Двигатели возбуждения (также известные как «двигатели с электрическим возбуждением») и двигатели с постоянными магнитами представляют собой два основных типа в области электродвигателей, классифицируемых на основе методов генерации магнитного поля. Между ними существуют существенные различия с точки зрения источников магнитного поля, конструктивного решения, эксплуатационных характеристик и применимых сценариев. Ниже представлен подробный сравнительный анализ по трем измерениям: основные характеристики, ключевые различия и применимые сценарии, чтобы помочь прояснить существенные различия и логику применения между ними.
1. Основная особенность: анализ основных свойств двух типов двигателей отдельно.
(1) Двигатель возбуждения (электрический двигатель возбуждения): «Внешний источник питания генерирует магнитное поле»
Магнитное поле двигателя возбуждения создается за счет подачи питания на обмотку возбуждения (катушку), а не за счет постоянных магнитов. Его основные особенности связаны с «регулируемым магнитным полем»:
Источник магнитного поля
Дополнительная «система возбуждения» (включая обмотку возбуждения, источник питания возбуждения, регулятор) необходима для создания электромагнитного поля в качестве основного магнитного поля двигателя путем пропускания постоянного тока в обмотку возбуждения ротора/статора.
01
Структурная сложность
Со стороны ротора обычно имеется обмотка возбуждения, для которой требуется передача внешнего источника питания и тока вращающейся обмотки через контактные кольца и угольные щетки (или бесщеточные конструкции возбуждения) (бесщеточные конструкции позволяют снизить износ, но конструкция более сложна); Для регулировки тока возбуждения необходим контроллер возбуждения.
02
Гибкость производительности
Силу магнитного поля можно точно регулировать, изменяя ток возбуждения, тем самым гибко контролируя скорость, крутящий момент и выходное напряжение двигателя (например, генератор может стабильно выдавать напряжение, а двигатель может регулировать скорость в широком диапазоне); Возбуждение можно динамически регулировать в соответствии с требованиями нагрузки для оптимизации эффективности в различных условиях эксплуатации (например, снижение тока возбуждения и минимизация потерь при небольших нагрузках).
03
Утрата и обслуживание
Имеются «потери возбуждения» (потери меди, вызванные включением обмотки возбуждения), а общий КПД немного ниже, чем у двигателей с постоянными магнитами той же мощности; Если используется конструкция угольной щетки с контактным кольцом, угольная щетка склонна к износу и требует регулярной замены и обслуживания, а также может генерировать искры (не подходит для взрывобезопасных-сценариев).
04
Стоимостные характеристики
Нет необходимости в материалах для постоянных магнитов, что позволяет избежать высокого риска колебаний цен на редкоземельные постоянные магниты, а преимущество в стоимости материалов моделей высокой-мощности (например, мегаваттного уровня) более очевидно; Однако из-за системы возбуждения и сложной конструкции общая стоимость моделей малой и средней мощности может быть выше, чем у двигателей с постоянными магнитами.
05
(2) Двигатель с постоянным магнитом: «Постоянные магниты имеют собственное магнитное поле».
Основное магнитное поле двигателя с постоянными магнитами создается постоянными магнитами, такими как неодим, железо, бор, самарий, кобальт и феррит, без необходимости внешнего тока возбуждения. Его основные особенности связаны с «структурным упрощением и эффективностью»:
①Источник магнитного поля:В зависимости от свойственного постоянным магнитам магнетизма (постоянные магниты сохраняют магнитное поле в течение длительного времени после намагничивания без необходимости дополнительного источника питания), основная напряженность магнитного поля определяется свойствами материала постоянных магнитов.
②Простота конструкции:На стороне ротора нет обмотки возбуждения, контактного кольца и угольной щетки (основным направлением является «синхронный двигатель с постоянными магнитами», а ротор содержит только постоянные магниты), что делает конструкцию более компактной, меньшей по размеру и легкой по весу; Никакой системы возбуждения не требуется, а система управления относительно проста (нужно регулировать только ток якоря, без регулировки возбуждения).
③Стабильность производительности:Отсутствие потерь на возбуждение, высокий рабочий КПД (особенно для моделей малой и средней мощности КПД на 5–15 % выше, чем у двигателей возбуждения тех же характеристик); Напряженность магнитного поля определяется собственными характеристиками постоянного магнита и не может регулироваться динамически (выход необходимо регулировать косвенно посредством векторного управления током якоря, а диапазон скоростей ограничивается стратегией управления); Существует риск размагничивания постоянного магнита: высокая температура, сильная вибрация и чрезмерный ток якоря могут вызвать магнитный распад или необратимое размагничивание постоянного магнита, влияя на срок службы двигателя.
④Износ и техническое обслуживание:Отсутствие проблем с износом угольных щеток, длительный цикл технического обслуживания (требуется только регулярный осмотр, нет необходимости часто заменять уязвимые детали); Потери в невозбуждаемой меди, потери в железе и механические потери являются основными источниками потерь, а преимущество в эффективности более существенно в условиях низкой-скоростной и легкой нагрузки.
⑤Стоимостные характеристики:Благодаря использованию редкоземельных материалов с постоянными магнитами (таких как неодим, железо, бор), стоимость материала составляет высокую долю (около 30% -50%), а колебания цен на редкоземельные элементы напрямую повлияют на стоимость двигателей; Упрощение конструкции снижает затраты на производство и сборку, а общая стоимость моделей малой и средней мощности (например, уровня кВт) может быть ниже, чем у двигателей возбуждения.
