Медные обмоточные материалы в электродвигательной и трансформаторной промышленности способствуют созданию более экологичного будущего

22 апреля на 20-й конференции и выставке медной промышленности CCIE 2025 SMM (Copper Industry Conference & Copper Industry Expo) и форуме по электроэнергетике, организованных компаниями SMM Information & Technology Co., Ltd., SMM Metal Trading Center и Shandong Aisi Information Technology Co., Ltd., при поддержке Jiangxi Copper Corporation и Yingtan Land Port Holdings Co., Ltd., специальным соорганизатором Shandong Humon Smelting Co., Ltd., а также соорганизаторами Xinhuang Group и Zhongtiaoshan Nonferrous Metals Group Co., Ltd., выступил с докладом на тему «Тенденции развития медных обмоточных материалов в двигательной и трансформаторной промышленности» Лиан Дун, главный представитель Пекинского офиса Международной медной ассоциации и руководитель проекта «Низкоуглеродное развитие»/старший инженер.

Введение в применение меди в электродвигателях и трансформаторах

Классификация и области применения проводниково-кабельной продукции

Области применения обмоточных проводов

Исследовательские тенденции в области медных сплавов для обмоточных проводов

Высокопроизводительные проводники: проводники с низким содержанием кислорода, высокой гибкостью, высокой прочностью и высокой электропроводностью.

Применение меди в электродвигателях и трансформаторах

Он привел примеры применения меди в электродвигателях и трансформаторах для иллюстрации своих тезисов.

Тенденции развития электродвигателей и трансформаторов

Глобальная тенденция к декарбонизации

• ЕС: к 2030 году сократить выбросы парниковых газов на 55% по сравнению с уровнем 1990 года и достичь углеродной нейтральности к 2050 году

• Япония: достичь углеродной нейтральности к 2050 году

• Великобритания: достичь нулевых выбросов к 2045 году и углеродной нейтральности к 2050 году

• Канада: достичь углеродной нейтральности к 2050 году

• Китай: достичь пика выбросов углерода к 2030 году и углеродной нейтральности к 2060 году

• По состоянию на сентябрь 2023 года более 150 стран взяли на себя обязательства по достижению углеродной нейтральности, охватывая более 80% глобальных выбросов CO2, ВВП и населения.

Процесс достижения пика выбросов углерода и углеродной нейтральности — это процесс электрификации и повторной электрификации всего общества.

Повторная электрификация требует дальнейшего повышения энергоэффективности на стороне спроса.

Процесс достижения пика выбросов углерода и углеродной нейтральности — это процесс электрификации и повторной электрификации всего общества; электрификация означает переход от традиционных источников энергии (таких как уголь и нефть) к электроэнергии; повторная электрификация включает в себя дальнейшую оптимизацию, такую как использование возобновляемых источников энергии для выработки электроэнергии или повышение эффективности электроэнергетической системы.

Эффективность различных приводных систем

Предполагаемая тепловая эффективность паровых машин в 1840 году составляла около 3%, в то время как более поздние конденсационные паровые машины достигали 8%, при этом максимальная тепловая эффективность паровых машин не превышала 20%. ⇒ Тепловая эффективность бензиновых двигателей в легковых автомобилях обычно ниже 40%, в то время как дизельные двигатели могут достигать 40-46%.

Электрические приводные системы имеют самую высокую эффективность, обычно выше 90% и могут превышать 95%.

Тепловая эффективность двигателей внутреннего сгорания

• Верхний предел тепловой эффективности двигателей внутреннего сгорания — это цикл Карно, то есть чем больше разница в температуре между высокотемпературным и низкотемпературным источниками тепла, тем выше тепловая эффективность;

• Для достижения 95% эффективности цикла Карно двигателю потребуется высокотемпературный источник тепла при 23 000°C;

• Цикл Карно — это идеальный процесс, и в реальности чем выше температура, тем сложнее достичь адиабатических условий, в результате чего фактическая эффективность намного ниже, чем в цикле Карно;

• Единственным методом привода с энергоэффективностью, превышающей 95% на практике, является система электродвигателей.

Направления развития высокоэффективных электродвигателей и трансформаторов

➢ «Руководящие указания по координации энергосбережения, сокращения выбросов углерода и рециклинга для ускорения обновления и трансформации ключевого продуктового оборудования»: к 2025 году доля высокоэффективных, энергосберегающих двигателей в эксплуатации (уровень эффективности 2 и выше) увеличится более чем на 5 процентных пунктов по сравнению с 2021 годом, а доля вновь добавленных высокоэффективных, энергосберегающих двигателей увеличится на 15 процентных пунктов по сравнению с 2021 годом, при этом доля высокоэффективных, энергосберегающих трансформаторов увеличится более чем на 10 процентных пунктов.

➢ «План действий по повышению энергоэффективности промышленности»: сосредоточить внимание на общем энергоемком оборудовании, таком как двигатели, трансформаторы и котлы, и постоянно проводить мероприятия по повышению энергоэффективности, увеличивая применение высокоэффективного энергоемкого оборудования.

➢ «План действий по энергосбережению и сокращению выбросов углерода на 2024-2025 годы»: к 2025 году доля высокоэффективных, энергосберегающих двигателей и высокоэффективных, энергосберегающих трансформаторов в эксплуатации увеличится более чем на 5 и 10 процентных пунктов соответственно.

➢ «Руководство по реализации обновления, трансформации и рециклинга двигателей (издание 2023 года)»: поощрять производителей двигателей к увеличению инноваций и повышению энергоэффективности, а также содействовать проверке предприятиями ключевых отраслей энергоэффективности и состояния технического обслуживания своего оборудования, обновляя и модернизируя двигатели с энергоэффективностью ниже начального уровня (уровень эффективности 3).

