Двигатель с постоянными магнитами: Коллекторный электродвигатель постоянного тока

Двигатели с постоянными магнитами — Студопедия.Нет

 

Двигатели с постоянными магнитами состоят из статора, который имеет обмотки, и ротора, содержащего постоянные магниты (рисунок 15). Чередующиеся полюса ротора имеют прямолинейную форму и расположены параллельно оси двигателя. Благодаря намагниченности ротора в таких двигателях обеспечивается больший магнитный поток и, как следствие, больший момент, чем у двигателей с переменным магнитным сопротивлением.

 

Рисунок 15. Двигатель с постоянными магнитами

 

Двигатель имеет 3 пары полюсов ротора и 2 пары полюсов статора, а также 2 независимые обмотки, каждая из которых намотана на двух противоположных полюсах статора. Такой двигатель, как и рассмотренный ранее двигатель с переменным магнитным сопротивлением, имеет величину шага 30 град. При включении тока в одной из катушек, ротор стремится занять такое положение, когда разноименные полюса ротора и статора находятся друг напротив друга. Для осуществления непрерывного вращения нужно включать фазы попеременно. На практике двигатели с постоянными магнитами обычно имеют 48 – 24 шага на оборот (угол шага 7,5 – 15 град).

Разрез реального шагового двигателя с постоянными магнитами показан на рисунок 16.

 

Рисунок 16. Разрез шагового двигателя с постоянными магнитами

 

Для удешевления конструкции двигателя магнитопровод статора выполнен в виде штампованного стакана. Внутри находятся полюсные наконечники в виде ламелей. Обмотки фаз размещены на двух разных магнитопроводах, которые установлены друг на друге. Ротор представляет собой цилиндрический многополюсный постоянный магнит.

Двигатели с постоянными магнитами подвержены влиянию обратной ЭДС со стороны ротора, которая ограничивает максимальную скорость. Для работы на высоких скоростях используются двигатели с переменным магнитным сопротивлением.

 

Гибридные двигатели

 

Гибридные двигатели являются более дорогими, чем двигатели с постоянными магнитами, зато они обеспечивают меньшую величину шага, больший момент и большую скорость. Типичное число шагов на оборот для гибридных двигателей составляет от 100 до 400 (угол шага 3.6 – 0.9 град.). Гибридные двигатели сочетают в себе лучшие черты двигателей с переменным магнитным сопротивлением и двигателей с постоянными магнитами. Ротор гибридного двигателя имеет зубцы, расположенные в осевом направлении (рисунок 17.).

 

Рисунок 17. Гибридный двигатель.

 

Ротор разделен на две части, между которыми расположен цилиндрический постоянный магнит. Таким образом, зубцы верхней половинки ротора являются северными полюсами, а зубцы нижней половинки – южными. Кроме того, верхняя и нижняя половинки ротора повернуты друг относительно друга на половину угла шага зубцов. Число пар полюсов ротора равно количеству зубцов на одной из его половинок. Зубчатые полюсные наконечники ротора, как и статор, набраны из отдельных пластин для уменьшения потерь на вихревые токи. Статор гибридного двигателя также имеет зубцы, обеспечивая большое количество эквивалентных полюсов, в отличие от основных полюсов, на которых расположены обмотки. Обычно используются 4 основных полюса для 3.6 град. двигателей и 8 основных полюсов для 1.8- и 0.9 град. двигателей. Зубцы ротора обеспечивают меньшее сопротивление магнитной цепи в определенных положениях ротора, что улучшает статический и динамический момент. Это обеспечивается соответствующим расположением зубцов, когда часть зубцов ротора находится строго напротив зубцов статора, а часть между ними. Зависимость между числом полюсов ротора, числом эквивалентных полюсов статора и числом фаз определяет угол шага S двигателя:

 

S = 360/(Nph*Ph) = 360/N,

 

где Nph – число эквивалентных полюсов на фазу, равное числу полюсов ротора, Ph – число фаз, N – полное количество полюсов для всех фаз вместе.

Ротор показанного на рис. 6 двигателя имеет 100 полюсов (50 пар), двигатель имеет 2 фазы, поэтому полное количество полюсов – 200, а шаг, соответственно, 1,8 градуса.

Продольное сечение гибридного шагового двигателя показано на рисунке 18. Стрелками показано направление магнитного потока постоянного магнита ротора. Часть потока (на рисунке показана черной линией) проходит через полюсные наконечники ротора, воздушные зазоры и полюсный наконечник статора. Эта часть не участвует в создании момента. Рисунок 18. Продольный разрез гибридного шагового двигателя

Рисунок 18. Продольный разрез гибридного шагового двигателя

 

Как видно из рисунка, воздушные зазоры у верхнего и нижнего полюсного наконечника ротора разные. Это достигается благодаря повороту полюсных наконечников на половину шага зубьев. Поэтому существует другая магнитная цепь, которая содержит минимальные воздушные зазоры и, как следствие, обладает минимальным магнитным сопротивлением. По этой цепи замыкается другая часть потока (на рисунке показана штриховой белой линией), которая и создает момент. Часть цепи лежит в плоскости, перпендикулярной рисунку, поэтому не показана. В этой же плоскости создают магнитный поток катушки статора. В гибридном двигателе этот поток частично замыкается полюсными наконечниками ротора, и постоянный магнит его «видит» слабо. Поэтому в отличие от двигателей постоянного тока, магнит гибридного двигателя невозможно размагнитить ни при какой величине тока обмоток.

Величина зазора между зубцами ротора и статора очень небольшая – 0,1 мм. Чтобы магнитный поток не замыкался через вал, который проходит внутри магнита, его изготавливают из немагнитных марок стали. Они обычно обладают повышенной хрупкостью, поэтому с валом, особенно малого диаметра, следует обращаться с осторожностью.

Для получения больших моментов необходимо увеличивать как поле, создаваемое статором, так и поле постоянного магнита. При этом требуется больший диаметр ротора, что ухудшает отношение крутящего момента к моменту инерции. Поэтому мощные шаговые двигатели иногда конструктивно выполняют из нескольких секций в виде этажерки. Крутящий момент и момент инерции увеличиваются пропорционально количеству секций, а их отношение не ухудшается.

Существуют и другие конструкции шаговых двигателей. Например, двигатели с дисковым намагниченным ротором. Такие двигатели имеют малый момент инерции ротора, что в ряде случаев важно.

Большинство современных шаговых двигателей являются гибридными. По сути, гибридный двигатель является двигателем с постоянными магнитами, но с большим числом полюсов. По способу управления такие двигатели одинаковы, дальше будут рассматриваться только такие двигатели. Чаще всего на практике двигатели имеют 100 или 200 шагов на оборот, соответственно шаг равен 3,6 градуса или 1

 

Рисунок 19. Биполярный двигатель (а), униполярный (б) и четырехобмоточный (в)

 

