Недорогая альтернатива электродвигателям с редкоземельными постоянными магнитами

Неодимовый редкоземельный постоянный магнит с высокой энергией (RE-PM) был открыт в начале 1980-х годов. Позже появилось легирование диспрозием для обеспечения «разумной жизни намагничивания» неодимового постоянного магнита, жертвуя его драгоценным свойством — высокой энергии с улучшенной коэрцитивностью и более высокой температурой работы.

Несмотря на продолжающиеся исследования и разработки, по крайней мере, для жизнеспособной альтернативы диспрозия, стратегическое приспособление «допинга» к крайне редкому и дорогому диспрозию все же обеспечивает лучший постоянный магнит для практичной системы RE-PM с электродвигателем и генератором (или электрической машиной). В настоящее время он считается самым эффективным (и самым дорогим) из доступных на рынке электрических машин.

В свое время открытия редкоземельных постоянных магнитов было экономически целесообразно и обеспечивало привлекательный способ устранения необходимости использования обмотки возбуждения для электродвигателя и неэффективности магнитодвижущей силы (МДС или на английском MMF). Однако практически все редкоземельные постоянные магниты слепо использовались в электрических машинах без учета экологических проблем и политических последствий цепочки поставок RE-PM.

Как подтверждающее доказательство, сегодняшние исследования и разработки в области электромагнитных явлений в электрических машинах снова слепо направлены на неловкую модернизацию магнитодвижущей силы в неодимовых редкоземельных постоянных магнитах и в обмотке электродвигателя (за ее желанный атрибут управления плотностью магнитного потока в воздушном зазоре для повышения эффективности и надежности электромагнитной системы на различных скоростях). По иронии судьбы, он игнорирует первоначальное намерение устранить намагничивающую силу, которая создается обмоткой возбуждения машины, которую заменяет постоянный магнит.

Борьба со спросом и предложением

С постоянно растущим применением редкоземельных постоянных магнитов в электродвигателях стало очевидно, что глобальная цепочка поставок RE-PM не может достаточно удовлетворить спрос. Теперь, имея стратегическое право собственности на глобальные запасы неодима и диспрозия, Китай контролирует постоянно растущие цены на постоянные магниты для электродвигателей и, к огорчению первоначальных инвесторов в  технологию электроприводов с постоянными магнитами, Китай является де-факто чуть ли не единственным в мире производителем неодимовых редкоземельных постоянных магнитов с высокой энергией в обозримом будущем.

Ученые пытаются изобрести альтернативу для электродвигателей с постоянными магнитами

В ответ на это исследования и разработки в области электромагнитной системы электрической машины, такие как программа REACT 2011 ARPA-E, посвящены поиску альтернатив RE-PM. Но спустя почти десятилетие результаты неоднозначны.

Например, в одном аспекте программы было разработано высокочастотное электронное управление для более высокой скорости (с сопоставимой мощностью) и, следовательно, меньшего размера (с менее ценным материалом постоянного магнита) RE-PM-EMS. Тем не менее, оно, по-видимому, игнорировало нейтрализующее влияние «комплексной» неэффективности, стоимости, размера и сложности необходимого добавления передачи энергии на общую производительность системы. Больше всего беспокоит то, что электродвигатели с постоянными магнитами стали предпочтительней в электроприводах для электромобилей и усовершенствованных ветровых турбин, с «переработкой» редкоземельных постоянных магнитов (в конце их ограниченного срока намагничивания) в качестве решение цепи поставок.

Бывший «лучший» вариант

По крайней мере, с 1960-х годов специалисты по электрическим машинам теоретически считали симметричную многофазную «синхронную» электрическую машину (S-MWRSDF-EMS) двойного питания как лучшую из возможных машин. Это связано с ее оптимизированной электромагнитной симметрией двух электрически доступных (то есть двух наборов обмоток на статоре и роторе) сбалансированных наборов многофазных обмоток на каждой стороне воздушного зазора ротора и статора, соответственно.

В то же время устранение малейшей вероятностной зависимости управления от деоптимизирующей электромагнитной асимметрии скольжения для обеспечения стабильного и непрерывного «синхронного» двукратного управления потоком воздушного зазора (для ослабления поля), скоростью, крутящим моментом и углом (разница между отстающим и опережающим магнитными полями) от нуля (или субсинхронности) до суперсинхронной скорости — особенно с точки зрения синхронной скорости, где неустойчивая индукция скольжения перестает существовать — требовал гипотетического изобретения контроля в реальном времени или мгновенной реакции на появление скольжения (без датчика или автоматического регулятора). Такое развитие событий выходило далеко за рамки любой технологии того времени или даже современного, ориентированного на область управления (FOC).

Если не использовать механическое демпфирование (как в современных системах «генератора» ветротурбин), даже сегодня многофазная электрическая машина с двойным питанием будет испытывать неустойчивые колебания ротора из-за малейшего его возмущения. Это обусловлено, по меньшей мере, зависимостью индукции скольжения, вызванной задержками и неточностями измерения или синтеза формы волны FOC (особенно формы волны с малыми уклонами).

