ทิศทางการพัฒนามอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรในอนาคตมีอะไรบ้าง

มอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรs (PMSM) ได้พัฒนาเป็นส่วนประกอบกำลังหลักในระบบไฟฟ้าสมัยใหม่ ได้รับการยกย่องในด้านประสิทธิภาพสูง ความหนาแน่นของกำลังที่เหนือกว่า และประสิทธิภาพไดนามิกที่โดดเด่น ด้วยแรงผลักดันจากเป้าหมายความเป็นกลางทางคาร์บอนทั่วโลก นโยบายการอนุรักษ์พลังงานที่เข้มงวด และการใช้พลังงานไฟฟ้าอย่างรวดเร็วของอุตสาหกรรมหลัก ตั้งแต่ยานยนต์และการผลิตไปจนถึงการบินและอวกาศ PMSM ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในยานพาหนะพลังงานใหม่ (NEV) อุปกรณ์อัตโนมัติทางอุตสาหกรรม ระบบขับเคลื่อนการบินและอวกาศ เครื่องใช้ในครัวเรือน และโครงการผลิตไฟฟ้าแบบกระจาย

ในขณะที่วัสดุศาสตร์ เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์กำลัง และอัลกอริธึมการควบคุมยังคงก้าวหน้าต่อไป PMSM กำลังอยู่ระหว่างการเปลี่ยนแปลงอย่างลึกซึ้งไปสู่ประสิทธิภาพ ความฉลาด การทำให้เป็นสีเขียว และการบูรณาการระบบที่สูงขึ้น บทความนี้สำรวจบริบทการพัฒนา เทคโนโลยีหลัก สถานการณ์การใช้งาน ความท้าทายที่มีอยู่ และแนวโน้มในอนาคตของ PMSM อย่างครอบคลุม ขณะเดียวกันก็อธิบายวิธีการออกแบบขั้นสูง โดยมีเป้าหมายเพื่อให้ข้อมูลเชิงลึกอย่างเป็นระบบสำหรับนักวิจัยในอุตสาหกรรม วิศวกร และผู้มีอำนาจตัดสินใจ

I. บทนำ

ท่ามกลางเป้าหมายความเป็นกลางทางคาร์บอนในช่วงกลางศตวรรษทั่วโลกและการเร่งการใช้พลังงานไฟฟ้าทางอุตสาหกรรม ความต้องการมอเตอร์ประสิทธิภาพสูงและเชื่อถือได้ก็เพิ่มสูงขึ้นมอเตอร์ไฟฟ้าซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรมีประสิทธิภาพเหนือกว่ามอเตอร์เหนี่ยวนำ สวิตช์ฝืน และมอเตอร์ทั่วไปอื่นๆ ด้วยข้อได้เปรียบทางเทคนิคที่เป็นเอกลักษณ์

ต่างจากมอเตอร์เหนี่ยวนำที่ต้องอาศัยการกระตุ้นของขดลวดโรเตอร์ PMSM ใช้แม่เหล็กถาวรประสิทธิภาพสูงสำหรับสนามแม่เหล็กของโรเตอร์ ซึ่งช่วยลดการสูญเสียทองแดงของโรเตอร์ สิ่งนี้ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานได้ 5-10% และความหนาแน่นของพลังงานได้ 20-30% ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการลาก NEV อุปกรณ์เซอร์โวที่มีความแม่นยำสูง หน่วยพลังงานเสริมด้านการบินและอวกาศ และการสร้างพลังงานลม/แสงอาทิตย์แบบกระจาย

การตอบสนองที่รวดเร็วและการกระเพื่อมของแรงบิดต่ำยังทำให้เป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ในสถานการณ์ที่มีความแม่นยำ เช่น หุ่นยนต์อุตสาหกรรมและอุปกรณ์ตัดเฉือน

อย่างไรก็ตาม การใช้งาน PMSM ขนาดใหญ่ต้องเผชิญกับปัญหาคอขวด: ต้นทุนแม่เหล็กหายากสูง (30-40% ของต้นทุนทั้งหมด) ความเสถียรทางความร้อนต่ำ ข้อกำหนดในการควบคุมที่ซับซ้อน และการพึ่งพาชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์กำลังสูงและเครื่องมือจำลองสถานการณ์