Униполярный двигатель также имеет одну обмотку в каждой фазе, но от середины обмотки сделан отвод. Это позволяет изменять направление магнитного поля, создаваемого обмоткой, простым переключением половинок обмотки. При этом существенно упрощается схема драйвера. Драйвер должен иметь только четыре простых ключа. Таким образом, в униполярном двигателе используется другой способ изменения направления магнитного поля. Средние выводы обмоток могут быть объединены внутри двигателя, поэтому такой двигатель может иметь 5 или 6 выводов (рис. 19. б). Иногда униполярные двигатели имеют раздельные 4 обмотки, по этой причине их ошибочно называют 4-х фазными двигателями. Каждая обмотка имеет отдельные выводы, поэтому всего выводов 8 (рис. 19. в). При соответствующем соединении обмоток такой двигатель можно использовать как униполярный или как биполярный. Униполярный двигатель с двумя обмотками и отводами тоже можно использовать в биполярном режиме, если отводы оставить неподключенными. В любом случае ток обмоток следует выбирать так, чтобы не превысить максимальной рассеиваемой мощности. Момент, создаваемый шаговым двигателем, пропорционален величине магнитного поля, создаваемого обмотками статора. Путь для повышения магнитного поля – это увеличение тока или числа витков обмоток. Естественным ограничением при повышении тока обмоток является опасность насыщения железного сердечника. Однако на практике это ограничение действует редко. Гораздо более существенным является ограничение по нагреву двигателя вследствие омических потерь в обмотках. Как раз этот факт и демонстрирует одно из преимуществ биполярных двигателей. В униполярном двигателе в каждый момент времени используется лишь половина обмоток. Другая половина просто занимает место в окне сердечника, что вынуждает делать обмотки проводом меньшего диаметра. В то же время в биполярном двигателе всегда работают все обмотки, т.е. их использование оптимально. В таком двигателе сечение отдельных обмоток вдвое больше, а омическое сопротивление – соответственно вдвое меньше. Это позволяет увеличить ток в корень из двух раз при тех же потерях, что дает выигрыш в моменте примерно 40%. Если же повышенного момента не требуется, униполярный двигатель позволяет уменьшить габариты или просто работать с меньшими потерями. На практике все же часто применяют униполярные двигатели, так как они требуют значительно более простых схем управления обмотками. Существует несколько способов управления фазами шагового двигателя. Первый способ обеспечивается попеременной коммутации фаз, при этом они не перекрываются, в один момент времени включена только одна фаза (рис. 20 а). Этотспособназывают”one phase on” full step или wave drive mode. Точки равновесия ротора для каждого шага совпадают с «естественными» точками равновесия ротора у незапитанного двигателя. Недостатком этого способа управления является то, что для биполярного двигателя в один и тот же момент времени используется 50% обмоток, а для униполярного – только 25%. Это означает, что в таком режиме не может быть получен полный момент.

Рисунок 20. Различные способы управления фазами шагового двигателя

 

Второй способ — управление фазами с перекрытием: две фазы включены в одно и то же время. Егоназывают ”two-phase-on” full step илипросто full step mode. При этом способе управления ротор фиксируется в промежуточных позициях между полюсами статора (рис. 20 б) и обеспечивается примерно на 40% больший момент, чем в случае одной включенной фазы. Этот способ управления обеспечивает такой же угол шага, как и первый способ, но положение точек равновесия ротора смещено на пол-шага. Третий способ является комбинацией первых двух и называется полушаговым режимом, ”oneandtwo-phase-on” halfstep или просто halfstepmode, когда двигатель делает шаг в половину основного. Этот метод управления достаточно распространен, так как двигатель с меньшим шагом стоит дороже и очень заманчиво получить от 100-шагового двигателя 200 шагов на оборот. Каждый второй шаг запитана лишь одна фаза, а в остальных случаях запитаны две (рис. 20 в). В результате угловое перемещение ротора составляет половину угла шага для первых двух способов управления. Кроме уменьшения размера шага этот способ управления позволяет частично избавиться от явления резонанса. Полушаговый режим обычно не позволяет получить полный момент, хотя наиболее совершенные драйверы реализуют модифицированный полушаговый режим, в котором двигатель обеспечивает практически полный момент, при этом рассеиваемая мощность не превышает номинальной.

Примененные во всех приводах подач данного станка двигатели является униполярным. В данном варианте (имеется виду схема построения управляющего драйвера для каждого двигателя, тип двигателя) имеется возможность коммутации двигателя как в полношаговом режиме, так и полушаговом режиме. В полношаговом режиме с двумя включенными фазами положения точек равновесия ротора смещены на пол шага. Нужно отметить, что эти положения ротор принимает при работе двигателя, но положение ротора не может сохраняться неизменным после выключения тока обмоток. Поэтому при включении и выключении питания двигателя ротор будет смещаться на пол-шага. Для того, чтобы он не смещался при остановке, необходимо подавать в обмотки ток удержания. То же справедливо и для полушагового и микрошагового режимов. Следует отметить, что если в выключенном состоянии ротор двигателя поворачивался, то при включении питания возможно смещение ротора и на большую, чем половина шага величину. Ток удержания может быть меньше номинального, так как от двигателя с неподвижным ротором обычно не требуется большого момента. В нашем случае можно просто ключевать обмотки не используемого двигателя высокой частотой (герц 500-1000)- единственная неприятность при этом – завывание двигателя. Но положительная сторона- уменьшение нагрева управляющих силовых ключей, а также самого двигателя (что не мало важно). Для правильной работы шагового двигателя и получения желательных динамических характеристик от приводов станка необходимо помнить о физике шагового двигателя: чем выше скорость вращения шагового двигателя, тем момент на валу последнего ниже. Шаговый двигатель не может мгновенно начать вращаться с высокой скоростью (точнее может, но не гарантируется, что он сможет преодолеть силу трение покоя в направляющих суппорта станка). Поэтому двигатель желательно разогнать. Обычно для шагового двигателя в технической литературе приводятся две кривые зависимости момента от скорости (рис. 21.). Внутренняя кривая (кривая старта, или pull-incurve) показывает, при каком максимальном моменте трения для данной скорости шаговый двигатель способен тронуться. Эта кривая пересекает ось скоростей в точке, называемой максимальной частотой старта или частотой приемистости. Она определяет максимальную скорость, на которой ненагруженный двигатель может тронуться. На практике эта величина лежит в пределах 200 – 500 полных шагов в секунду. Инерционность нагрузки сильно влияет на вид внутренней кривой. Большая инерционность соответствует меньшей области под кривой. Эта область называется областью старта. Внешняя кривая (кривая разгона, или pull-outcurve) показывает, при каком максимальном моменте трения для данной скорости шаговый двигатель способен поддерживать вращение без пропуска шагов. Эта кривая пересекает ось скоростей в точке, называемой максимальной частотой разгона. Она показывает максимальную скорость для данного двигателя без нагрузки. При измерении максимальной скорости нужно иметь в виду, что из-за явления резонанса момент равен нулю еще и на резонансной частоте.

 

Рисунок 21. Зависимость момента от скорости

 

Область, которая лежит между кривыми, называется областью разгона. Для того, чтобы работать на большой скорости из области разгона, необходимо стартовать на низкой скорости из области старта, а затем выполнить разгон. При остановке нужно действовать в обратном порядке: сначала выполнить торможение, и только войдя в область старта можно прекратить подачу управляющих импульсов. В противном случае произойдет потеря синхронности и положение ротора будет утеряно. Использование разгона и торможения позволяет достичь значительно больших скоростей — в индустриальных применениях используются скорости до 10000 полных шагов в секунду. Необходимо отметить, что непрерывная работа шагового двигателя на высокой скорости не всегда допустима ввиду нагрева ротора. Однако высокая скорость кратковременно может быть использована при осуществлении позиционирования. При разгоне двигатель проходит ряд скоростей, при этом на одной из скоростей можно столкнуться с неприятным явлением резонанса. Для нормального разгона желательно иметь нагрузку, момент инерции которой как минимум равен моменту инерции ротора. На ненагруженном двигателе явление резонанса проявляется наиболее сильно. Подробно методы борьбы с этим явлением будут описаны ниже.

При осуществлении разгона или торможения важно правильно выбрать закон изменения скорости и максимальное ускорение. Ускорение должно быть тем меньше, чем выше инерционность нагрузки. Критерий правильного выбора режима разгона – это осуществление разгона до нужной скорости для конкретной нагрузки за минимальное время. На практике чаще всего применяют разгон и торможение с постоянным ускорением. Реализация закона, по которому будет производится ускорение или торможение двигателя, обычно производится программно, так как компьютер является источником тактовой частоты для драйвера шагового двигателя. Шаговым двигателям свойственен нежелательный эффект, называемый резонансом. Эффект проявляется в виде внезапного падения момента на некоторых скоростях. Это может привести к пропуску шагов и потере синхронности. Эффект проявляется в том случае, если частота шагов совпадает с собственной резонансной частотой ротора двигателя. Когда двигатель совершает шаг, ротор не сразу устанавливается в новую позицию, а совершает затухающие колебания. Дело в том, что систему ротор – магнитное поле – статор можно рассматривать как пружинный маятник, частота колебаний которого зависит от момента инерции ротора (плюс нагрузки) и величины магнитного поля. Ввиду сложной конфигурации магнитного поля, резонансная частота ротора зависит от амплитуды колебаний. При уменьшении амплитуды частота растет, приближаясь к мало амплитудной частоте, которая более просто вычисляется количественно. Эта частота зависит от угла шага и от отношения момента удержания к моменту инерции ротора. Больший момент удержания и меньший момент инерции приводят к увеличению резонансной частоты.

