doorgaans ook driefasige symmetrische structuren, maar de parameterkeuze verschilt aanzienlijk. De rotor is er in verschillende uitvoeringen, waaronder een permanentmagneetrotor met een kortsluitanker en een rotor met ingebouwde of opbouw permanente magneten. De rotorkern kan massief of gelaagd zijn. De rotor is voorzien van permanentmagneetmateriaal, dat gewoonlijk magneet wordt genoemd.
Bij normaal bedrijf van de permanentmagneetmotor bevinden de magnetische velden van de rotor en de stator zich in een synchrone toestand. Er is geen geïnduceerde stroom in het rotorgedeelte en er is geen sprake van koperverlies, hysteresis of wervelstroomverlies in de rotor. Problemen met rotorverliezen en -verwarming hoeven dus niet in overweging te worden genomen. De permanentmagneetmotor wordt doorgaans aangedreven door een speciale frequentieomvormer en beschikt van nature over een softstartfunctie. Bovendien is de permanentmagneetmotor een synchrone motor, die de mogelijkheid biedt om de arbeidsfactor aan te passen door de bekrachtigingssterkte te variëren, waardoor de arbeidsfactor op een specifieke waarde kan worden ingesteld.
Vanuit het oogpunt van de startprocedure is het opstarten van een permanentmagneetmotor, doordat deze wordt gestart door een frequentieomvormer of een bijbehorende inverter, zeer eenvoudig. Het is vergelijkbaar met het opstarten van een frequentieomvormer en vermijdt de startproblemen van gewone kooiankermotoren.
Kortom, permanentmagneetmotoren kunnen een zeer hoog rendement en arbeidsfactor bereiken, de structuur is zeer eenvoudig en de markt is de afgelopen tien jaar erg in trek geweest.
Het uitvallen van de bekrachtiging is echter een onvermijdelijk probleem bij permanentmagneetmotoren. Wanneer de stroom te groot is of de temperatuur te hoog oploopt, stijgt de temperatuur van de motorwikkelingen onmiddellijk, neemt de stroom sterk toe en verliezen de permanentmagneten snel hun bekrachtiging. In de besturing van de permanentmagneetmotor is een overstroombeveiliging ingebouwd om te voorkomen dat de statorwikkeling van de motor doorbrandt, maar het daaruit voortvloeiende verlies van bekrachtiging en de daaropvolgende uitschakeling van de apparatuur zijn onvermijdelijk.
Geplaatst op: 12 december 2023