นวัตกรรมอย่างต่อเนื่องในด้านวัสดุแม่เหล็ก การออกแบบโครงสร้าง การจำลอง และอัลกอริธึมการควบคุมถือเป็นสิ่งสำคัญ บทความนี้จะแยกแยะประเด็นหลักของ PMSM ด้วยกรณีที่เป็นประโยชน์และการวิเคราะห์ความท้าทาย ซึ่งเป็นข้อมูลอ้างอิงสำหรับการวิจัยและวิศวกรรม

ครั้งที่สอง สถานะการพัฒนาและการวิจัยของ PMSM

(I) มูลนิธิเพื่อการพัฒนา

การพัฒนาและการแพร่หลายของมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรมีความผูกพันอย่างใกล้ชิดกับความก้าวหน้าในสามสาขาหลัก: เทคโนโลยีวัสดุแม่เหล็กถาวร เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์กำลัง และทฤษฎีการควบคุม เสาหลักทั้งสามนี้ส่งเสริมซึ่งกันและกัน โดยขับเคลื่อนเทคโนโลยี PMSM จากการวิจัยในห้องปฏิบัติการไปจนถึงการผลิตทางอุตสาหกรรมขนาดใหญ่

ในแง่ของวัสดุแม่เหล็กถาวร มอเตอร์ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 อาศัยแม่เหล็กเฟอร์ไรต์และ AlNiCo ซึ่งมีผลิตภัณฑ์พลังงานแม่เหล็กต่ำ (20-30 kJ/m³ สำหรับเฟอร์ไรต์ 40-60 kJ/m³ สำหรับ AlNiCo) ส่งผลให้มีความหนาแน่นของพลังงานต่ำ ปริมาณมาก และประสิทธิภาพที่จำกัด ซึ่งจำกัดการใช้งานในสถานการณ์ที่ใช้พลังงานต่ำ เช่น พัดลมขนาดเล็ก การประดิษฐ์และการพัฒนาอุตสาหกรรมแม่เหล็กหายากในช่วงทศวรรษปี 1980 ถือเป็นหลักชัยสำคัญ นั่นคือแม่เหล็กนีโอดิเมียมเหล็กโบรอน (NdFeB) มีผลิตภัณฑ์พลังงานแม่เหล็ก 200-400 kJ/m³ (5-10 เท่าของเฟอร์ไรต์) โดยพื้นฐานแล้วทำให้ PMSM มีขนาดเล็กลง มีประสิทธิภาพสูง และความหนาแน่นของพลังงานสูง

แม่เหล็กซาแมเรียมโคบอลต์ (SmCo) (150-250 kJ/m³) ช่วยขยายการใช้งานของ PMSM ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงอีกด้วย ในขณะเดียวกัน อุปกรณ์ทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์เกทหุ้มฉนวน (IGBT), ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) MOSFET และแกลเลียมไนไตรด์ (GaN) ปรับปรุงประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของไดรฟ์ ในขณะที่การทำซ้ำอัลกอริธึมควบคุม (จากการควบคุมสเกลาร์เป็น FOC/DTC จากนั้นเป็น MPC) ได้ปรับปรุงประสิทธิภาพของ PMSM ในสภาวะที่ซับซ้อน

(II) สถานะการวิจัยในประเทศและต่างประเทศ

ในระดับสากล ประเทศที่พัฒนาแล้วได้จัดตั้งระบบเทคโนโลยี PMSM และห่วงโซ่อุตสาหกรรมที่เติบโตเต็มที่ ญี่ปุ่นมุ่งเน้นไปที่การใช้งานด้านยานยนต์และอุปกรณ์ในครัวเรือน: Toyota, Nissan และ Mitsubishi Electric มีประสบการณ์มานานหลายทศวรรษในด้าน NEV PMSM โดย Prius ไฮบริดของ Toyota ใช้ PMSM เป็นมอเตอร์ฉุดหลักสำหรับหลายรุ่น (ประสิทธิภาพของระบบเกิน 90%) และ PMSM เซอร์โวความแม่นยำสูงของ Mitsubishi (ระลอกคลื่น <1%) ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในหุ่นยนต์อุตสาหกรรม