Необходимо заметить, что резонансную частоту определяет момент инерции собственно ротора двигателя плюс момент инерции нагрузки, подключенной к валу двигателя. Поэтому резонансная частота ротора ненагруженного двигателя, которая иногда приводится среди параметров, имеет маленькую практическую ценность, так как любая нагрузка, подсоединенная к двигателю, изменит эту частоту. На практике эффект резонанса приводит к трудностям при работе на частоте, близкой к резонансной. Момент на частоте резонанса равен нулю и без принятия специальных мер шаговый двигатель не может при разгоне пройти резонансную частоту. В любом случае, явление резонанса способно существенно ухудшить точностные характеристики привода.

В системах с низким демпфированием существует опасность потери шагов или повышения шума, когда двигатель работает вблизи резонансной частоты. В некоторых случаях проблемы могут возникать и на гармониках частоты основного резонанса. Существуют методы борьбы с резонансом на уровне алгоритма работы драйвера. Например, можно использовать тот факт, что при работе с двумя включенными фазами резонансная частота примерно на 20% выше, чем с одной включенной фазой. Если резонансная частота точно известна, то ее можно проходить, меняя режим работы. Для компенсации погрешностей для соединения шаговых двигателей с ходовыми винтами использованы полу гибкие муфты. В качестве последних могут быть применены специализированные разрезные муфты либо армированный резиновый шланг. Применение последнего, при испытаниях, показало более удовлетворительные результаты, а именно значительно лучшее демпфирование колебаний шагового двигателя, бесшумность работы, а также предохранение привода от перегрузки при наезде на упор или при попытке фрезерования с большим припуском.

 

Бесколлекторные двигатели с постоянными магнитами

Многообразие конфигураций поставляемых электродвигателей позволяет решать самые разные задачи. Один из специальных типов двигателей, известный как высокомоментный безредукторный электродвигатель с постоянными магнитами (PM), характеризуется высоким отношением диаметра к длине и большим числом магнитных полюсов, что оптимизирует создание крутящего момента. Эти относительно низкоскоростные электродвигатели, обычно работающие с частотой ниже 1000 об/мин, предлагаются на рынке как в корпусном, так и в бескорпусном варианте.

Бесколлекторные (синхронные) безредукторные роторные двигатели (DDR) имеют ряд конструктивных особенностей, обеспечивающих выполнение заданных функций. Прямой (безредукторный) привод означает отсутствие элементов передачи мощности между двигателем и приводимой во вращение нагрузкой, что, в свою очередь, дает преимущества перемещения с высокой динамикой практически без люфта и превосходную жесткость при статических/динамических нагрузках. Все это обеспечивает прецизионное управление движением. Использование в роторе большого числа магнитных полюсов способствует созданию высоких крутящих моментов. Наблюдается тенденция к увеличению размеров двигателей с DDR (диаметр некоторых моделей уже превышает 1 метр), вместе с тем на рынке также предлагаются двигатели c меньшими габаритами. Пиковый крутящий момент на выходе, превышающий 20000 Нм, не является чем-то необычным.

 

Большой диаметр, большое число полюсов

В компании Bosch Rexroth Corp. отмечают другие преимущества высокомоментных двигателей DDR, такие как лучшее согласование с инерцией нагрузки, лёгкость управления, низкий уровень шума и рациональную конструкцию (см. диаграмму «Прямой привод упрощает конструкцию средств автоматизации»). Карл Рапп, руководитель отделения станкостроения Electric Drives & Controls Div. компании, подтверждает, что увеличение числа полюсных пар и диаметра ротора создаёт более высокий крутящий момент на выходе. Кроме того, оптимизация ориентации магнита, усовершенствование конфигурации пазов статора и технологии наматывания обмотки, а также конструкции воздушного зазора способны свести пульсации крутящего момента к минимуму. «Низкий уровень пульсаций крутящего момента требуется для обеспечения высокого качества операций шлифования/ хонингования, это качество также необходимо и в других областях применения», — говорит Рапп.

Технология, лежащая в основе высокомоментных двигателей прямого привода, позволяет упростить конструкцию станка и повысить точность перемещения. Это показано выше на примере делительно-поворотного стола. При этом исключается люфт в редукторе и приводном ремне

В компании Danaher Motion также считают, что большой диаметр и повышенное число полюсов являются отличительными признаками высокомоментных электродвигателей прямого привода. «Крутящий момент квадратично зависит от диаметра и прямо пропорционально от длины ротора» — поясняет Том Инглэнд, директор по управлению производством компании. «Повышенное число полюсов, которое обеспечивает более высокое удельное содержание меди в обмотках, создающих крутящий момент, приводит к повышению эффективности магнитного поля», — констатирует Инглэнд.

Высокомоментные двигатели DDR предлагаются на рынке в двух классических вариантах. Вариант «бескорпусного» двигателя состоит из кольцеобразного ротора и набора элементов статора, которые заказчик должен встроить в конструкцию станка. По мнению Инглэнда должны быть также предусмотрены средства обратной связи и охлаждения, а также соединительные кабели, что требует выполнения существенного объема конструкторских и сборочно-монтажных работ. Тонкая кольцеобразная конструкция «бескорпусного» двигателя отличается применением полого входного вала большого размера. «Смонтированный в корпусе» двигатель DDR имеет корпус, подшипники, а также стандартный или полый вал. «Однако если станок уже оснащён подшипниками, смонтированный в корпусе двигатель не будет работать, поскольку непосредственное соединение трех (и более) подшипников на одной оси вызовет их повреждение», — продолжает он.

Недавно компания Danaher Motion реализовала другой подход, разработав третий, усовершенствованный вариант двигателя DDR, в основу которого, как сообщается, заложены преимущества предшествующих вариантов при одновременном исключении их недостатков. Под названием «кассетный DDR» (или CDDR) эти высокомоментные электродвигатели сохранили повышенное число полюсов и большой диметр, но не имеют подшипников. «Ротор устанавливается на подшипниках оборудования заказчика, что обеспечивает упрощенный монтаж при минимальном объеме конструкторской работы, а также возможность демонтажа двигателя без разборки станка,»- комментирует Инглэнд.

По мнению представителя компании Danaher, так сложилось исторически, что недостатком двигателей прямого привода всегда оставалась сложность их применения и стоимость. «Ситуация изменилась с внедрением технологии двигателей CDDR. Эта технология сделала доступными преимущества прямого привода как для простых механизмов, так и для классических, высокопроизводительных приложений сервоприводов», — заключает Инглэнд. Сегодня двигатели по технологии CDDR находят применение в упаковочном оборудовании, механизмах подачи прессов, в механизмах и оборудовании, используемых в перерабатывающей промышленности, в типографском и медицинском оборудовании.

 

Плотность крутящего момента, мощные магниты

В компании Siemens рассматривают конструкцию с высокой плотностью крутящего момента как неотъемлемую часть выпускаемых компанией высокомоментных двигателей. По словам Ральфа Бэрана, начальника производства серводвигателей и мехатронных устройств в подразделении Siemens Energy & Automation (E&A), плотность крутящего момента во многом зависит от силы постоянных магнитов. Компания Siemens использует магниты из сплава неодима, железа и бора (Nd-Fe-B) (которые считаются самыми мощными и доступными среди магнитов, изготовленных из редкоземельных металлов) в своих вмонтированных в корпус и бескорпусных (встраиваемых) высокомоментных двигателях.

Другим показателем высокой плотности крутящего момента является количество магнитных полюсов, предусмотренных конструктивным исполнением. Увеличение числа полюсов трансформируется в высокий крутящий момент на выходе, однако такая закономерность более действенна при малом числе полюсов. Например, существенное повышение крутящего момент может быть достигнуто при увеличении количества полюсов от четырех до восьми при сохранении постоянного объема двигателя, однако, по словам Бэрана, прирост крутящего момента будет гораздо меньше при изменении количества полюсов, скажем, от 32 до 46. «На основании практического опыта увеличение количества полюсов до 30 является хорошим способом повышения плотности крутящего момента»,- констатирует он. (Тем не менее, на рынке предлагаются бескорпусные высокомоментные двигатели с количеством полюсов, значительно превышающим 100.)

