การวิเคราะห์ข้อดีของมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรในยานพาหนะไฟฟ้า

I. บทนำ

ท่ามกลางการอนุรักษ์พลังงานทั่วโลกและการลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจก อุตสาหกรรมยานยนต์กำลังเร่งการอัพเกรดไปสู่ประสิทธิภาพที่สูงขึ้นและความหนาแน่นของพลังงาน โดยที่ไดรฟ์ความถี่แปรผัน (VFD) กลายเป็นรูปแบบหลักในยานพาหนะไฟฟ้าและระบบขับเคลื่อนทางอุตสาหกรรม

ในบรรดามอเตอร์หลายประเภทนั้นมอเตอร์ไฟฟ้าซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร(PMSM) ได้กลายเป็นคู่แข่งหลักของมอเตอร์เหนี่ยวนำแบบดั้งเดิม (IM) เนื่องจากประสิทธิภาพที่โดดเด่น จึงเกิดคำถามสำคัญ: PMSM รวมถึงมอเตอร์ไฟฟ้าแม่เหล็กถาวรแบบอะซิงโครนัส สามารถขัดขวางและแทนที่ IM เพื่อให้กลายเป็นโซลูชันการขับเคลื่อนที่โดดเด่นโดยสิ้นเชิงได้หรือไม่

บทความนี้จะสำรวจข้อโต้แย้งนี้โดยการเปรียบเทียบข้อดีและข้อเสีย วิเคราะห์ความเป็นไปได้ของการทดแทน และตรวจสอบความแตกต่างในการปรับตัวในสถานการณ์ VFD โดยมีเป้าหมายเพื่อชี้แจงขอบเขตการใช้งานที่เหมาะสมที่สุดของมอเตอร์ทั้งสอง

ครั้งที่สอง ความเข้าใจพื้นฐานเกี่ยวกับมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร

มอเตอร์ไฟฟ้าซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรเป็นมอเตอร์กระแสสลับประเภทหนึ่งที่ต้องอาศัยแม่เหล็กถาวรเพื่อสร้างสนามแม่เหล็กของโรเตอร์ ช่วยให้สามารถทำงานแบบซิงโครนัสระหว่างโรเตอร์และสเตเตอร์ที่หมุนสนามแม่เหล็กได้โดยไม่สูญเสียการสลิป เป็นที่น่าสังเกตว่ามอเตอร์ไฟฟ้าแม่เหล็กถาวรแบบซิงโครนัสแบบ AC มีความสอดคล้องกับ PMSM ในหลักการหลักและสถานการณ์การใช้งาน โดยมีความแตกต่างเพียงเล็กน้อยในการแสดงออกของคำศัพท์ในเขตอุตสาหกรรมเฉพาะ

ในแง่ของการจำแนกประเภท PMSM ส่วนใหญ่จะแบ่งออกเป็นประเภทติดบนพื้นผิว (SPMSM) และประเภทติดตั้งภายใน (IPMSM) ตามตำแหน่งของแม่เหล็กถาวร ตามวัสดุ สามารถแบ่งได้เป็นแม่เหล็กถาวรของโลกที่หายาก (นีโอดิเมียม-เหล็ก-โบรอน ซาแมเรียม-โคบอลต์) และแม่เหล็กถาวรชนิดไม่หายาก ในบรรดาสิ่งเหล่านี้ PMSM ธาตุหายากที่ติดตั้งภายในถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในยานพาหนะไฟฟ้า เนื่องจากมีความหนาแน่นของพลังงานที่ยอดเยี่ยมและประสิทธิภาพในการควบคุมความเร็ว

III. การเปรียบเทียบข้อดีและข้อเสียระหว่าง PMSM และมอเตอร์กระแสหลัก

3.1 มอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร (PMSM)

ข้อดี: PMSM โดดเด่นด้วยประสิทธิภาพที่โดดเด่น โดยมีประสิทธิภาพการโหลดเต็ม 94%-97% และรักษาประสิทธิภาพสูงแม้ภายใต้โหลดบางส่วนหรือในสภาวะความเร็วต่ำ เนื่องจากกำจัดการสูญเสียทองแดงของโรเตอร์และการสูญเสียการลื่น นอกจากนี้ยังมีกำลังและความหนาแน่นของแรงบิดสูง โครงสร้างโรเตอร์ที่เรียบง่ายและความเฉื่อยต่ำทำให้มีขนาดกะทัดรัดยิ่งขึ้นและน้ำหนักที่เบากว่าด้วยกำลังเท่าเดิม ตรงกับความต้องการน้ำหนักเบาของยานพาหนะไฟฟ้าได้อย่างสมบูรณ์แบบ นอกจากนี้ ยังแสดงประสิทธิภาพแรงบิดขนาดใหญ่ความเร็วต่ำที่ยอดเยี่ยม ตัวประกอบกำลังสูง และการทำงานที่เสถียรภายใต้ VFD โดยประสิทธิภาพลดลงเล็กน้อยระหว่างการแปลงความถี่