เยอรมนีเป็นเลิศในด้าน PMSM ความเร็วสูงและกำลังสูง—Siemens และ Bosch ได้พัฒนาโมเดลที่มีความเร็วมากกว่า 20,000 RPM และประสิทธิภาพเกิน 98% ซึ่งนำไปใช้กับคอมเพรสเซอร์แบบแรงเหวี่ยงและหน่วยกำลังเสริมด้านการบินและอวกาศ สหรัฐอเมริกาตั้งเป้าไปที่สาขาระดับไฮเอนด์: PMSM หลายเมกะวัตต์ของ GE ให้พลังงานแก่ระบบขับเคลื่อนเรือและกังหันลม ในขณะที่ MIT และ Stanford สำรวจอัลกอริธึมการควบคุมที่ใช้ AI และแม่เหล็กใหม่

ขับเคลื่อนโดยการเติบโตของอุตสาหกรรม NEV และการสนับสนุนนโยบาย BYD, Huawei และ Great Wall Motors มีความเชี่ยวชาญในเทคโนโลยีหลัก (การเตรียม NdFeB การออกแบบโทโพโลยี การควบคุมเวกเตอร์) PMSM ที่ผลิตจำนวนมากสำหรับการลาก NEV เซอร์โวอุตสาหกรรม และเครื่องใช้ในครัวเรือน มอเตอร์เบลดของ BYD (ประเภทหนึ่งของ IPMSM) มีความหนาแน่นของกำลังมากกว่า 3kW/kg ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในกลุ่มผลิตภัณฑ์ NEV อย่างไรก็ตาม ช่องว่างยังคงอยู่ในวัสดุหายากระดับไฮเอนด์ ซอฟต์แวร์จำลองอิสระ และชิปควบคุมที่มีความแม่นยำสูง

(III) การใช้งานในอุตสาหกรรม

PMSM ถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางในภาคส่วนสำคัญๆ โดยกลายเป็นตัวขับเคลื่อนหลักในการใช้พลังงานไฟฟ้าและการอนุรักษ์พลังงาน ใน NEV นั้น PMSM ครอบงำระบบการยึดเกาะถนนและระบบเสริม: IPMSM ซึ่งมีความสามารถในการลดฟลักซ์ที่ดีเยี่ยม เป็นกระแสหลักสำหรับการยึดเกาะ NEV ระดับกลางถึงระดับสูง (ตอบสนองความต้องการในการออกตัว การปีนเขา และการล่องเรือ) ในขณะที่ SPMSM ใช้ในคอมเพรสเซอร์เครื่องปรับอากาศและปั๊มน้ำเพื่อการประหยัดพลังงานและลดเสียงรบกวน และขยายความทนทานของยานพาหนะ

ในระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม PMSM เป็นแกนหลักของระบบเซอร์โว หุ่นยนต์อุตสาหกรรม และเครื่องจักร CNC PMSM เซอร์โวที่มีความแม่นยำสูงช่วยให้ข้อต่อหุ่นยนต์และเครื่องมือตัดเฉือนมีความเสถียรและแม่นยำ ในการบินและอวกาศ PMSM ที่ใช้ SmCo (มีเสถียรภาพทางความร้อนที่เหนือกว่า) ถูกนำมาใช้ในหน่วยกำลังเสริม แอคทูเอเตอร์ควบคุมการบิน และระบบควบคุมทัศนคติผ่านดาวเทียม โดยปรับให้เข้ากับสภาพแวดล้อมการบิน/อวกาศที่รุนแรง

ในเครื่องใช้ในครัวเรือน PMSM ได้ค่อยๆ เปลี่ยนมอเตอร์เหนี่ยวนำในเครื่องปรับอากาศ เครื่องซักผ้า และตู้เย็น ซึ่งช่วยลดการใช้พลังงานลง 10-20% และเป็นไปตามมาตรฐานประสิทธิภาพพลังงานที่เข้มงวด ในภาคพลังงาน กังหันลมที่ขับเคลื่อนโดยตรงด้วยแม่เหล็กถาวรช่วยขจัดกระปุกเกียร์ ลดค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาและปรับปรุงประสิทธิภาพ กลายเป็นเทรนด์ของอุตสาหกรรมพลังงานลม