Компания Baumuller Nurnberg GmbH также уделяет большое внимание установлению оптимального соотношения между диаметром и длиной в конструкции своих многополюсных, синхронных, высокомоментных двигателей с постоянным магнитом серии DST. «В результате этого был достигнут устойчиво высокий крутящий момент в широком диапазоне скоростей», — говорит Марцел Мёллер, начальник производства электродвигателей.

В швейцарской компании ETEL S.A. отмечают, что наличие всё более эффективных средств моделирования и анализа упрощает разработку и оптимизацию двигателей. «Оптимизация конструкции двигателя приведет к максимальному повышению плотности потока за счет использования продуманной пластинчатой конструкции зубца и выбора материала пластин при одновременном сохранении возможности монтажа максимального количества материала обмоток, что необходимо для создания крутящего момента, перпендикулярного направлению магнитного потока»,- говорит Кевин Дерабас, президент ETEL S.A. в США. При этом он ссылается на конструкцию, запатентованную компанией ETEL S.A., с целью повышения «коэффициента заполнения» пластинчатых структур медными обмоточными проводами. Тем самым достигается коэффициент заполнения, равный 60% по сравнению с 30% для предыдущих конструкций. Компания ETEL S.A. изготавливает широкий спектр бескорпусных высокомоментных электродвигателей.

 

Особенности управления

По мнению компании Bosch Rexroth управление высокомоментными двигателями DDR осуществляется практически аналогично управлению другими бесколлекторными двигателями, однако требует определенных, специальных мер. Время срабатывания контуров управления (по току, скорости и положению) должно быть минимальным для достижения высокого уровня статической/динамической жёсткости. Интеллектуальные сервоприводы обеспечивают высокую скорость работы всех внутренних контуров (как правило, через каждые 0,25 мс). «Так как связка «привод + высокомоментный двигатель» обеспечивает подачу крутящего момента на обрабатываемую деталь, от нее непосредственно зависят точность и плавность обработки этой детали», — говорит Рапп. Как отмечалось выше, для точной механической обработки особо важное значение имеет снижение пульсации крутящего момента.

Для получения высокой степени жёсткости необходима более широкая полоса пропускания усилителя привода. «Высокая динамика способна возбудить механические гармоники, которые должны быть отфильтрованы усилителем за счет настроек фильтров, которые не должны вносить ограничения в характеристики», — предупреждает Рапп. Выбор стредств обратной связи также имеет принципиальное значение. Рекомендуется обратная связь с синусоидальным сигналом, поскольку интеллектуальные приводы извлекают из этого сигнала информацию об изменении скорости. «Следует избегать обратной связи последовательного типа, а также обратной связи с прямоугольным сигналом, поскольку это приводит к ограничению характеристик», — говорит Рапп.

Для работы бесколлекторных двигателей, оснащенных постоянными магнитами, требуется электронная коммутация (или переключение полюсов). Для высо-комоментных двигателей с DDR электронная коммутация не является простой процедурой, поскольку системы обратной связи полого вала являются чаще всего инкрементными, а не абсолютными, что требует от усилителя привода выполнения автоматической коррекции коммутации после каждого включения устройства управления. «Эта процедура ещё более усложняется при использовании двигателей с повышенным числом полюсов, так как расстояние между полюсами становится очень малым», — отмечает Рапп. Интеллектуальные приводы, например, привод IndraDrive компании Bosch Rexroth, предусматривают различные функции коммутации. Предпочтение отдается методу насыщения, поскольку его можно применять без механических перемещений в двигателе, объясняет он.

Бэран, представитель Siemens E&A, утверждает: «Физически высокомоментные двигатели имеют те же самые характеристики управления, что и другие бесколлекторные двигатели с постоянным магнитом. Тем не менее, исключение механических элементов из трансмиссии обеспечило избавление от люфта [«мертвого» хода] и от проблемы отсутствия механической жёсткости». Результатом этого явилось впечатляющее повышение механической жесткости трансмиссии.

Применительно к контроллеру это означает, что он может работать с большей скоростью без выхода за установленные пределы, что дает возможность его применения при повышенном уровне ускорения/торможения с более точным позиционированием и управлением траекторией, поясняет Бэран. «Опыт показал, что в отличие от традиционной комбинации «мотор-муфта-редуктор «,для станков, конструкция которых предусматривает использование прямого привода, можно добиться приблизительно десятикратного улучшения их динамики»,- говорит он.

Как сообщается, ввиду отсутствия редукторов и других механических элементов трансмиссии, двигатели DST с прямым приводом производства компании Baumuller имеют нулевой люфт, что обеспечивает высокую эффективность управления. Эта характерная особенность позволяет делать выводы о качестве соответствующего технологического процесса путем контроля крутящего момента и скорости двигателя, объясняет Мёллер. Изменения в эксплуатационных параметрах, например, изменения вязкости смазки, сопоставляются в контроллере с помощью компьютерных программ, в результате чего повышается эффективность управления системой и качество продукции. «Как правило, прямые приводы также повышают КПД всей системы и приводят к экономии энергии», — добавляет Мёллер.

Компания ETEL высказывает мнение о крайней необходимости хорошо демпфированного замкнутого сервоконтура для управления крутящим моментом двигателя, равно как и необходимости привода, способного справляться с энергией рекуперации во время быстрых торможений. Только благодаря конструкции прямого привода стало возможным «видеть» полный резонанс нагрузки и непосредственно отраженную инерцию. В случае аварийного останова электродвигатель быстро превращается в генератор, вырабатывающий большое количество рекуперированной энергии, которая должна при соответствующем управлении рассяться в приводе или поступить снова к источнику энергии, объясняет Дерабас.

 

Важность охлаждения

Большой крутящий момент вызывает выделение тепла в обмотках электродвигателя, которое должно отводиться во избежание его повреждения. «Охлаждение также сводит к минимуму температурное расширение статора, — констатирует Рапп. — Такое расширение может оказывать влияние на точность технологического процесса (вследствие увеличения размеров деталей), а также способно вызвать напряжённое состояние и повреждение элементов крепления двигателя». Поскольку двигатель встраивается в конструкцию станка, изготовители оборудования должны принимать во внимание различия в температурном расширении разнородных материалов с тем, чтобы предотвратить повреждение статора при его установке на станке. В компании Bosch Rexroth приводят пример одной из конструкций оборудования, которая допускала лишь частичную установку статора в посадочное отверстие станка. При отсутствии охлаждающей жидкости температурное расширение, возникшее на стороне статора за пределами станка, со временем вызвало растрескивание обмоток.

«Метод охлаждения и объем, выбор жидкости, сжатого воздуха или конвекции — всё это зависит в основном от потребляемой мощности или от средней загруженности, а также от анализа температурного расширения»,- добавляет Рапп.

Бескорпусные, высокомоментные двигатели IndraDyn T производства компании Bosch Rexroth состоят из кольцеобразного статора с трехфазными обмотками и ротора с постоянными магнитами. При скорости вращения 60 об/мин двигатель создает постоянный крутящий момент, равный 6300 Нм. На более низкой скорости пиковый крутящий момент равен 13800 Нм.

В компании Siemens также отмечают принципиальную роль охлаждения для повышения плотности крутящего момента. Самые большие тепловые потери происходят в обмотках статора бесколлекторных электродвигателей с PM, так как в роторе из-за отсутствия намагничивающих токов таких потерь нет. Одним из эффективных способов отвода тепла, вырабатываемого этими двигателями, является пропускание охлаждающей воды по трубам на минимальном расстоянии от обмоток статора, поясняет Бэран. «Испытания показали, что крутящий момент на выходе двигателя, спроектированного с расчетом на естественное воздушное охлаждение, может быть увеличен на 30% при условии его оптимизации под водяное охлаждение»,- отмечает он.