Глобальные тенденции в области высокоэффективных электродвигателей

Он представил подробное введение в тенденции развития высокоэффективных электродвигателей в различных странах мира.

Способы повышения эффективности электродвигателей

Увеличение использования эффективных материалов, снижение потерь в обмотках и железе; использование лучших магнитных материалов и технологических мер для снижения потерь в железе; уменьшение размера вентилятора для снижения потерь на вентиляцию; снижение потерь на пучения за счет конструктивных и технологических мер; применение компьютерного оптимизационного проектирования для снижения потерь и повышения эффективности; использование роторов с постоянными магнитами и медных роторов для снижения потерь в роторе; объединение информационных технологий и силовой электроники для повышения эффективности системы.

Новый тип электродвигателя – Двухроторный электродвигатель

Статор двухроторного двигателя расположен в середине, с одним ротором внутри статора и одним ротором снаружи статора.

• Внутренний и внешний роторы вращаются синхронно.

• Электромагнитные провода установлены на центральном статоре для создания магнитного поля.

• Основными преимуществами двухроторных двигателей являются их значительная эффективность и существенное снижение потребления материалов (в основном электротехнической стали).

Полостной кубковый электродвигатель

• Полостные кубковые двигатели названы так из-за конструкции их ротора. Ротор полостного кубкового двигателя отличается от традиционной конструкции двигателя, используя бессердечный ротор, представляющий собой полую кубковидную структуру с обмотками и магнитами внутри.

• Эта конструкция ротора полностью устраняет вихревые потери, вызванные сердечником, значительно снижая вес и момент инерции вращения, тем самым уменьшая механические потери энергии в самом роторе.

• В 1958 году DFFaumhaber в Германии разработал технологию наклонной обмотки, и после непрерывного развития и улучшения получил патент на технологию наклонной обмотки ротора полостного кубкового двигателя в 1965 году, ознаменовав рождение полостного кубкового двигателя.

• Полостные кубковые двигатели в основном используются в гибких суставах рук.

Требования к медным материалам в системах новых типов электродвигателей

► Полостной кубковый электродвигатель

• Требования к электропроводности: обмотки полостных кубковых двигателей обычно используют медную проволоку с высокой электропроводностью для снижения сопротивления и потерь энергии, повышая эффективность и производительность двигателя.

• Требования к прочности: хотя обмотки полостных кубковых двигателей в основном подчеркивают электропроводность, медная проволока также должна обладать определенным уровнем механической прочности, чтобы выдерживать электромагнитные силы и центробежные силы во время работы двигателя. Кроме того, такие компоненты, как коммутаторы и щетки, могут использовать медные сплавы, такие как серебро-медь и хром-цирконий-медь, которые сохраняют высокую электропроводность, обеспечивая при этом лучшую прочность и износостойкость, подходящие для частых контактов щеток и передачи тока.

► Двухроторный электродвигатель

• Требования к электропроводности: обмотки ротора двухроторных двигателей обычно используют медные материалы с высокой электропроводностью для снижения сопротивления обмотки, минимизации потерь энергии и повышения эффективности и плотности мощности двигателя. Отличная электропроводность меди эффективно проводит ток, обеспечивая нормальную работу двигателя.

• Требования к прочности: конструкция ротора двухроторных двигателей относительно сложна и должна выдерживать высокие механические нагрузки и электромагнитные силы. Поэтому медный материал должен обладать достаточной прочностью и вязкостью, чтобы обеспечить стабильность и надежность ротора при высокоскоростном вращении и изменении нагрузки. Некоторые высокопроизводительные двухроторные двигатели могут использовать медные сплавы, которые обеспечивают более высокую прочность и твердость при сохранении определенного уровня электропроводности.

Тенденции развития медных материалов

Высокоэффективные двигатели — медные плоские провода

В области электродвигателей для электромобилей плоские проводники в настоящее время являются основной формой обмоток двигателей.

По сравнению с круглыми проводами плоские провода способствуют увеличению коэффициента заполнения паза двигателей. Как правило, коэффициент заполнения паза двигателей с круглыми проводами составляет около 50%, в то время как у двигателей с плоскими проводами он может превышать 70%.

Использование плоских проводов позволяет заполнить больше медных проводов в том же пространстве паза статора, обеспечивая более высокий ток, создавая более сильное магнитное поле и тем самым повышая плотность мощности.

Он также приводит пример сравнения производительности круглых и плоских проводов в определенном приводном двигателе.

Высокоэффективные двигатели — медные роторы

Повышение эффективности, снижение повышения температуры, обеспечение надежной работы, снижение размеров и веса, а также снижение затрат на двигатель.

Он сравнивает двигатель 75 КВт-2 с медным ротором и алюминиевым ротором.

Медные роторы также сталкиваются с такими проблемами, как большое количество сварочных швов, сложные технологические процессы, нестабильная прочность, сложность контроля качества, низкая однородность, необходимость отдельной обработки концевых колец и стержней (что приводит к высоким затратам), низкая производительность и сложности с масштабированием производства.

Он также рассказывает о редкоземельных литых медных сплавах и медных сплавах с высокой прочностью и высокой электропроводностью (обычно имеются в виду сплавы с σb ≥ 600 МПа и электропроводностью ≥80% МЭК).

Высокоэффективные медные решения — повышение электропроводности

«Супермедь» производится путем наложения графена (известного своей электропроводностью и механическими свойствами) на медные листы, достигая взаимодополняющих преимуществ графена и меди. В настоящее время электропроводность супермеди может быть увеличена до 106-108% МЭК.