III. เทคโนโลยีหลักของ PMSM

(I) เทคโนโลยีการออกแบบ

เทคโนโลยีการออกแบบเป็นศูนย์กลางในการปรับปรุงประสิทธิภาพที่ครอบคลุมของมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร ครอบคลุมโทโพโลยีโรเตอร์/สเตเตอร์ โครงร่างแม่เหล็ก การควบคุมการสูญเสีย ความน่าเชื่อถือของโครงสร้าง และการออกแบบระบบทำความเย็น ในขณะเดียวกันก็รักษาสมดุลประสิทธิภาพ ต้นทุน และความสามารถในการผลิต โทโพโลยีโรเตอร์มีสองประเภทหลัก: SPMSM ยึดแม่เหล็กกับพื้นผิวโรเตอร์ ซึ่งมีโครงสร้างที่เรียบง่าย การผลิตง่าย และต้นทุนต่ำ เหมาะสำหรับสถานการณ์ที่ความเร็วต่ำและใช้พลังงานต่ำ

IPMSM ฝังแม่เหล็กไว้ในแกนโรเตอร์ (พร้อมแผงกั้นฟลักซ์สำหรับวงจรแม่เหล็กที่ปรับให้เหมาะสม) ให้ความหนาแน่นของแรงบิดที่สูงขึ้นและช่วงการลดฟลักซ์ เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการยึดเกาะ NEV และระบบเซอร์โวประสิทธิภาพสูง การปรับโครงร่างแม่เหล็กให้เหมาะสม (อาร์เรย์ Halbach, การไขลานที่มีความเข้มข้นของช่องเศษส่วน) ช่วยเพิ่มความหนาแน่นของสนามแม่เหล็กของช่องว่างอากาศ และลดการกระเพื่อมของแรงบิด—อาร์เรย์ Halbach ช่วยเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานโดยการเน้นไปที่ฟลักซ์แม่เหล็ก ในขณะที่การคดเคี้ยวของช่องเศษส่วนจะทำให้ขดลวดส่วนปลายสั้นลงเพื่อลดการสูญเสียทองแดง

การเพิ่มประสิทธิภาพการสูญเสียมุ่งเป้าหมายไปที่การสูญเสียธาตุเหล็ก การสูญเสียทองแดง และการสูญเสียที่หลงทาง ระบบทำความเย็น (การระบายความร้อนด้วยน้ำ/น้ำมันสำหรับรุ่นกำลังสูง/ความเร็วสูง) ป้องกันการสลายแม่เหล็กด้วยการกระจายความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพ

(II) เทคโนโลยีการจำลอง

เทคโนโลยีการจำลองทำให้วงจรการวิจัยและพัฒนาสั้นลง ลดต้นทุน และปรับปรุงความน่าเชื่อถือโดยเปิดใช้งานการคาดการณ์ประสิทธิภาพแบบเต็มมิติ การออกแบบ PMSM สมัยใหม่อาศัยเครื่องมือจำลองหลายฟิสิกส์เพื่อรวมการจำลองพลศาสตร์แม่เหล็กไฟฟ้า ความร้อน เครื่องกล และของไหล

การจำลองทางแม่เหล็กไฟฟ้าจะปรับวงจรแม่เหล็กให้เหมาะสม คำนวณการกระเพื่อมของแรงบิดและการกระจายการสูญเสีย และหลีกเลี่ยงความอิ่มตัวของแม่เหล็ก การจำลองความร้อนทำนายการกระจายอุณหภูมิของขดลวด แม่เหล็ก และตัวเรือน โดยออกแบบช่องระบายความร้อนเพื่อรักษาอุณหภูมิของแม่เหล็กให้ต่ำกว่า 120-150°C (ขีดจำกัดความปลอดภัยของ NdFeB) การจำลองทางกล (Ansys Mechanical) ตรวจสอบความแข็งแรงของโรเตอร์และความสมดุลไดนามิกภายใต้แรงเหวี่ยงหนีศูนย์สูง ปรับโครงสร้าง เช่น ปลอกคาร์บอนไฟเบอร์ให้เหมาะสม