ข้อเสีย: คอขวดที่ใหญ่ที่สุดของ PMSM อยู่ที่ความเสี่ยงด้านต้นทุนและทรัพยากร แม่เหล็กถาวรของโลกที่หายากคิดเป็นสัดส่วนขนาดใหญ่ของต้นทุน และราคาก็มีความผันผวนสูง โดยต้องอาศัยห่วงโซ่อุปทานของธาตุหายากอย่างมาก ในทางเทคนิค จำเป็นต้องมีการตรวจจับหรือการประมาณตำแหน่งโรเตอร์ ทำให้ระบบควบคุมซับซ้อนมากขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการเริ่มต้นแบบไร้เซ็นเซอร์และการควบคุมความเร็วต่ำ นอกจากนี้ อุณหภูมิที่สูงและภาระหนักอาจทำให้เกิดการล้างอำนาจแม่เหล็กของแม่เหล็กถาวร ซึ่งจำเป็นต้องมีการจัดการระบายความร้อนที่เข้มงวด และการบำรุงรักษาและการรีไซเคิลยังเผชิญกับความท้าทายทางเทคนิคและเศรษฐกิจอีกด้วย

3.2 มอเตอร์เหนี่ยวนำ (IM)

ข้อดี: IM มีโครงสร้างที่สมบูรณ์และกระบวนการผลิตที่เรียบง่าย ส่งผลให้มีการลงทุนเริ่มแรกต่ำและมีแหล่งวัสดุที่กว้างขวาง สามารถสตาร์ทออนไลน์ได้โดยตรง ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความแข็งแกร่งที่แข็งแกร่งในการรับแรงกระแทกและสภาพแวดล้อมที่รุนแรง เช่น ฝุ่นและอุณหภูมิสูง ด้วยโครงสร้างโรเตอร์แบบกรงกระรอก จึงง่ายต่อการบำรุงรักษา มีอะไหล่ที่พร้อมใช้งาน และไม่ต้องพึ่งพาวัสดุหายาก จึงรับประกันห่วงโซ่อุปทานที่มั่นคง

ข้อเสีย: IM มีประสิทธิภาพต่ำกว่า โดยประสิทธิภาพการโหลดเต็มเพียง 90%-93% และประสิทธิภาพลดลงอย่างมากภายใต้โหลดบางส่วนหรือเงื่อนไข VFD ความเร็วต่ำ นอกจากนี้ยังมีความหนาแน่นของกำลังไม่เพียงพอ โดยมีขนาดใหญ่กว่าและหนักกว่า PMSM ที่กำลังเดียวกัน และความแม่นยำในการควบคุมความเร็วถูกจำกัดด้วยการสลิป ทำให้ด้อยกว่า PMSM ในสถานการณ์การควบคุมความเร็วที่มีความแม่นยำสูง

3.3 การเปรียบเทียบโดยย่อกับมอเตอร์รีลัคแทนซ์แบบสวิตช์ (SRM)

SRM มีข้อดีคือมีโครงสร้างที่เรียบง่ายและมีต้นทุนต่ำ โดยไม่มีความเสี่ยงจากการล้างอำนาจแม่เหล็กถาวร อย่างไรก็ตาม มันได้รับผลกระทบจากเสียงรบกวนขนาดใหญ่และการกระเพื่อมของแรงบิด โดยมีประสิทธิภาพและประสิทธิภาพการควบคุมต่ำกว่าเมื่อเทียบกับ PMSM ในการใช้งานจริง SRM เหมาะสำหรับสถานการณ์คร่าวๆ ที่มีต้นทุนต่ำ ในขณะที่ PMSM ครอบงำสาขาที่มีประสิทธิภาพสูง เช่น ยานพาหนะไฟฟ้า ซึ่งสร้างความสัมพันธ์ที่เกื้อกูลกัน

IV. การวิเคราะห์ความเป็นไปได้ของ PMSM แทนที่ IM

ปัจจัยขับเคลื่อน: นโยบายการประหยัดพลังงานที่เข้มงวดทั่วโลก (เช่น มาตรฐานประสิทธิภาพ IE3/IE4) ได้บังคับให้อุตสาหกรรมยานยนต์หันมาใช้โซลูชันที่มีประสิทธิภาพสูงขึ้น การได้รับความนิยมของ VFD ช่วยเพิ่มข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพของ PMSM และความต้องการที่เพิ่มขึ้นสำหรับความหนาแน่นของพลังงานสูงและน้ำหนักเบาในยานพาหนะไฟฟ้า ทำให้มีแพลตฟอร์มการใช้งานที่กว้างขวางสำหรับ PMSM นอกจากนี้ เมื่อพิจารณาถึงต้นทุนตลอดอายุการใช้งาน ผลประโยชน์ในการประหยัดพลังงานของ PMSM สามารถชดเชยเบี้ยประกันภัยเริ่มต้นในสถานการณ์ที่มีการใช้พลังงานสูงได้

