Двигатель, являясь основным устройством для преобразования электрической энергии в механическую, является сердцем современной промышленной системы. От бытовой техники до тяжёлого машиностроения, от транспорта до промышленных производственных линий – двигатели обеспечивают работу мировой экономики. Традиционные двигатели в основном используют принцип электромагнитной индукции для создания магнитного поля в обмотке посредством тока, приводящего ротор во вращение. Однако этот тип двигателя имеет очевидные недостатки в плане энергоэффективности: его работа зависит от постоянного тока возбуждения, а потери в обмотке ротора составляют 20–30% от общих потерь, что затрудняет преодоление «узкого места» в эффективности.

Согласно данным исследований, электродвигатели потребляют 45–50% всей электроэнергии, вырабатываемой в мире. В Китае годовое потребление электроэнергии промышленными двигателями достигает 60% от общего потребления электроэнергии всем обществом. Особенно серьёзным является то, что из-за конструктивных и материальных ограничений большое количество двигателей долгое время эксплуатируется неэффективно: статистика показывает, что около 46.3% двигателей имеют нагрузку менее 50%, а общий КПД системы, как правило, составляет менее 40%. За огромными потерями энергии скрывается острая необходимость в модернизации материалов и технологий.

Ключевым прорывом в области двигателей с постоянными магнитами является использование постоянных магнитов для замены токовой обмотки возбуждения, что позволяет полностью исключить потери в меди ротора и достичь качественного скачка в КПД двигателя. Среди всех видов материалов для постоянных магнитов редкоземельные материалы стали «душой» высокоэффективных двигателей высокого класса благодаря своим превосходным магнитным свойствам. Добавление этого типа материала не только значительно повышает КПД двигателя при полной нагрузке, но и сохраняет превосходный индекс мощности (произведение КПД и коэффициента мощности) при частичной нагрузке.

Мировой рынок редкоземельных постоянных магнитов переживает беспрецедентно быстрый рост. Согласно статистике QYR, объём продаж на мировом рынке в 12.52 году достиг 2024 млрд долларов США и, как ожидается, вырастет до 24.95 млрд долларов США к 2031 году. В сегменте материалов для постоянных магнитов для двигателей также наблюдается значительный рост: ожидается, что объём продаж достигнет 206.28 млрд юаней к 2031 году, что соответствует среднегодовому темпу роста 7.5%.

Применение редкоземельных постоянных магнитов в двигателях полностью изменило границы эффективности и удельной мощности двигателей. Его основная ценность отражена в трёх аспектах:

1 Революционное улучшение эффективности

КПД синхронных двигателей с постоянными магнитами на редкоземельных элементах при полной нагрузке в среднем на 5–8% выше, чем у традиционных асинхронных двигателей, а экономия электроэнергии у специальных моделей (например, насосных двигателей для нефтяных месторождений) может достигать 15–20%. Это преимущество обусловлено отсутствием потерь в обмотке ротора – около 20–30% общих потерь в асинхронных двигателях приходится на токи ротора. Двигатели с постоянными магнитами создают постоянное магнитное поле с помощью постоянных магнитов, что принципиально решает эту проблему.

2. Существенная оптимизация объема и веса

Благодаря сверхвысокому магнитному энергетическому продукту NdFeB двигатель может выдавать ту же мощность при значительно меньших габаритах. Последний опыт показывает, что привод с постоянными магнитами обеспечивает увеличение крутящего момента на 30% при уменьшении объёма на 50%. Эта особенность особенно важна в электромобилях и аэрокосмической отрасли. Например, разработанный во Франции бесщёточный двигатель для авиации мощностью 100 кВт весит всего 28 кг и имеет удельную мощность, более чем в три раза превышающую показатели традиционных двигателей.

3 Абсолютное преимущество при работе с малой нагрузкой

В реальных условиях эксплуатации большинство двигателей работают с частичной нагрузкой. Исследования показывают, что только 18.1% двигателей работают при нагрузке более 75%, а почти половина — при нагрузке менее 50%. КПД и коэффициент мощности традиционных асинхронных двигателей резко снижаются при небольшой нагрузке, в то время как двигатели с постоянными магнитами работают исключительно хорошо: при нагрузке 22% от номинальной их индекс мощности (КПД × коэффициент мощности) по-прежнему достигает 80%, в то время как у асинхронного двигателя он падает до 30% при нагрузке 25%. Такой широкий диапазон экономичности делает двигатели с постоянными магнитами незаменимым выбором в условиях переменной нагрузки, например, в кондиционерах с регулируемой частотой вращения и станках с ЧПУ.

Сценарии применения: от зеленой энергетики до интеллектуального оборудования

1. Транспортные средства на новой энергии: главное поле битвы тяговых двигателей

Будучи «сердцем» электромобилей, тяговые двигатели предъявляют чрезвычайно строгие требования к производительности. Высокопроизводительные магниты NdFeB могут повысить плотность крутящего момента и эффективность, напрямую увеличивая запас хода. В настоящее время на долю новых источников энергии приходится почти 12% мирового спроса на высокопроизводительные магниты NdFeB, и их использование в отдельных автомобилях продолжает расти.

2 Ветроэнергетика: «закулисный промоутер» чистой энергии

Ветрогенераторы с постоянными магнитами и прямым приводом не требуют редукторов и вырабатывают электроэнергию непосредственно за счёт воздействия постоянных магнитов на катушки ротора и статора. Такая конструкция снижает вероятность механических отказов и повышает надёжность морской ветроэнергетики. Одна ветрогенератор мощностью 6 МВт с прямым приводом потребляет около 1.2 тонны неодима-бора (NdFeB), а мировая установленная мощность ветроэнергетики, как ожидается, превысит 2,000 ГВт к 2030 году, что будет способствовать росту спроса на высококачественные магнитные материалы.

3. Энергосбережение в промышленности: инструмент трансформации для энергоемких производств

В системах с переменной нагрузкой, таких как насосы и вентиляторы, электродвигатели с регулируемой частотой вращения на основе редкоземельных постоянных магнитов демонстрируют огромный потенциал энергосбережения. Национальный обязательный стандарт GB18613-2020 устанавливает минимальный порог энергоэффективности IE3, побуждая компании отказываться от неэффективных двигателей.

4 новых сценария применения: роботы, высокотехнологичное оборудование и инновации в горнодобывающей промышленности

Двигатели с постоянными магнитами не требуют технического обслуживания, их срок службы составляет 100,000 50 часов, а расходы на техническое обслуживание снижаются на XNUMX%. Такие перспективные направления, как микродвигатели для гуманоидных роботов и прецизионные линейные двигатели для полупроводниковой техники, опираются на миниатюризацию и высокоточные характеристики неодим-железо-бора.

Интеграция редкоземельных материалов с постоянными магнитами и технологиями двигателей вышла за рамки простой модернизации компонентов и стала движущей силой глобальной «зелёной» трансформации промышленности. В рамках глобального консенсуса по цели «двойного углерода» двигатели с постоянными магнитами на основе редкоземельных материалов продолжат расширять границы своего применения и изменят каждый аспект энергетической отрасли — от производства до промышленного потребления.