Практическое руководство | Тенденции развития отрасли аксиальных электродвигателей 

2.Типичные области применения

2.1 Транспортные средства на новых источниках энергии

Новые энергетические транспортные средства являются одним из важнейших рынков применения двигателей с осевым потоком. Двигатели с осевым потоком обладают такими преимуществами, как малый вес, компактный размер, низкое энергопотребление и высокая плотность крутящего момента, что делает их очень подходящими в качестве приводных агрегатов для электромобилей, особенно в распределенных электроприводных системах, таких как двигатели на колесной стороне и двигатели в ступице. Их плоские и сверхтонкие характеристики позволяют более компактно интегрировать двигатель в шасси транспортного средства, тем самым освобождая больше места для аккумуляторной батареи или пассажирского салона и помогая уменьшить неподрессоренную массу транспортного средства и улучшить управляемость и комфорт езды. Например, компания Dongfeng Motor выпустила первый прототип узла электропривода с распределенным осевым потоком, который глубоко интегрирует двойной планетарный ряд, двигатель с двойным осевым потоком и двойной контроллер двигателя, и может управлять каждым силовым агрегатом независимо. Ожидается, что в будущем он найдет широкое применение в системах привода электромобилей [1]. Такие компании, как Panhu Power, также активно внедряют свои инновационные решения в области электропривода на основе технологии двигателей с осевым потоком, что позволило значительно сократить расходы на приобретение и эксплуатацию в сфере коммерческого транспорта [2].

2.2 Аэрокосмическая промышленность

В аэрокосмической отрасли двигатели с осевым потоком стали идеальным выбором для новых летательных аппаратов, таких как электрические самолеты и электрические самолеты вертикального взлета и посадки (eVTOL), благодаря своей высокой удельной мощности, малому весу и компактности. Например, электрический самолет «Spirit of Innovation», разработанный Rolls-Royce Holdings, использует двигатель с осевым потоком в своей силовой системе, установив рекорд скорости полета для чисто электрических самолетов [3]. Двигатели с осевым потоком могут соответствовать строгим требованиям к соотношению мощности к массе, предъявляемым к авиадвигателям, обеспечивая ключевую техническую поддержку будущей электрификации авиации.

2.3 Робототехника и промышленная автоматизация

Высокоточные роботы и системы промышленной автоматизации предъявляют чрезвычайно высокие требования к двигателям приводов сочленений, включая быстродействие, высокое отношение пускового момента к моменту инерции, малые габариты, малый вес и малые осевые размеры. Двигатели с осевым потоком, обеспечивающие высокий пиковый крутящий момент и высокую скорость отклика при толщине менее миллиметра, идеально соответствуют этим требованиям. Например, Genesis Robotics использует решение с осевым двигателем LiveDrive, компактная толщина которого (2 см) помогает смягчить ударные нагрузки на сочленения при контакте ног робота с землей. В связи с быстрым ростом рынка мобильных и гуманоидных роботов, двигатели с осевым потоком имеют многообещающее будущее в этой области.

2.4 Другие приложения

Помимо основных областей, упомянутых выше, двигатели с осевым потоком также демонстрируют потенциал применения в различных областях, таких как ветроэнергетика, морские двигательные установки, электромотоциклы, аэродромные капсулы и грузовые автомобили. Например, в ветроэнергетике двухстаторные однороторные двигатели с осевым потоком подходят благодаря своей превосходной симметрии; в морских двигательных установках многостаторные многороторные конструкции подходят для условий с высоким крутящим моментом. Их высокая эффективность и энергосберегающие характеристики делают их перспективными в различном промышленном и гражданском оборудовании, где приоритет отдается энергоэффективности и миниатюризации.

3.Производственные затраты и экономические выгоды

По сравнению с традиционными двигателями с радиальным потоком двигатели с осевым потоком имеют следующие характеристики с точки зрения стоимости производства и экономических преимуществ: Стоимость материала: при тех же требованиях к выходной мощности/крутящему моменту новый двигатель с осевым потоком использует меньше меди, железа и постоянных магнитов, чем традиционный радиальный двигатель, что теоретически снижает стоимость материала. Например, ускоряется процесс локализации редкоземельных постоянных магнитных материалов (таких как магниты из неодима-железа-бора). Ожидается, что к 2026 году уровень проникновения на рынок отечественных магнитов из неодима-железа-бора увеличится до 75%, что значительно снизит стоимость производства двигателей[8]. Стоимость производства: хотя первоначальные инвестиции в двигатели с осевым потоком высоки, их долгосрочные эксплуатационные расходы низки, что может принести лучшие экономические преимущества. Однако процесс производства двигателей с осевым потоком сложен, предъявляет высокие требования к точности и незрелое производственное оборудование. Эти факторы в некоторой степени увеличили стоимость производства. Например, аморфные сплавы имеют очевидные преимущества в области высокоскоростных и высокочастотных двигателей с осевым потоком, а процесс формирования их обмоток может снизить затраты на обработку[9].