ด้วยเทคโนโลยี Digital Twin การจำลองจะผสานรวมกับต้นแบบทางกายภาพเพื่อการปรับพารามิเตอร์แบบเรียลไทม์ การเพิ่มประสิทธิภาพซ้ำ และการบำรุงรักษาเชิงคาดการณ์ ซึ่งช่วยลดความเสี่ยงจากความล้มเหลวที่ไม่คาดคิด

(III) เทคโนโลยีการควบคุม

เทคโนโลยีการควบคุมจะกำหนดประสิทธิภาพ ประสิทธิภาพ และความเสถียรแบบไดนามิกของ PMSM โดยตรง โดยพัฒนาจากการควบคุมแบบสเกลาร์แบบดั้งเดิมไปจนถึงกลยุทธ์อัจฉริยะสมัยใหม่ FOC และ DTC หลักตอบสนองความต้องการการใช้งานที่แตกต่างกัน: FOC แปลงกระแสสามเฟสเป็นพิกัด d/q ผ่านการแปลง Park/Clark ควบคุมกระแสกระตุ้นและแรงบิดอย่างอิสระเพื่อการกระเพื่อมต่ำ ความแม่นยำสูง และการควบคุมความเร็วที่ราบรื่น

DTC ควบคุมแรงบิดและฟลักซ์โดยตรงผ่านการเลือกเวกเตอร์แรงดันไฟฟ้า ซึ่งมีการตอบสนองที่รวดเร็วและอัลกอริธึมที่ไม่ซับซ้อน MPC ที่เกิดขึ้นใหม่และการควบคุมแบบปรับได้จะปรับให้เข้ากับสภาวะที่ซับซ้อน MPC คาดการณ์สถานะของมอเตอร์ผ่านแบบจำลองทางคณิตศาสตร์เพื่อปรับสัญญาณควบคุมให้เหมาะสมแบบเรียลไทม์ จัดการกับข้อจำกัดหลายประการ การควบคุมแบบปรับได้จะปรับพารามิเตอร์แบบไดนามิกตามอุณหภูมิและการเปลี่ยนแปลงโหลด

กลยุทธ์ที่บูรณาการกับ AI (โครงข่ายประสาทเทียม การควบคุมแบบคลุมเครือ การเรียนรู้การเสริมกำลัง) แก้ปัญหาข้อจำกัดในการสร้างแบบจำลองแบบดั้งเดิม: โครงข่ายประสาทเทียมประมาณความสัมพันธ์แบบไม่เป็นเชิงเส้น การควบคุมแบบคลุมเครือจัดการกับความไม่แน่นอน และการเรียนรู้แบบเสริมกำลังทำให้สามารถปรับตัวเองให้เหมาะสมที่สุดได้

IV. ลักษณะและการจำแนกประเภทของ PMSM

(I) ลักษณะสำคัญ

ข้อดีและข้อจำกัดหลักของ PMSM จะกำหนดขอบเขตการใช้งาน ข้อดีได้แก่: ประสิทธิภาพสูง (ประสิทธิภาพพิกัด >95%, สูงถึง 98% สำหรับรุ่นระดับไฮเอนด์) ประหยัดพลังงาน 5-10% เมื่อเทียบกับมอเตอร์เหนี่ยวนำในการทำงานระยะยาว; ความหนาแน่นของพลังงานสูง (สูงกว่ามอเตอร์เหนี่ยวนำ 20-30%) ทำให้มีการออกแบบที่เล็กและเบากว่าสำหรับสถานการณ์ที่มีพื้นที่จำกัด เช่น NEV และโดรน

ข้อดีเพิ่มเติมคือประสิทธิภาพไดนามิกที่ยอดเยี่ยมสำหรับการควบคุมที่แม่นยำ และช่วงความเร็วที่กว้าง ปรับให้เข้ากับสภาวะความเร็วต่ำที่มีแรงบิดต่ำและแรงบิดสูง