Вмонтированный в корпус высокомоментный двигатель прямого привода 1FW3 производства компании Siemens обеспечивает постоянный крутящий момент до 7000 Нм при скорости вращения 200 об/мин.

По данным компании ETEL реальная выходная мощность высокомоментных двигателей ограничена способностью удаления из обмоток тепла, вызванного их сопротивлением, а также тепловыми потерями на вихревые токи в пластинчатой структуре статора. (Потери на вихревые токи увеличиваются с ростом числа полюсов.) При невозможности отвода всего тепла увеличение температуры в обмотках в итоге приведет к разрушению изоляции, что повлечет за собой поступление тепла в ротор. Это тепло, в свою очередь, вызвать размагничивание высокомощных магнитов ротора, поясняет Дерабас. «Циркуляция воды на минимальном расстоянии от обмоток статора является эффективным средством с точки зрения экономии и теплоизоляции для максимального отвода тепла» — добавляет он. Вот почему на внешнем диаметре статора часто обнаруживаются кольцевые каналы, которые обеспечивают плотное расположение трубок охлаждения.

Высокомоментные двигатели серии DST производства компании Baumuller создают постоянный крутящий момент в диапазоне до 6130 Нм, обеспечивают степень защиты IP54 и включают в себя модели с полым валом (не показаны). Пиковый крутящий момент равен 13500 Нм. Варианты выбора обратной связи включают резольвер и синусно-косинусный преобразователь (дополнительная поставка)

Компания Baumuller встраивает водяное охлаждение в свои высокомоментные двигатели DST в качестве необходимой меры для достижения самого высокого крутящего момента. «Только так возможно достичь высокой плотности крутящего момента и одновременно высокой перегрузочной способности, — констатирует Мёллер. — Более того, встроенное водяное охлаждение обеспечивает более высокий класс защиты (IP54), что способствует соответствию двигателей DST жестким условиям промышленного применения». Кроме повышенной охлаждающей способности, другим неочевидным преимуществом водяного охлаждения является пониженный уровень шума. Компания Baumuller (и другие производители) отмечают, что высокомоментные двигатели DDR с водяным охлаждением работают тише, чем их аналоги, охлаждаемые вентиляторами.

Представитель компания Danaher Motion утверждает, что её кассетные двигатели CDDR имеют высокий КПД и способны заменить устройства с водяным охлаждением за счет внедрения герметичных, невентилируемых двигателей при существенном сокращении затрат. Тем не менее, для дальнейшего увеличения выходного крутящего момента этих двигателей в них можно добавить водяное или воздушное охлаждение.

 

Обзор областей применения

Несмотря на то, что высокомоментные электродвигатели DDR не относятся к изделиям крупносерийного производства, они имеют широкий диапазон применения. Станки, обрабатывающие центры, оборудование для обработки металлов давлением, агрегатные станки с делительно-поворотным столом, печатные линии, а также оборудование для обработки пластмасс — вот основные рынки этих двигателей. По данным компании Bosch Rexroth более экзотические сферы применения этих двигателей включают ветроэнергетику и использование энергии морских волн. Компания ETEL приводит пример использования этих двигателей в новом поколении подъемников, где замена гидравлических элементов позволяет снизить затраты на техническое обслуживание и упростить установку.

В компании Siemens отмечают использование высокомоментного двигателя 1FW3 (установленного в корпусе) и двигателя 1FW6 (встроенного типа) в составе многочисленных станков, а также для других производственных применений. Последние из упомянутых бескорпусных двигателей предназначены для встраивания в механизм пользователя, который обеспечивает установку двигателя на подшипники. Станки, оснащенные двигателями 1FW6, должны иметь энкодеры. Двигатели 1FW3, вмонтированные в корпус, содержат подшипники и энкодер. Они применяются в производстве изделий из пластмасс (в экструдерах, намоточных станках, в машинах для литья под давлением и т.д.), а также в бумажной и текстильной промышленности.

Компания Baumuller делает акцент на широком применении двигателей DST в частности в червячных и финишных приводах прессов для выдавливания пластмасс/машин для литья под давлением, а также в приводах цилиндров с печатной формой и офсетных цилиндров в полиграфической промышленности.

Одним словом, высокомоментные двигатели находят свою нишу там, где раньше применялись зубчатые передачи, цепи или приводные ремни, высказывается представитель компании ETEL.

Изготовители бесколлекторных высо-комоментных электродвигателей с прямым приводом и постоянными магнитами твердо убеждены в том, что производители оборудования могут добиться серьезных преимуществ в повышении производительности и качества при условии оптимизации их станочного оборудования под эти двигатели. Опыт, накопленный в Siemens E&A, показал реалистичность таких преимуществ. «В некоторых случаях производительность станков возросла на 50%, а их точность увеличилась примерно на 30%»- говорит Бэран.

В Siemens E&A называют дополнительные причины, по которым производителям оборудования следует применять эти высокомоментные двигатели. Они включают сокращённый объем технического обслуживания и меньшее количество запасных частей в силу малого количества деталей, использованных в конструкции этих двигателей, экономию энергии за счет более эффективной силовой передачи, а также экономию пространства за счет использования малогабаритных и компактных станков вместо станков, оснащенных комбинацией из мотора и редуктора.

Facebook

Twitter

Вконтакте

Google+

Технология встроенных магнитов в бесщеточных серводвигателях

Фрэнк Бартос Control Engineering

Использование технологии встроенных магнитов в бесщеточных двигателях, по сравнению с технологией поверхностных постоянных магнитов, позволяет увеличить производительность приводов за счет возрастания плотности потока магнитного поля при сохранении высокого крутящего момента на больших скоростях вращения.

Синхронные двигатели с постоянными магнитами (бесщеточные серводвигатели) построены на основе намагниченного ротора, вращающегося в магнитном поле и создающего необходимый крутящий момент. Как правило, магниты располагают на внешней поверхности ротора, чем обеспечивается простота конструкции, хорошие динамические характеристики во многих задачах и сравнительно низкая стоимость. Отсюда название – двигатели с поверхностными постоянными магнитами (surface permanent magnet, SPM).

Существуют две модификации роторов со встроенными магнитами, которые устанавливаются в бесщеточных двигателях серии „Goldline” компании Danaher Motion: среднеинерционные роторы (серии M) с увеличивающим момент инерции цилиндром показаны на рисунке, и малоинерционные (серии В, на рисунке не показаны). К дополнительному оборудованию относится система водяного охлаждения, позволяющая достичь уровня мощности свыше 70 л. с.

Для создания бесщеточных двигаелей большей мощности существует другая технология, основанная на использовании встроенных постоянных магнитов (interior permanent magnet, IPM). Ее также называют технологией внутренних, утопленных или скрытых магнитов. Вне зависимости от названия идея одна – располагать магниты непосредственно внутри ротора, чтобы увеличить скорость и крутящий момент, а также улучшить другие характеристики. В данной статье используется название „встроенные магниты”.

Форма и особенности магнитной конфигурации ротора со встроенными магнитами приводят к возникновению момента магнитного сопротивления и к увеличению плотности потока поля. Этот дополнительный момент может увеличить выходную мощность, но для этого требуется более сложный сервоусилитель и алгоритм управления. Особая форма ротора упрощает использование не имеющих датчиков систем обратной связи, если этого требует задача.

Одно из самых очевидных преимуществ встраивания магнитов состоит в уменьшении диаметра ротора и, как следствие, в уменьшении момента инерции. Пол Вебстер (Paul Webster), менеджер по сервосистемам в компании GE Fanuc, обращает внимание на высокую скорость и ускорение двигателей со встроенными редкоземельными магнитами, например Nd-Fe-B. „Технология встроенных в ротор магнитов позволяет оптимизировать форму сердечника статора, чтобы добиться строго синуоидального распределения магнитного поля. Благодаря встроенным магнитам также ослабляется магнитное насыщение, возникающее из-за реакции якоря”, – утверждает Вебстер.

Еще одно преимущество технологии встроенных магнитов – механически прочный, хорошо сбалансированный ротор. По словам Вебстера, встроенные магниты не могут сломаться или отлететь, поэтому не стоит опасаться повреждений ротора и/или подшипников при высоких скоростях вращения. „Действительно, среднее время безотказной работы двигателей последней линейки GE Fanuc Alpha достигло впечатляющего значения в 1,4 миллиона часов”, – утверждает он.

Такие конструкции, уменьшающие момент от помех поля в момент трогания и улучшающие плавность подачи, компания GE Fanuc реализует в своих серводвигателях для станков с ЧПУ. Ассиметричное периферийное расположение открытых ферритовых магнитов (А) используется, когда для стабильной работы необходима значительная инерционность. В более компактной конструкции со сборным ротором (В) применяются редкоземельные магниты, благодаря чему достигается высокая скорость и ускорение

По словам Вебстера, крутящий момент, вызванный помехами поля в момент трогания, составляет в IPMдвигателях всего 0,05% от номинального момента, что значительно лучше, чем при использовании технологии поверхностных магнитов. В основном, эти двигатели используются в станках с ЧПУ, где требуется высокая точность и высокая скорость подачи. Высокая точность станка обеспечивается, благодаря низкому уровню момента, вызванного помехами в момент трогания.

Ли Стивенс (Lee Stephens), системный инженер в компании Danaher Motion, отмечает, что практически все бесщеточные серводвигатели построены на базе вращающихся постоянных магнитов, расположенных либо на поверхности ротора, либо внутри него. „Встроенные магниты создают поле с подходящей двигателям высокой мощности геометрией”, – считает Стивенс.

По словам Стивенса, технология поерхностных магнитов упрощает конструкцию. Заранее заготовленные магниты, предназначенные для создания поля в двигателе, просто „приклеиваются” к сердечнику ротора. Технология SPM экономична, особенно в маломощных системах, подобных модели NEMA 34 или более компактным двигателям. Технология встроенных постоянных магнитов предлагает сделать магниты частью структуры ротора. „IPM – это когда магниты и ротор являются одним целым”, – отмечает Стивенс. В то же время мощность и плотность потока магнитного поля взаимосвязаны.

„Размещенные на поверхности магниты могут создавать быстро меняющееся магнитное поле, благодаря чему достигается высокая скорость вращения, а встроенные магниты создают большую плотность потока и, соответственно, больший крутящий момент, но с некоторой потерей скорости изменения поля”, – утверждает Стивенс.

Установление магнитного поля происходит за конечное время, что не мешает созданию высокоскоростных двигателей со встроенными постоянными магнитами. Обычно эта технология используется в больших двигателях, однако размеры и мощности двигателей IPM и SPM в значительной области совпадают.

Редкоземельные магниты, наверное, являются самой дорогой частью двигателя. Технология SPM обычно требует меньше магнитного материала, особенно для небольших двигателей, что является ее преимуществом. „Благодаря простой конструкции и малому использованию материала, SPM гораздо более экономична, – считает Стивенс, – но всегда нужно искать компромисс между стоимостью и преимуществами технологии”. Например, в IPM-двигателях установлены плоские магниты, которые просты в изготовлении, в отличие от магнитов криволинейных форм в SPMдвигателях.

Двигатель серии Sigma II Series Large Capacity SGMBH компании Yaskawa Electric с полностью закрытыми встроенными магнитами, воздушным охлаждением корпуса (TEFC), защитным кожухом IP44 и входным напряжением 480 В

Стивенс соглашается с преимуществами установки магнитов внутри ротора. Чем меньше диаметр ротора, тем меньше инерция. Момент инерции пропорционален квадрату радиуса, что следует из формулы момента инерции цилиндрического ротора mr2/2, где m – масса ротора, а r – его радиус. „Это приводит к эффективному увеличению мощности – одной из характеристик двигателя, особенно важной для больших двигателей”, – утверждает он. В мощных SPM-двигателях момент инерции ротора может оказаться слишком большим, что приведет к значителным затратам энергии только на разгон двигателя.

Ослабление поля, новая конструкция двигателя

По словам Стеффена Винклера (Steffen Winkler), главного менеджера по приводным системам компании Bosch Rexroth AG, одним из основных преимуществ синхронных двигателей со встроенными постоянными магнитами является возможность управляемого ослабления поля (до значения 6:1 или даже 10:1). Данный метод позволяет расширить область рабочих скоростей до значений, характерных для асинхронных двигателей.

Компания Bosch Rexroth, известная своими технологическими решениями в области электродвигателей, представила новейший синхронный двигатель со встроенными постоянными магнитами с прямым приводом. По имеющимся данным, модель IndraDyn H обеспечивает наивысшую, по сравнению с другими решениями, мощность, равную 57 кВт. Максимальная скорость более компактной модели равна 30000 оборотов в минуту. Винклер называет IndraDyn H „первым двигателем с полностью замкнутым контуром охлаждения, упрощающим работу инженерам-механикам и увеличивающим эффективность охлаждения”. По его словам, встроенное в статор водяное охлаждение наиболее эффективно и считается стандартом, но и другие охлаждающие среды (масло, газ), а также естественная конвекция могут быть использованы в задачах с пониженной или непродолжительной нагрузкой.

Компания Yaskawa Electric применяет технологию IPM в мощных серводвигателях, например, в модели Large Capacity SGMBH, заявленной как стандартный двигатель с выходной мощностью до 55 кВт. Крис Нудсен (Chris Knudsen), менеджер по маркетингу продукции в компании Yaskawa Electric America, отмечает, что эти двигатели могут обеспечить мощность до 90 кВт. Благодаря более компактному и легкому ротору двигателя SGMBH, центробежные силы уменьшаются и, как следствие, увеличиваются скорость и ускорение, необходимые в таких задачах, как высокотемпературное формообразование, литье под давлением, прессование, обработка металлов под давлением, продувка материалов в конвертере, автоматизированная сборка и т.д. „Быстрое вращение ротора с большим диаметром приводит к возникновению значительных центробежных сил, действующих на расположенные на поверхности ротора магниты, – утверждает Нудсен, – эти силы, как и магнитные силы, вызванные током, можно уменьшить, если установить магниты внутри ротора”.

Нудсен считает, что, учитывая затраты и требования задачи, технология встроенных постоянных магнитов подходит для крупногабаритных двигателей. Для меньших по размеру серводвигателей подходит экономичная и надежная технология SPM, обеспеивающая отличные характеристики двигателя в приложениях с высокими требованиями, например, в механических станках.

Стоимость, сложность, управление

Создание серводвигателя со встроенными постоянными магнитами сопряжено с рядом сложностей и дополнительных затрат. Вебстер из GE Fanuc уточняет: чтобы реализовать преимущества в производительности и размере, необходимо использовать метод конечных элементов (FEM) магнитного анализа, дорогие редкоземельные магниты и датчики положения с высоким разрешением.

Одна из основных конструкторских проблем заключается в придании правильной формы сердечнику IPM-ротора. Внутреннее расположение магнитов и меньший размер ротора ограничивают возможности по изменению формы поверхности сердечника. „Чтобы получить оптимальное соотношение между величиной крутящего момента и силой, возникающей вследствие зубцовых гармонических помех, для определения формы сердечника ротора применяют метод конечных элементов анализа магнитной структуры. Технология IPM создает нечто среднее между сверхплавным и сверхмощным двигателем”, – продолжает Вебстер. Для создания формы нужной сложности необходимо современное литейное оборудование. Еще более сложен в изготовлении слоистый ротор, используемый для уменьшения тепловых потерь. А „для реализации технологии SPM можно ограничиться сплошным стальным ротором с наклеенными на него обыкновенными магнитами”, – продолжает Вебстер.

По словам Вебстера, IPM-двигателю, как правило, нужна более быстрая и современная система управления. Для стабильной работы малоинерционного двигателя с небольшим и легким ротором требуется датчик положения высокого разрешения, установленный на двигатель, а также быстрая следящая система управления. Для увеличения количества данных обратной связи, необходимых для работы цикла скорости и позиционирования, могут понадобиться датчики с поддержкой до 16 миллионов отсчетов на оборот. Для стабильной работы необходимо принимать во внимание инерцию ротора, поскольку момент инерции IPM-ротора на основе редкоземельных магнитов может оказаться в несколько раз меньше момента SPM-ротора.