Преимущества эффективности: двигатели с осевым потоком обладают более высокой мощностью и плотностью крутящего момента, а также более высоким КПД. Это означает, что при той же производительности двигатели с осевым потоком могут быть меньше и легче, тем самым снижая вес и энергопотребление всего транспортного средства или оборудования, что приводит к значительной экономии энергии. Например, применение двигателей-ступиц в системах привода колес автобусов не только снижает закупочные расходы, но и значительно снижает эксплуатационные расходы. Возврат инвестиций: по мере развития технологии и крупномасштабного производства ожидается дальнейшее снижение стоимости двигателей с осевым потоком. Их высокая эффективность и компактность позволят им добиться более высокой окупаемости инвестиций в таких высокодоходных секторах, как электромобили и аэрокосмическая промышленность. Например, компания Dongmu New Materials Group Co., Ltd. построила производственный цех для двигателей с осевым потоком площадью 1000 квадратных метров и наладила производственные линии, демонстрируя уверенность отрасли в будущих инвестициях.

4.Соображения относительно масштаба инвестиций

Инвестиции в отрасль двигателей с аксиальным потоком требуют рассмотрения следующих аспектов: Инвестиции в НИОКР: Технология двигателей с аксиальным потоком все еще находится в стадии быстрого развития, требуя постоянных инвестиций в НИОКР для преодоления технологических барьеров, таких как управление тепловым режимом, сложность материалов и процесса. Компании с основными технологиями и патентами будут более конкурентоспособными. Строительство производственной линии: Производство двигателей с аксиальным потоком предъявляет высокие требования к оборудованию и процессам, а создание крупномасштабных производственных линий требует значительных капиталовложений. Например, Dongmu New Materials Group инвестировала в строительство производственного цеха для двигателей с аксиальным потоком площадью 1000 квадратных метров. Интеграция цепочки поставок: Цепочка поставок двигателей с аксиальным потоком включает в себя множество звеньев, включая материалы, компоненты и производственное оборудование. Инвесторам необходимо рассмотреть, как интегрировать ресурсы цепочки поставок, чтобы снизить производственные затраты и повысить эффективность.

Расширение сферы применения: Хотя электромобили являются основной областью применения двигателей с аксиальным потоком, их потенциал применения в аэрокосмической технике, робототехнике и промышленной автоматизации также огромен. Расширение сферы применения помогает снизить риски и повысить окупаемость инвестиций.

5.Оценка отраслевых рисков и возможностей

Хотя отрасль аксиальных электродвигателей развивается быстрыми темпами, она также сталкивается с некоторыми существенными рисками и проблемами, но в то же время она таит в себе огромные возможности для развития.

5.1 Отраслевые риски

Высокие технические барьеры и сложность производства: Проектирование и производство аксиальных двигателей требуют сложных электромагнитных расчетов, 3D-моделирования и строгого контроля материалов и технологических процессов. Например, необходимо поддерживать равномерный воздушный зазор между ротором и статором, а осевая сила во время работы может вызывать значительные напряжения на валу двигателя. Производственный процесс и механическое оборудование не так совершенны, как у радиальных двигателей, что ограничивает возможности массового производства. Основными проблемами, с которыми приходится сталкиваться в настоящее время, являются отсутствие накопления научных данных и незрелое производственное оборудование. Проблема рассеивания тепла: аксиальные двигатели обычно имеют компактную структуру типа «сэндвич», с обмотками, расположенными глубоко в статоре и между двумя дисками ротора, что существенно затрудняет рассеивание тепла. Под высокой нагрузкой двигатель склонен к перегреву, что влияет на производительность и срок службы. Кроме того, магниты расположены внутри двигателя, что еще хуже сказывается на теплоотводе. Чрезмерная температура приведет к большему риску размагничивания магнитов, что повлияет на безопасность работы двигателя [12]. Решение проблемы рассеивания тепла требует использования новых методов рассеивания тепла, таких как охлаждение маслом погружения, охлаждение композитным маслом и водой, охлаждение жидким азотом и охлаждение материалами с фазовым переходом, а также проектирование чрезвычайно сложных охлаждающих и герметизирующих структур. Высокие материальные и производственные затраты: для двигателей с осевым потоком требуются специальные материалы (такие как немагнитные, непроводящие и высокопрочные композитные материалы, а также листовой формовочный компаунд (SMC) с высокой проницаемостью и низкими потерями) и передовые производственные процессы (такие как медные провода прямоугольного сечения, спиральные концентрированные обмотки, многополюсные намоточные процессы). Эти новые материалы и процессы приводят к производственным затратам, которые обычно выше, чем у традиционных двигателей с радиальным потоком, а степень индустриализации низкая, с высокой неопределенностью в стоимости [4].