ข้อจำกัดยังคงมีอยู่: ต้นทุนสูง เสถียรภาพทางความร้อนต่ำ (NdFeB ลดอำนาจแม่เหล็กที่สูงกว่า 150°C) การควบคุมที่ซับซ้อน (ต้องใช้ส่วนประกอบระดับไฮเอนด์และอัลกอริธึมระดับมืออาชีพ) และความอ่อนแอต่อสนามแม่เหล็กภายนอก (ความเสี่ยงของการล้างอำนาจแม่เหล็ก)

(II) การจำแนกประเภท

การจำแนกประเภท PMSM ขึ้นอยู่กับเกณฑ์หลายข้อ โดยแต่ละเกณฑ์จะสอดคล้องกับสถานการณ์การใช้งานเฉพาะ ตามโครงสร้างโรเตอร์: SPMSM (เครื่องใช้ในครัวเรือนราคาประหยัดและใช้พลังงานต่ำ), IPMSM (NEV, ระบบเซอร์โว) และ AFPMSM (ความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้นสำหรับยานพาหนะไฟฟ้าและกังหันลม) ตามระดับพลังงาน: PMSM ขนาดเล็ก (<1kW สำหรับเครื่องใช้ไฟฟ้าขนาดเล็กและโดรน), PMSM กำลังปานกลาง (1-100kW สำหรับระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมและตัวช่วย NEV) และ PMSM กำลังสูง (>100kW สำหรับการขับเคลื่อนเรือและกังหันลมขนาดใหญ่)

ด้วยวัสดุแม่เหล็ก: NdFeB, SmCo และปราศจากธาตุหายาก ตามการใช้งาน: ยานยนต์ อุตสาหกรรม การบินและอวกาศ ครัวเรือน และพลังงาน

การจำแนกประเภทแต่ละประเภทได้รับการปรับให้เหมาะสมกับสภาพการทำงานเฉพาะ ทำให้มั่นใจได้ว่า PMSM สามารถปรับเปลี่ยนได้ในสถานการณ์ทางอุตสาหกรรมที่หลากหลาย

V. ความท้าทายที่มีอยู่และเส้นทางการพัฒนา

(I) ความท้าทายที่สำคัญ

แม้จะมีการพัฒนาอย่างรวดเร็ว PMSM ต้องเผชิญกับความท้าทายหลักสี่ประการ ประการแรก การพึ่งพาทรัพยากรจากธาตุหายาก: NdFeB อาศัยนีโอไดเมียม พราซีโอไดเมียม และดิสโพรเซียม โดยมีปริมาณสำรองที่จำกัดและความผันผวนของราคาที่คุกคามเสถียรภาพของห่วงโซ่อุปทานและการควบคุมต้นทุน ประการที่สอง ความเสี่ยงในการล้างอำนาจแม่เหล็กที่อุณหภูมิสูง: อุณหภูมิ Curie ของ NdFeB และอุณหภูมิการล้างอำนาจแม่เหล็กต่ำจำกัดการใช้งานในสภาพแวดล้อมที่มีกำลังไฟสูง/อุณหภูมิสูง ในขณะที่ต้นทุนที่สูงของ SmCo จำกัดการใช้งานขนาดใหญ่

ประการที่สาม การขาดเทคโนโลยีหลักที่เป็นอิสระ: การพึ่งพาในประเทศในการนำเข้าวัสดุระดับไฮเอนด์, SiC MOSFET และซอฟต์แวร์การจำลองทำให้ความสามารถในการแข่งขันหลักอ่อนแอลง การพึ่งพาอาศัยกันนี้เป็นอุปสรรคต่อความเป็นอิสระและความสามารถในการปรับขนาดของห่วงโซ่อุตสาหกรรม

ประการที่สี่ ความน่าเชื่อถือในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง: อุณหภูมิ ความชื้น และการสั่นสะเทือนที่สูงทำให้เกิดความล้มเหลวของแม่เหล็ก ขดลวด และแบริ่ง โดยที่ค่าบำรุงรักษายังคงสูงสำหรับสถานการณ์ที่มีความต้องการสูง เช่น การบินและอวกาศและอุปกรณ์ใต้ทะเลลึก