Время отклика следящей системы управления также должно быть малым для улучшения стабильности и плавности подачи при больших значениях инерционности. Вебстер рекомендует быстродействующее векторное управление (HRV) – особый тип низкоуровневого управления, поддерживающий период цикла управления током 32,25 микросекунд (период цикла скорости – 62,5 мкс) и обеспечивающий улучшенную реакцию, управляемость, точность и плавность работы. Кроме того, в системах векторного управления используются резонансные фильтры, которые ослабляют механический резонанс в двигателе. „Совместное использование этих особенностей систем управления обеспечит высокую эффективность работы”, – утверждает Вебстер.

Винклер из Bosch Rexroth согласен с тем, что двигателям со встроенными постоянными магнитами требуется более сложное управление, чем традиционным двигателям с постоянными магнитами. „Чтобы обеспечить оптимальную производительность системы, необходимо провести ее настройку с учетом специфических характеристик двигателя, особенно это касается управления ослаблением поля, – считает он. – Это значит, что желательно, хотя и не обязательно, использовать двигатель и контроллер одного производителя”

По словам Стивенса из Danaher Motion, из-за отличительных особенностей технологии встроенных постоянных магнитов сигнал управления IPM-двигателем намного сложнее синусоидального. Более того, некоторым двигателям со встроенными магнитами высокой мощности требуются дополнительные функции управления, необходимые для увеличения рабочей скорости без уменьшения крутящего момента или с небольшим его уменьшением. Данный метод, известный под названием „угловое опережение”, основан на переключении управляющего сигнала с опережением изменения положения ротора и чем-то напоминает опережение в распределителе зажигания автомобиля. С помощью этого метода преодолевается временная задержка установления поля, возникающая из-за индуктивности, магнитного сопротивления и формы сердечника и зубцов. „Необходимо полностью использовать магнитное поле, чтобы получить максимальный крутящий момент при данной скорости, – считает Стивенс, – при современном уровне развития цифровых сигнальных процессоров эта задача легко решается с помощью таблиц преобразования или расчетов на уровне привода”

Динамические характеристики двигателей со встроенными постоянными магнитами достигаются при помощи сложных алгоритмов углового опережения, ненужных SPM-двигателям. Это одна из причин, почему системы управления IPM-серводвигателей обычно сложнее. Тем не менее, Стивенс отмечает, что более сложная система управления не означает менее стабильную работу. „Требования к надежности в промышленности постоянно растут, и им соответствуют приводы, которые во многом превосходят устаревшие аналоги”, – заканчивает Стивенс.

В общем и целом, двигатели со встроенными постоянными магнитами могут предоставить лучшие характеристики, чем их аналоги на базе роторов с поверхностными магнитами и электродвигатели, основанные на других технологиях.

ce

Facebook

Twitter

Вконтакте

Google+

Новые электродвигатели и приложения — Время электроники

Применение конструкций с постоянными магнитами с осевым, поперечным и радиальным потоками позволяет оптимизировать крутящий момент, мощность, эффективность, размер, вес и другие эксплуатационные параметры электродвигателей. В статье сделан обзор современных электродвигателей разного типа.

В настоящее время перед разработчиками электродвигателей стоит задача оптимизации крутящего момента двигателя/генератора, эффективности, размеров веса и других эксплуатационных параметров. На практике условия конкретных приложений диктуют, какие именно характеристики электродвигателей должны быть оптимизированы. Режимы работы практически всех двигателей могут быть разделены на три группы: с постоянной скоростью, с переменной скоростью или в режиме старт-стоп. Растущие требования к эффективности по мощности ведут к применению электронных приводов, обеспечивающих переменную скорость вращения двигателей, что позволяет увеличивать эффективность в более широком диапазоне по сравнению с режимами с постоянной скоростью. При разработке систем перемещения, где необходима высокая точность позиционирования, требуются, как правило, двигатели с высокими пиковыми значениями крутящих моментов, равномерной скоростью и плавным снижением момента при остановке. Силовые и управляющие электронные устройства обеспечивают контроль за перемещением и всей мехатронной системой, состоящей из двигателя, его привода и управляющих элементов.
Существует пять основных типов электродвигателей: универсальный щеточный электродвигатель постоянного тока, индукционный электродвигатель переменного тока, бесщеточный синхронный электродвигатель с электронным управлением, синхронный электродвигатель с постоянным магнитом (PM) и, наконец, — универсальный электродвигатель с двумя обмотками, который может управляться как постоянным, так и переменным входными напряжениями. Недостатком последнего электродвигателя является низкая эффективность по мощности. Щеточные электродвигатели постоянного тока с двумя обмотками и постоянным магнитом имеют ограниченный срок службы из-за механической коммутационной системы.
В новых технологических разработках используются в основном индукционные электродвигатели, двигатели с переменным или переключаемым магнитным сопротивлением и бесщеточные синхронные электродвигатели с постоянным магнитом. Иногда появляются разработки, в которых скомбинированы эти три технологии.

Двигатель с постоянным магнитом

Электродвигатели с постоянным магнитом характеризуются самой высокой эффективностью по мощности и являются лидерами среди широкого круга современных двигателей. Бесщеточные синхронные электродвигатели с постоянным магнитом (PMSM) имеют несколько названий: бесщеточный электродигатель постоянного тока, бесщеточный PMAC-электродвигатель, а также электродвигатель с электронным управлением (ECM).
В настоящее время в PMSM, используемых в широком диапазоне приложений, магниты располагаются на цилиндрической поверхности ротора. Последние тенденции развития сервосистем позиционирования заключаются в создании IPM-конфигураций с внутренними и скрытыми в цилиндрических перекладинах постоянными магнитами. Такие конфигурации позволяют увеличивать крутящий момент или снижать размеры и вес различных прецизионных систем позиционирования. Сервоприводы данного типа  находят применение в станках, роботах и различных полупроводниковых устройствах.

Электродвигатели с аксиальным магнитным потоком

Транспортная индустрия (мопеды, скутеры, мотоциклы и автомобили) являются целевой аудиторией PMSM-технологии. Два замечательных примера систем с новым расположением магнитов — это PMSM с аксиальным и поперечным потоками. Показанный на рисунке 1 PMSM с аксиальным потоком имеет уникальную дисковую форму, позволяющую получить больший крутящий момент, чем традиционные PMSM цилиндрической формы с радиальным потоком. Такая уникальная конфигурация позволяет разместить электродвигатель в центре рулевого колеса практически любого транспортного средства. Электродвигатели с аксиальным потоком обеспечивают большой крутящий момент и низкую осевую скорость, что во многих приложениях устраняет необходимость применения дорогостоящих редукторов. Возрождающийся интерес к гибридным или электрическим транспортным средствам благоприятствует стремлению разработчиков применять электродвигатели с аксиальным потоком.
Существуют две основных конфигурации для создания аксиального потока: внутренний PM-ротор между двумя обмотками статора и тор с двумя роторами вокруг неподвижного статора. Конфигурация с внутренним PM-ротором является наиболее популярной.