2. Сравнение ключевых отличий: четкая дифференциация в табличном формате.
| Сравнение размеров | Двигатель возбуждения (электрическое возбуждение) | Двигатель с постоянными магнитами (синхронный/асинхронный с постоянными магнитами) |
| Метод генерации магнитного поля | Обмотка возбуждения под напряжением (требуется внешний источник питания возбуждения) | Собственный магнетизм постоянных магнитов (после намагничивания не требуется питание) |
| Основная структура | Включая обмотку возбуждения, контактное кольцо/угольную щетку (или бесщеточное возбуждение), контроллер возбуждения. | Содержит постоянный магнит (ротор), без обмотки возбуждения и контактное кольцо/угольную щетку. |
| Регулировка магнитного поля | Возможна точная регулировка посредством тока возбуждения (гибкая) | Нерегулируемый (зависит от характеристик постоянного магнита, требует косвенной регулировки посредством векторного управления) |
| Уровень эффективности | Меньше (с потерями на возбуждение), выше эффективность в условиях работы с высокой-мощностью. | Высокий (без потерь на возбуждение), значительные преимущества при малой и средней мощности/малой нагрузке. |
| Требования к техническому обслуживанию | Высокая (угольная щетка требует регулярной замены, система возбуждения требует обслуживания) | Низкий (нет уязвимых частей, требуется только плановое обслуживание) |
| Структура затрат | Низкая стоимость материала (без постоянных магнитов), высокая стоимость конструкции/управления. | Высокая стоимость материала (редкоземельный постоянный магнит), низкая стоимость конструкции/управления. |
| Экологическая адаптивность | Конструкция контактного кольца склонна к искрению (не подходит для взрывобезопасных и пыльных сценариев). | Отсутствие риска искрения (применимо к взрывобезопасной и чистой среде) |
| Риск размагничивания | Нет (магнитное поле, создаваемое током, исчезает после отключения питания) | Да (высокая температура, сильная вибрация, перегрузка по току могут привести к размагничиванию постоянных магнитов) |
3. Применимый сценарий: выберите оптимальный выбор в зависимости от спроса.
(1) Двигатель возбуждения: подходит для требований «высокая мощность, сильное регулирование, низкая стоимость колебаний».
①Крупномасштабные системы производства электроэнергии, такие как тепловые/гидроэлектрические генераторы (уровень МВт) и ветряные турбины (асинхронные модели с двойным питанием), требуют стабильного выходного напряжения и могут адаптироваться к изменениям нагрузки в сети посредством регулирования возбуждения.
②Тяжелый промышленный привод: например, горнодобывающие дробилки, крупные сталелитейные заводы и судовые тяговые двигатели (высокая мощность, высокий крутящий момент, требующие регулирования скорости в широком диапазоне, а высокая доля редкоземельных элементов неэкономична).
③Сценарии низкого напряжения и сильного тока: например, двигатели постоянного тока в электролитической алюминиевой промышленности, которые могут точно контролировать крутящий момент посредством регулирования возбуждения и избегать риска размагничивания постоянных магнитов при высоких токах.
④Сценарии, которые чувствительны к затратам и не имеют ограничений по техническому обслуживанию, например, традиционные промышленные вентиляторы и водяные насосы (которые не требуют максимальной эффективности и допускают регулярное обслуживание угольных щеток).
(2) Двигатель с постоянным магнитом: подходит для нужд «высокая эффективность, низкие эксплуатационные расходы и компактное пространство».
①Привод транспортных средств на новой энергии: например, приводные двигатели для электромобилей и гибридных транспортных средств (требующие высокой удельной мощности, высокой эффективности, ограниченного пространства/веса и отсутствия требований к техническому обслуживанию).
②Промышленные сервосистемы: такие как соединения роботов, шпиндели прецизионных станков (требующие высокой-точной регулировки скорости, низкой вибрации, а также двигателей с постоянными магнитами с высокой отзывчивостью и низкими потерями).
③Бытовая/коммерческая техника: такая как компрессоры кондиционеров, двигатели стиральных машин, двигатели дронов (малой и средней мощности, высокая эффективность, может снизить потребление энергии, и пользователи не терпят технического обслуживания).
④Специальные экологические применения: например, медицинское оборудование (двигатели оборудования МРТ), взрывозащищенные двигатели для мастерских (без искр, низкие эксплуатационные расходы, подходят для чистых/опасных сред).
⑤Выработка низкой мощности из возобновляемых источников энергии, таких как небольшие фотоэлектрические инверторы и портативные генераторы (высокая эффективность может улучшить использование энергии, компактная конструкция проста в установке).
4.Резюме
(1) Выбор двигателя возбуждения:Когда требуется «высокая мощность, регулирование сильного магнитного поля и избежание рисков, связанных с затратами на редкоземельные элементы», и приемлемый определенный уровень обслуживания (например, в крупных-промышленных и энергетических отраслях), двигатель возбуждения является более практичным выбором.
(2) Выбор двигателей с постоянными магнитами:Когда требуется «высокая эффективность, низкие эксплуатационные расходы, небольшой размер/легкий вес», а устойчивость к колебаниям стоимости высока (например, в области новой энергетики, точного производства и бытовой техники), двигатели с постоянными магнитами имеют больше преимуществ.
Направление технологической итерации для обоих также ясно: двигатели возбуждения развиваются в сторону «бесщеточных» (сокращение обслуживания) и «эффективного управления возбуждением», в то время как двигатели с постоянными магнитами прорываются в сторону «редкоземельных материалов с постоянными магнитами» (снижение затрат) и «устойчивости к высоким температурам и размагничиванию» (повышение надежности).