(II) เส้นทางที่ก้าวหน้า

เส้นทางการพัฒนาที่เป็นเป้าหมายจะจัดการกับความท้าทายเหล่านี้ นวัตกรรมด้านวัสดุมุ่งเน้นไปที่แม่เหล็กที่มีธาตุต่ำ/ไม่หายาก (คอมโพสิตที่มีเฟอร์ไรต์ แม่เหล็ก Fe-Ni-Al โลหะผสมที่มีเอนโทรปีสูง) เพื่อลดการพึ่งพาทรัพยากร ในขณะที่การดัดแปลงแม่เหล็ก (เพิ่มดิสโพรเซียม/เทอร์เบียม) และการเคลือบ (อลูมิเนียมออกไซด์ ไทเทเนียมไนไตรด์) ช่วยเพิ่มเสถียรภาพทางความร้อน

การอัพเกรดทางเทคโนโลยีประกอบด้วยการระบายความร้อนขั้นสูงเพื่อลดความเสี่ยงในการล้างอำนาจแม่เหล็ก การบูรณาการระบบดิจิทัลคู่เพื่อการบำรุงรักษาเชิงคาดการณ์ และการวิจัยและพัฒนาอิสระของเครื่องมือจำลองและชิปควบคุมเพื่อทำลายการผูกขาดจากต่างประเทศ การอัพเกรดเหล่านี้จัดการกับปัญหาคอขวดด้านประสิทธิภาพและการทำงานได้โดยตรง

การเพิ่มประสิทธิภาพห่วงโซ่อุตสาหกรรมสร้างระบบนิเวศที่สมบูรณ์ ส่งเสริมการรีไซเคิลแร่หายากผ่านโลหะวิทยาไฮโดรเมทัลโลหการ/ไพโรโลหะวิทยา และเสริมสร้างความร่วมมือด้านการวิจัยระหว่างอุตสาหกรรม มหาวิทยาลัย และการวิจัย เพื่อเร่งการนำเทคโนโลยีไปสู่เชิงพาณิชย์

วี. แนวโน้มการพัฒนาในอนาคต

ด้วยการขับเคลื่อนด้วยเทคโนโลยี ความต้องการของตลาด และนโยบาย PMSM จะพัฒนาในหกทิศทางหลัก

การบูรณาการที่มีประสิทธิภาพสูง: การบูรณาการมอเตอร์ อินเวอร์เตอร์ ตัวลด ตัวควบคุม และเซ็นเซอร์จะช่วยลดปริมาตร/น้ำหนักได้ 15-20% และเพิ่มประสิทธิภาพได้ 5-8% ด้วยการเพิ่มประสิทธิภาพโทโพโลยี (AFPMSM) และการอัพเกรดวัสดุโดยมีเป้าหมายอยู่ที่ 5kW/kg ความหนาแน่นของพลังงาน และ >96% ประสิทธิภาพเต็มรอบ

ต้นทุนต่ำที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม: อุตสาหกรรมวัสดุที่ไม่ใช่แร่หายากและการรีไซเคิลแร่หายากช่วยลดต้นทุน ในขณะที่การผลิตที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมช่วยลดการปล่อยก๊าซคาร์บอน

ความสามารถในการปรับตัวในอุณหภูมิสูง: เทคโนโลยีการทำความเย็นและแม่เหล็กที่ได้รับการปรับปรุงให้เหมาะสม ช่วยให้สามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิ 200°C+ ขยายการใช้งานในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศและอุตสาหกรรมที่มีอุณหภูมิสูง

ระบบอัจฉริยะ/เครือข่าย: เซ็นเซอร์ IoT+AI+หลายมิติช่วยให้ตรวจสอบแบบเรียลไทม์ การบำรุงรักษาเชิงคาดการณ์ และการเพิ่มประสิทธิภาพการควบคุมแบบไดนามิก ช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือในการปฏิบัติงาน

น้ำหนักเบาความเร็วสูง: โรเตอร์คาร์บอนไฟเบอร์และแบริ่งเซรามิกมีความเร็วมากกว่า 30,000 รอบต่อนาที โดย AFPMSM จะลดระดับเสียงสำหรับการใช้งานด้านการบิน/ทางการแพทย์