Принятие рынком и ограничения крупномасштабного применения: Несмотря на многочисленные преимущества двигателей с осевым потоком, крупномасштабное применение пока не достигнуто. Это связано с высокими издержками производства, сложными техническими требованиями и принятием рынком новых технологий. Крупномасштабное применение станет возможным только после повышения технологической зрелости и снижения производственных издержек. Неполная цепочка поставок: Поскольку отрасль все еще находится на ранних стадиях развития, цепочка поставок двигателей с осевым потоком неполна, а некоторые ключевые материалы и производственное оборудование труднодоступны, что может повлиять на эффективность производства и контроль затрат. Риски, связанные с политикой и колебаниями рынка: Развитие отрасли существенно зависит от политических указаний и рыночного спроса. Например, изменения в политике субсидирования транспортных средств на новых источниках энергии и колебания цен на сырье могут внести неопределенность в развитие отрасли.

5.2 Возможности отрасли

Значительные технологические преимущества и широкие перспективы применения: аксиальные двигатели с аксиальным потоком, обладающие уникальными преимуществами, такими как высокая плотность мощности, высокий КПД, лёгкий вес и компактная конструкция, имеют широкие перспективы применения во многих высокотехнологичных областях. Особенно в условиях ограниченного пространства и веса, таких как электромобили, аэрокосмическая промышленность, робототехника, промышленная автоматика, ветроэнергетика и судостроение, аксиальные двигатели с аксиальным потоком могут обеспечить решения, которые трудно найти для традиционных радиальных двигателей.

Бурный рост рынка транспортных средств на новых источниках энергии: в связи с быстрым развитием мирового рынка транспортных средств на новых источниках энергии растёт спрос на высокопроизводительные и высокоэффективные двигатели. Двигатели с осевым потоком могут эффективно решать такие важные проблемы, как снижение веса, плотность крутящего момента и запас хода в сфере электромобилей, особенно в таких областях применения, как двигатели-ступицы, распределённые приводные системы и генераторы с увеличенным запасом хода, и, как ожидается, станут революционным решением для будущих систем привода электромобилей [1].

Огромный потенциал в аэрокосмической отрасли: новые летательные аппараты, такие как электросамолёты и самолёты вертикального взлёта и посадки (eVTOL), предъявляют чрезвычайно высокие требования к удельной мощности двигателя и лёгкости конструкции. Двигатели с осевым потоком могут соответствовать этим строгим требованиям; например, демонстрационный образец электросамолёта, разработанный Rolls-Royce Holdings, использует двигатель с осевым потоком, что свидетельствует о его огромном потенциале для развития в аэрокосмической отрасли.

Растущий спрос на робототехнику и промышленную автоматизацию: С развитием робототехники и промышленной автоматизации возникает высокий спрос на высокоточные, быстродействующие, компактные и лёгкие двигатели для приводов сочленений. Двигатели с осевым потоком обладают уникальными преимуществами в сочленениях роботов, коллаборативных роботах и других областях, обеспечивая высокопроизводительные решения.

Политика «двойного углеродного следа» стимулирует развитие отрасли: достижение глобальных целей «двойного углеродного следа» привело к росту спроса на лёгкие и высокоэнергетические компоненты в автомобильной промышленности. Двигатели с осевым потоком, обладающие преимуществами в области энергосбережения и снижения выбросов углерода, будут играть всё более важную роль в экологичном транспорте и промышленности, получая политическую поддержку и признание рынка.

Непрерывный технический прогресс и ускоренная индустриализация: несмотря на текущие технологические проблемы, растущие мировые инвестиции в исследования и разработки двигателей с осевым потоком, а также прорывы в новых материалах, процессах и технологиях постепенно преодолеют существующие трудности, ускорят индустриализацию двигателей с осевым потоком, снизят издержки производства и повысят конкурентоспособность на рынке.

Повышенное внимание со стороны рынка капитала: огромный рыночный потенциал двигателей с осевым потоком как новой технологии привлек широкое внимание со стороны рынка капитала, что обеспечит достаточную финансовую поддержку компаниям в отрасли и ускорит технологические исследования и разработки, а также расширение рынка.