Сборка контактных колец и щеток

Одной из главных проблем двигателей с редкоземельными магнитами является их стоимость

В отличие от этого, ротор с контактными кольцами и щетками, а также любая зависимость от стохастической индукции со скольжением могут быть заменены на бесщеточные, безсенсорные, автоматические и мгновенные средства управления. Это обеспечит идеально синхронизированную по скорости частоту и фазу, двунаправленную, плавную, многофазную мощность возбуждения «напрямую», по крайней мере, для активной многофазной обмотки ротора на любой скорости, в том числе и на синхронной скорости (как обеспечивается многофазным бесщеточным управлением в реальном времени) или BRTEC). SYNCHRO-SYM на сегодняшний день является единственным примером такого электродвигателя (и безщеточного) S-MWRSDF-EMS.

Принимая во внимание общий объем осевого потока (или блинного двигателя) RE-PM-EMS, управляемый электронным способом с помощью синтеза формы волны, разумно предположить, что:

  • Номинальная мощность и связанные с этим электрические потери и потери в сердечнике определяются обмоткой статора (которая создает вращающийся магнитный поток).
  • Физический размер и количество (стоимость) материалов одинаковы между «активной» обмоткой статора и «пассивной» обмоткой ротора (который рассеивает электромеханическую мощность через пассивные редкоземельные магниты, блоки контактных колец, коэффициенты сопротивления, обмотки возбуждения или многофазные обмотки индукции скольжения).
  • Форма осевого потока (с соседними дисками ротора и статора, разделенными воздушным зазором вместо формы радиального потока цилиндра-внутри-цилиндра) по своей природе обеспечивает структурную целостность обмотки и лучшие характеристики, избегая столкновения тела с меньшей глубиной воздушного зазора (на скоростях).

Просто заменив FOC на BRTEC и заменив асимметричный «пассивный» диск ротора (RE-PM) на другой «активный» диск статора, получим SYNCHRO-SYM (с непрерывной номинальной мощностью двух симметрично доступных «активных» наборов обмоток на дисках статора и ротора соответственно) который сразу дает, по крайней мере, концептуально трансформационные преимущества, такие как:

  • Удвоение номинальной мощности без изменения плотности потока воздушного зазора, физической площади или методов упаковки оригинального осевого потока RE-PM-EMS (или любой другой модифицированной EMS), таких как устаревшая или будущая усовершенствованная конструкция, материал, технологии намотки, строительства или изготовления. Это ведет к:
  • Половина размера, веса или стоимости (на киловатт от общей мощности) или удвоенная удельная мощность за половину стоимости, без учета размера, веса и экономии затрат за счет исключения дорогих, экзотических или расточительных «пассивных» компонентов, таких как RE-PMs.
  • До половины электрических потерь и потерь в сердечнике (на киловатт общей мощности) RE-PM-EMS или EMS с пониженным скольжением медного ротора. Он включает в себя электрические потери, связанные с электромагнитным сердечником, малую величину ортогонального вектора намагничивающей МДС и значительно меньшие суммарные потери в системе, связанные с комплектом активной обмотки ротора или статора SYNCHRO-SYM, управляемым BRTEC. Каждая из последних составляет половину общей номинальной мощности (или четверти электрических потерь I2R) комплекта активной обмотки одиночного статора RE-PM-EMS, управляемого FOC.
  • Повышение производительности в два раза (на киловатт от общей мощности), обеспечиваемое лучшими доступными для всех методами укладки обмотки в пазы, которые самые современные электродвигатели сегодня вынуждены стратегически использовать на одном и том же столетнем «асимметричном» (то есть пассивном роторе или одновыводном) трансформаторе. Схема и архитектура управления для их «дробного» повышения производительности или изобретения (например, плоский медный кабель).
  • По крайней мере, в четыре раза превышает пиковую плотность крутящего момента оригинального осевого потока RE-PM-EMS. Это связано с тем, что в соответствии с классической рабочей физикой «симметричной» (или многовыводной) схемы трансформатора и архитектуры управления (предоставляемой SYNCHRO-SYM) плотность потока в воздушном зазоре (и в сердечнике) остается постоянной при увеличении тока, крутящего момента после намагничивания МДС. Это не похоже на альтернативный пассивный ротор (или асимметричный) EMS, который быстро достигает насыщения потока в сердечнике с увеличением крутящего момента.

Благодаря модернизации RE-PM-EMS (или любой EMS) с помощью схемы и архитектуры управления SYNCHRO-SYM, значительная часть ограниченного количества неодимовых постоянных магнитов с высокой мощностью сохраняется для других более стратегических применений. С удвоенной удельной мощностью по сравнению с RE-PM-EMS, электрические самолеты будут летать выше, быстрее и дольше, а надежность улучшится! И, по крайней мере, в четыре раза превышающий пиковый крутящий момент, позволит электромобиля уменьшить габариты, вес, стоимость, уменьшить ненадежности и неэффективности системы трансмиссии для увеличения запаса хода и меньшего расхода энергии от аккумуляторных батарей.

Кроме того, без проблем с безопасностью или сборкой из-за постоянного намагничивания RE-PM большие ветряные турбогенераторы с прямым накоплением энергии смогут уменьшить рабочие диаметры лопастей и генераторов и стать более «легкими» для доставки в заданные места.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *