电机学
当前我国电机行业现状及发展趋势综述
摘要:本文主要介绍了电机,分析知网论文数量后,就永磁同步电机进行了具体的介绍与分析,介绍了永磁同步电机的电机结构,分析了永磁同步电机的应用领域(新能源汽车行业)和电机优点。同时对于电机行业进行了分析,研究了电机国内市场规模的历年变化过程,新能源领域的发展前景与现状和国内与国际的差异。
关键词:电机 行业分析 永磁同步电机
电机介绍
电机是一种通过电磁感应定律,将电能转化为动能或者将动能转化为电能的设备。在本文中,我所主要介绍的都是工业用的电机。
电动机的应用:电动机从电系统吸收电能,向机械系统输出机械能,作为驱动各种机械设备的动力;发电机从机械系统吸收机械能,向电系统输出电能。
电机的分类
从电机的功能分类
从电机的类型分类
电动机应用广泛,目前电动机重要的七大应用领域:
- 1、电气伺服传动领域
- 2、信息处理领域: 如硬盘驱动器、光盘驱动器
- 3、交通运输领域: 如直线电动机用于磁悬浮列车、地铁列车的驱动。
- 4、家用电器领域
- 5、消费电子领域: 如电唱机、录音机,手机马达
- 6、国防领域: 如鱼雷舵机
- 7、特殊用途领域: 一些特殊领域应用的各种飞行器、探测器、自动化装备、医疗设备等
目前主要研究电机介绍
对近两年来知网上的论文做一个统计,就关键词出现的频率而言,365篇论文关于控制器,367篇论文包含永磁同步电机,335篇关于步进电机,204篇论文关于伺服电机。
那么我们能得出一个初略的结论,目前永磁同步电机是电机领域的研究热点。
永磁同步电机的介绍
永磁同步电动机一般由:定子,转子,端盖等部件组成。永磁同步电机相较于同步电机,最大的区别就是在于转子使用了永磁体
定子绕组,围绕着定子铁芯进行环绕,通过控制定子绕组的输入电流的频率,可以控制磁场旋转频率,进而控制转速。如下图:
转子上面放有永磁体,根据永磁体的摆放位置不同,分为凸出式永磁转子,内埋式永磁转子。如下图:
永磁同步电机工作方式
永磁同步电动机不能直接通三相交流的起动,因转子惯量大,磁场旋转太快,静止的转子根本无法跟随磁场启动旋转。所以一般有两种启动方式:一种是通过变频调速器控制电机达到同步,一种是通过异步起动方式来达到同步。
变频调速器方式:永磁同步电动机的电源采用变频调速器提供,通过慢慢增加电子磁场的旋转速度,让转子启动。
异步起动方式:永磁转子上加装笼型绕组,以此来达到异步电机类似的启动方式。
研究介绍
这里介绍一下学者们的研究内容:学者在永磁同步电机方面,继续在探索和修改永磁同步电机的电机结构,研究了螺旋式、组合式和磁耦合式。
同时在永磁同步电机的控制领域做了大量的研究,之前提到的365篇关于控制的论文中,189篇都是关于永磁同步电机,如:永磁同步电机的改进模型预测直接转矩控制,永磁同步电机调速系统非线性自抗扰控制器设计与参数整定,基于占空比调制的永磁同步电机预测电流控制。
永磁同步电机主要应用
前面我们发现关于永磁同步电机的的研究非常火热,这其实与它的主要应用领域有着直接关系。据高工产研统计,早在2018 年电动车电机市场中永磁同步电机占比高达 91.4%,而交流异步电机及其他电机占比不足 10%,永磁同步电机占据绝对市场优势。最新的数据还没出来,但这数据也已经说明了永磁同步电机的火热。
永磁同步电机的市场优势与它的特点有直接关系。
1、节能、效率高
a、由于永磁同步电机的磁场是由永磁体产生的,从而避免通过励磁电流来产生磁场而导致的励磁损耗(铜耗);
b、永磁同步电机的外特性效率曲线相比异步电机,其在轻载时效率值要高很多,这是永磁同步电机在节能方面,相比异步电机最大的一个优势。因为通常电机在驱动负载时,很少情况是在满功率运行,这样就导致电机通常工作在轻载区。对异步电机来讲,其在轻载时效率很低,而永磁同步电机在轻载区,仍能保持较高的效率,其效率要高于异步电机20%以上。
2、小体积与轻量化
a:永磁同步电机功率因数高低不受电机极数的限制,在电机配套系统允许的情况下,可以将电机的极数设计的更高,相应电机的体积可以做得更小。
b:电机效率的增高,相应地损耗降低,电机温升减小,则在采用相同绝缘等级的情况下,电机的体积可以设计的更小。
c:电机结构的灵活性,可以省去电机内许多无效部分,如绕组端部,转子端环等,相应体积可以更小。
电机行业分析
国内市场
2000-2011年随着国民经济的快速发展电机行业增长较快,年均增速约30%,2012-2015年进入平稳期,增速有所回落,2016-2018年是下行期,电机市场规模呈现负增长,2019年以来随着制造业复苏以及工业自动化的大趋势,电机市场增速实现较快回升,尽管2020年上半年受到疫情影响,但下半年以来经济复苏强劲,全年规模以上电动机销售收入逆势同增37%,当然这也包含风电抢装的因素,如下图:
全球电动化,全球低碳化的不断促进,新能源车驱动电机市场前景广阔,全球电动化趋势明确,欧洲碳排政策保持力度,多国开始进行碳限制,而中国决定在2030年实现的全国碳中和意味着我们要进一步投入新能源汽车行业,国内新能源车市场也将持续扩容,全球电动化将带来新能源车驱动电机市场需求的高速增长,是电机行业新的重要增长点。截至2021年5月底,据中国汽车工业协会,我国新能源汽车保有量约580万辆,约占全球新能源汽车总量的50%。
国际与国内
在2020年国内外市场对比如图:
但就伺服电机领域这一块,我国市场仍然大多被国外企业占据。
我国伺服市场近70%的市场份额由外资品牌占据的市场份额。主要来自日本和欧美品牌,包括安川、松下、三菱、台达、西门子、博士力世乐、施耐德、富士等,其中日系品牌合计占据37%的市场份额,国内以电机为主营业务的上市公司技术水平与国外仍有一定差距,主要参与中低端市场,但也不乏研发实力较强,技术持续进步,逐渐在高端市场形成国产替代的企业,我国本土品牌主要有汇川、广州数控、登奇、米格、埃斯顿。
参考文献
[1]刘佳敏,葛召炎,吴轩,吴公平,肖伸平,黄科元.基于占空比调制的永磁同步电机预测电流控制[J].中国电机工程学报,2020,40(10):3319-3328.DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.190897.
[2]孙斌,王海霞,苏涛,盛春阳,吕潇然.永磁同步电机调速系统非线性自抗扰控制器设计与参数整定[J].中国电机工程学报,2020,40(20):6715-6726.DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.200018.
[3]刘珅,高琳.永磁同步电机的改进模型预测直接转矩控制[J].电机与控制学报,2020,24(01):10-17.DOI:10.15938/j.emc.2020.01.002.
[4]刘向东,马同凯,赵静.定子无铁心轴向磁通永磁同步电机研究进展综述[J].中国电机工程学报,2020,40(01):257-273+392.DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.190991.
[5]马建,刘晓东,陈轶嵩,汪贵平,赵轩,贺伊琳,许世维,张凯,张一西.中国新能源汽车产业与技术发展现状及对策[J].中国公路学报,2018,31(08):1-19.
[6]夏长亮,方红伟.永磁无刷直流电机及其控制[J].电工技术学报,2012,27(03):25-34.DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.2012.03.003.