การปรับแต่ง: การเพิ่มประสิทธิภาพเฉพาะสาขาช่วยเพิ่มความสามารถในการแข่งขันในตลาดและความสามารถในการปรับเปลี่ยนสถานการณ์

ปกเกล้าเจ้าอยู่หัว วิธีการออกแบบ PMSM

การออกแบบ PMSM เป็นโครงการที่เป็นระบบซึ่งผสมผสานการวิเคราะห์ทางทฤษฎี การเพิ่มประสิทธิภาพการจำลอง การตรวจสอบการทดลอง และการพิจารณาด้านอุตสาหกรรม วิธีการเชิงประจักษ์แบบดั้งเดิมนั้นไม่มีประสิทธิภาพและไม่ถูกต้อง ไม่เหมาะสมสำหรับข้อกำหนดที่มีประสิทธิภาพสูง

การออกแบบที่ทันสมัยใช้เครื่องมือ CAD/CAE แบบกำหนดพารามิเตอร์เพื่อสร้างแบบจำลองที่ปรับได้ และลดรอบการออกแบบให้สั้นลง การเพิ่มประสิทธิภาพแบบหลายวัตถุประสงค์ทำให้ประสิทธิภาพ ความหนาแน่นของแรงบิด ต้นทุน เสียง และความสามารถในการผลิตสมดุลกัน—การปรับขนาดแม่เหล็กให้เหมาะสมเพื่อลดต้นทุน การจับคู่ช่องสล็อตเพื่อลดเสียงรบกวน และการพันขดลวดเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิต

การออกแบบการควบคุมมอเตอร์แบบรวมประสานโทโพโลยีและอัลกอริธึมเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของระบบให้สูงสุด การตรวจสอบเชิงทดลองจะตรวจสอบความถูกต้องของการออกแบบ ด้วยวงจร "การออกแบบ-จำลอง-การทดลอง" ซ้ำๆ เพื่อให้มั่นใจว่าสอดคล้องกับความต้องการของแอปพลิเคชัน ความสามารถในการผลิตและการควบคุมต้นทุนได้รับการจัดลำดับความสำคัญผ่านการลดความซับซ้อนของโครงสร้างและกระบวนการที่ครบกำหนด

บทสรุป

PMSM มีบทบาทสำคัญในเป้าหมายการใช้พลังงานไฟฟ้าและความเป็นกลางทางคาร์บอนทั่วโลก ด้วยความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องในด้านวัสดุแม่เหล็กถาวร การออกแบบโครงสร้าง การจำลอง และเทคโนโลยีการควบคุม PMSM จะกลายเป็นมีประสิทธิภาพ เชื่อถือได้ และคุ้มทุนมากขึ้น โดยขยายขอบเขตการเข้าถึงใน NEVs การบินและอวกาศ ระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม และภาคพลังงาน

ในขณะที่ความท้าทายต่างๆ เช่น การพึ่งพาธาตุหายากและความไม่เสถียรทางความร้อนยังคงมีอยู่ เส้นทางการพัฒนาที่ชัดเจน—ผ่านนวัตกรรมวัสดุ การอัพเกรดทางเทคโนโลยี และการเพิ่มประสิทธิภาพห่วงโซ่อุตสาหกรรม—กำลังเกิดขึ้น PMSM ในอนาคตจะขับเคลื่อนการเปลี่ยนแปลงด้านพลังงานและการยกระดับอุตสาหกรรม พัฒนาไปสู่การบูรณาการ การสร้างสีเขียว ความชาญฉลาด และการปรับแต่ง

สำหรับมืออาชีพในอุตสาหกรรม การมุ่งเน้นไปที่ปัญหาคอขวดหลัก การเสริมสร้างความร่วมมือแบบสหวิทยาการ และการเร่งดำเนินการด้านเทคโนโลยีเชิงพาณิชย์ จะช่วยปลดล็อกศักยภาพสูงสุดของ PMSM ซึ่งมีส่วนช่วยในการพัฒนาสังคมไฟฟ้าที่ยั่งยืน