คอขวดที่มีข้อจำกัด: ความผันผวนของราคาแร่หายากทำให้ต้นทุนของ PMSM สูงกว่า IM IM ในสต็อกจำนวนมากในตลาดพร้อมระบบการบำรุงรักษาที่ครบกำหนด จะช่วยขยายวงจรการเปลี่ยนทดแทน นอกจากนี้ PMSM ยังมีความสามารถในการปรับตัวได้ไม่ดีกับสภาพการทำงานที่สมบุกสมบันและมีเกณฑ์ทางเทคนิคสูงในการควบคุมและการจัดการระบายความร้อน ซึ่งจำกัดความนิยมในบางสาขา

แนวโน้มการทดแทน: ในอีก 5-10 ปีข้างหน้า การทดแทน IM ด้วย PMSM จะมุ่งเน้นไปที่ตลาดที่เพิ่มขึ้นเป็นหลัก PMSM จะครองสถานการณ์ที่มีประสิทธิภาพสูง เช่น ยานพาหนะไฟฟ้า เครื่องมือเครื่องจักรที่มีความแม่นยำสูง และปั๊มแปลงความถี่ ในขณะที่ IM จะยังคงอยู่ในสาขาสภาพการทำงานที่คำนึงถึงต้นทุนและคร่าวๆ รูปแบบของการอยู่ร่วมกันในระยะยาวโดยอิงจากการปรับตัวเฉพาะสถานการณ์จะถูกสร้างขึ้น

V. ความแตกต่างในการปรับตัวในสถานการณ์สมมติของไดรฟ์ความถี่ตัวแปร (VFD)

การควบคุมและการขับเคลื่อน: มอเตอร์ไฟฟ้าซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรต้องใช้การควบคุมเวกเตอร์หรือการควบคุมเชิงสนาม (FOC) โดยอาศัยเทคโนโลยีการตรวจจับตำแหน่งโรเตอร์หรือการประมาณค่า ซึ่งจะเพิ่มความซับซ้อนในการควบคุมและต้นทุน ในทางตรงกันข้าม IM สามารถใช้การควบคุมเวกเตอร์หรือการควบคุมแรงบิดโดยตรง (DTC) ที่เรียบง่ายกว่า โดยไม่จำเป็นต้องมีตำแหน่งซิงโครนัสที่แม่นยำ ทำให้เหมาะสำหรับสถานการณ์ที่มีต้นทุนต่ำมากกว่า

การจัดการความร้อนและความน่าเชื่อถือ: PMSM มีความหนาแน่นของพลังงานและความหนาแน่นของความร้อนสูง และการออกแบบระบบทำความเย็นก็มีความสำคัญอย่างยิ่ง การระบายความร้อนที่ไม่เพียงพออาจนำไปสู่การล้างอำนาจแม่เหล็กถาวร IM มีการกระจายความร้อนที่เบากว่าและขอบโครงสร้างที่ใหญ่ขึ้น โดยมีข้อกำหนดที่ค่อนข้างหลวมสำหรับระบบทำความเย็นและความแข็งแกร่งที่แข็งแกร่งกว่าในสภาวะที่ไม่เอื้ออำนวย

การเริ่มต้นและการบำรุงรักษา: สามารถเริ่ม IM ทางออนไลน์ได้โดยตรง โดยมีประสบการณ์ในการบำรุงรักษาที่ครบถ้วนและค่าซ่อมต่ำ ที่มอเตอร์ไฟฟ้าแม่เหล็กถาวรแบบซิงโครนัส acทำงานได้ดีในการสตาร์ทการแปลงความถี่ โดยให้แรงบิดขนาดใหญ่ แต่ต้องมีการป้องกันการลดอำนาจแม่เหล็กและการสะสมความร้อนในระหว่างการสตาร์ทและปิดเครื่องบ่อยครั้ง โดยมีค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาและข้อกำหนดทางเทคนิคที่สูงขึ้น

วี. ข้อเสนอแนะในการคัดเลือกทางวิศวกรรมและมาตรการรับมือ

หลักการเลือก: หัวใจหลักของการเลือกมอเตอร์อยู่ที่การประเมินที่ครอบคลุมโดยพิจารณาจากต้นทุนตลอดอายุการใช้งาน (การลงทุนเริ่มแรก + การใช้พลังงาน + การบำรุงรักษา + การสูญเสียเวลาหยุดทำงาน) และสภาพการทำงาน โดยปฏิเสธแนวคิด "ขนาดเดียวที่เหมาะกับทุกคน" ที่ว่า PMSM มีความเหนือกว่าในระดับสากล

การปรับตัวตามสถานการณ์: PMSM เหมาะที่สุดสำหรับการแปลงพลังงานสูง ความถี่สูง และสถานการณ์น้ำหนักเบา เช่น ยานพาหนะไฟฟ้า และการแปลงการประหยัดพลังงานขนาดใหญ่ IM เหมาะสำหรับสภาพการทำงานที่สมบุกสมบันและคำนึงถึงต้นทุน และสถานการณ์การขับเคลื่อนด้วยความเร็วคงที่ เช่น ปั๊ม พัดลม และสายพานลำเลียงแบบดั้งเดิม
การตอบสนองความเสี่ยง: ให้ความสนใจอย่างใกล้ชิดกับความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีในแม่เหล็กถาวรที่ไม่ใช่โลหะหายากและการรีไซเคิลแม่เหล็กถาวรเพื่อรับมือกับความเสี่ยงในห่วงโซ่อุปทาน ใช้กลยุทธ์ "การส่งเสริมนำร่อง" อันดับแรกแทนที่โหลดที่ใช้พลังงานสูงและมีมูลค่าสูงด้วย PMSM รวบรวมข้อมูลการดำเนินงานและข้อเสนอแนะในการบำรุงรักษา จากนั้นจึงขยายขอบเขตการใช้งาน

ปกเกล้าเจ้าอยู่หัว แนวโน้มการพัฒนาในอนาคตและความท้าทายของ PMSM

แนวโน้มการพัฒนา: อนาคตของ PMSM จะมุ่งเน้นไปที่การวิจัยวัสดุแม่เหล็กถาวรที่ไม่หายากเพื่อลดการพึ่งพาแร่หายาก เทคโนโลยีการควบคุมไร้เซนเซอร์ต้นทุนต่ำ การออกแบบน้ำหนักเบาแบบบูรณาการ และเทคโนโลยีการรีไซเคิลแม่เหล็กถาวรที่มีประสิทธิภาพ จะเป็นแนวทางการวิจัยที่สำคัญ ซึ่งจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพด้านต้นทุนและความเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมอีกด้วย
ความท้าทายหลัก: ความมั่นคงและความยั่งยืนของห่วงโซ่อุปทานของธาตุหายากยังคงเป็นข้อจำกัดหลัก การลดต้นทุนของแม่เหล็กถาวรและระบบควบคุมที่มีความแม่นยำสูง และการเพิ่มประสิทธิภาพความน่าเชื่อถือของ PMSM ภายใต้สภาวะการทำงานที่รุนแรงถือเป็นปัญหาเร่งด่วนที่ต้องแก้ไขเช่นกัน

8. บทสรุป

มอเตอร์ไฟฟ้าซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร รวมถึงมอเตอร์ไฟฟ้าแม่เหล็กถาวรแบบซิงโครนัสแบบ ac มีข้อได้เปรียบที่สำคัญในด้านประสิทธิภาพ ความหนาแน่นของกำลัง และประสิทธิภาพการควบคุมความเร็ว ทำให้เป็นส่วนประกอบหลักที่ไม่สามารถถูกแทนที่ในด้านประสิทธิภาพสูง เช่น ยานพาหนะไฟฟ้า จะยังคงบีบส่วนแบ่งการตลาดที่เพิ่มขึ้นของ IM ต่อไป แต่การทดแทนทั่วโลกโดยสมบูรณ์นั้นไม่สมจริง เนื่องจากข้อจำกัดด้านต้นทุน ห่วงโซ่อุปทาน และสภาพการทำงาน

ในอนาคต ตลาดยานยนต์จะสร้างรูปแบบของ "การปรับตัวให้เหมาะสมที่สุดเฉพาะสถานการณ์" PMSM จะครองตำแหน่งที่สำคัญมากขึ้นในการก่อสร้างใหม่และโครงการเปลี่ยนแปลงการประหยัดพลังงาน ในขณะที่ IM จะอยู่ร่วมกันเป็นเวลานานในสาขาเฉพาะ สำหรับวิศวกรและองค์กรต่างๆ การเลือกอย่างมีเหตุผลตามความต้องการที่แท้จริง และการคว้าความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีในวัสดุแม่เหล็กถาวรและระบบควบคุมจะเป็นกุญแจสำคัญในการคว้าโอกาสในการยกระดับอุตสาหกรรมยานยนต์