 

а)	б)
Рис. 1. Электрическая машина с внутренним ротором и аксиальным потоком (а) и с аксиальным потоком тороидальной формы (б)

Транспортные компании поддерживают исследования, проводимые в университетах по всему миру, направленные на оценку, разработку и использование электродвигателей этого типа. Китайские компании выпускают большое количество электродвигателей с аксиальным потоком для мопедов. Правда, многие молодые компании не смогли пережить недавний кризис, но тем не менее, KLD Energy Technologies, Austin, TX, предлагают производителям скутеров 5-кВт модель такого типа. Компании YASA Motors, Abington, UK разработали электродвигатели с аксиальным потоком для более крупных транспортных средств с беспазовым (slotless) статором. Эти электродвигатели производят более 60 Нм при 3600 об/мин (25 кВт) и имеют пиковую эффективность по мощности 96%. Практически все двигатели с аксиальным потоком используют сверхмощные постоянные магниты из неодим-ферробора.
Более уникальную конфигурацию PMSM с аксиальным потоком предлагает компания NovaTorque. Осевая длина ее PMSM больше радиального диаметра. Ротор двигателя NovaTorque содержит конические втулки, состоящие из ферритовых магнитов, встроенных в IPM-конфигурации в магнитно-мягкий материал. Такая конфигурация вкупе с недорогими  ферритовыми магнитами позволяет достичь характеристик, превышающих аналогичные параметры, получаемые при использовании магнитов из редкоземельных материалов (ниодима). Втулки размещаются на каждом конце ротора, поэтому магнитный поток протекает прямо (параллельно оси) через аксиально ориентированные полюса статора. Поверхности конических втулок ротора формируют большую площадь воздушного зазора, что позволяет улучшить крутящий момент.
Первый электродвигатель такого типа — PremiumPlus+ компании Nova-Torque — PMSM-элек­тро­дви­гатель с ак­сиальным потоком мощностью 3 л.с.— развивает 18 Нм при 1800 об/мин. NovaTorque фокусирует свое внимание на вентиляторах, насосах и компрессорах, используемых в системах нагрева, вентиляции, кондиционирования и охлаждения (HVACR).

Двигатели с поперечным потоком

Двигатели с поперечным потоком (см. рис. 2) имеют сложную магнитную схему. Если для двигателей с радиальным и аксиальным потоками можно построить двумерную модель либо методом анализа конечного элемента (FEA), либо другими прямыми математическими методами, то для электродвигателей с поперечным потоком требуется трехмерное (3D) моделирование методом FEA, поскольку трехмерными являются их магнитные схемы.

 

Рис. 2. Двигатели с поперечным потоком

В таких двигателях U-образные магнитные элементы расположены вокруг обмотки статора кольцевой формы. Электродвигатели с поперечным потоком были изобретены еще в 1896 г., но разработка приложений, где востребованы их улучшенные характеристики, задерживалась из-за сложной структуры и высокой стоимости. Появление магнитов из ниодима и мягких магнитных композитных материалов позволило швейцарской компании Landert Motoren разработать небольшие электродвигатели с поперечным потоком серии MDD1 с номинальным крутящим моментом 3,3…10 Нм при 300 об/мин (100…300 Вт). Такие двигатели могут быть использованы во вращающихся столах и других промышленных приложениях.
Компания Electric ResearchInstitute (Южная Корея) выпускает электродвигатели с поперечным потоком уже более 10 лет. Причем в этой компании разработаны версии как для линейного, так и для вращательного движения. Эти транспортные системы способны достигать 1120 фунт-сила (5000 Н). Электродвигатели с поперечным потоком могут развивать очень высокий крутящий момент и плотность мощности, но отличаются довольно высокой стоимостью. В настоящее время их применение ограничено специальными приложениями.

Гибридные цилиндрические электродвигатели

Цилиндрические электродвигатели с радиальным потоком — это тоже перспективное направление разработок. Здесь используются сразу две технологии двигателей: двигатели с постоянным магнитом (PM) и переменным магнитным сопротивлением (VR) и индукционные двигатели переменного тока с постоянным магнитом (PM). Лучший пример такого объединения продемонстрировала компания QM Power. Новая технология QM Power — ParallelPath Magnetic Technology (PPMT) — объединяет VR- и PM-технологии. Два магнитных потока протекают по одним и тем же магнитным элементам электродвигателя: один поток формируется двумя PM, а другой — VR-обмоткой ротора-статора. Магнитная сила может быть увеличена в три раза, что приводит к росту плотности мощности на 30% и аналогичному возрастанию пиковой эффективности, как утверждает QM Power. Диапазон мощности составляет от 100 Вт до сотен кВт.
PPMT предназначены для работы в приложениях как с постоянной, так и с переменной скоростью вращения, включая тяговые приводы. PPMT характеризуются высокой эффективностью по мощности при высоких нагрузках. Они демонстрируют очень хорошие характеристики при использовании ферритовых магнитов.
Другой пример гибридных двигателей — линейный индукционный двигатель переменного тока, объединяющий короткозамкнутый ротор и PM-магнит (обычно ферритовый), что позволяет значительно улучшить эффективность электродвигателя. Компания Lafert Corp. (Италия) выпускает семейство промышленных и коммерческих линейных PPMT-двигателей переменного тока мощностью 1…15 кВт с увеличенной пиковой эффективностью на 5–8%.

Синхронные тяговые двигатели с постоянными магнитами

Синхронные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов, обладающие преимуществами в отношении массогабаритных показателей и потребления энергии, все чаще находят применение в тяговом приводе, хотя они требуют использования сложных систем управления и пока имеют недостаточную надежность.

За последние несколько лет от ведущих мировых поставщиков подвижного состава поступило много предложений, касающихся использования синхронных тяговых двигателей с возбуждением от постоянных магнитов (СДПМ). Такие двигатели имеют меньшие габариты и массу по сравнению с преобладавшими до сих пор на рынке трехфазными асинхронными двигателями.

СДПМ использовались, в частности, на установившем 3 апреля 2007 г. мировой рекорд скорости электропоезде AGV V150 постройки компании Alstom (рис. 1). Они находят применение на подвижном составе различного назначения (таблица) — от трамвая-поезда Citadis Dualis (рис. 2) до двухэтажного междугородного электропоезда Twindexx (рис. 3) для железных дорог Швейцарии (SBB).

Рис. 1. Высокоскоростной электропоезд AGV V150 во время рекордного пробега Рис. 2. Трамвай-поезд Citadis Dualis (фото: Alstom) Рис. 3. Электропоезд Twindexx (источник: Bombardier)

Считается, что железнодорожные компании-операторы консервативны в отношении применения новых технологий. В то же время разработчики и изготовители тягового подвижного состава заинтересованы в скорейшей реализации передовых технических решений. Если использование новых разработок способствует существенному улучшению эксплуатационных показателей, эти разработки достаточно быстро находят применение, что подтверждается опытом внедрения импульсных преобразователей для питания тяговых двигателей постоянного тока последовательного возбуждения, тяговых двигателей постоянного тока независимого возбуждения, синхронных двигателей и трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. С развитием технологий повышалась эффективность тягового привода и совершенствовалось управление им, что позволило улучшить характеристики сцепления и снизить потребление энергии.

СДПМ и электронная аппаратура управления ими представляют собой наиболее современную технологию в области тягового привода. Миллионы СДПМ благодаря своей сравнительно малой массе и хорошей управляемости уже используются в приводах гибридных автомобилей. Более крупные двигатели предоставляют такие же возможности для повышения эффективности тягового привода железнодорожного подвижного состава. Данная технология внедряется на новом подвижном составе различного назначения. Однако при этом выявились несколько существенных проблем, требующих решения.

На автомобилях с двигателями внутреннего сгорания для регулирования скорости обычно используют сложное механическое устройство — коробку передач, благодаря чему двигатель может работать в оптимальном скоростном диапазоне. Тяговые двигатели подвижного состава железных дорог должны эффективно работать во всем диапазоне скорости, обеспечивая передачу крутящего момента на колеса через одноступенчатый редуктор либо непосредственно. Такое простое в плане механического оборудования решение позволяет создать надежные системы привода, не требующие сложного технического обслуживания.

Таким образом, первое требование, предъявляемое при проектировании тяговых двигателей, — их способность обеспечивать крутящий момент или тяговое усилие в широком диапазоне скорости (от 0 до 320 км/ч).

Безусловно, важно, чтобы тяговый двигатель работал надежно. В то же время, с точки зрения машиниста и железнодорожной компании-оператора, в равной степени имеет значение точное и плавное регулирование момента во всем диапазоне скорости при помощи системы управления тяговым приводом. Надлежащее регулирование крутящего момента обеспечивает оптимальное использование сцепления между колесом и рельсом, плавное ускорение, способность поддержания постоянной скорости и возможность применения электрического торможения.

При взаимодействии колес с рельсами крутящий момент тягового двигателя преобразуется в линейную силу тяги или торможения. На рис. 4 представлен график зависимости силы тяги от скорости, а также кривая сопротивления движению поезда. Кривая силы тяги пересекает кривую сопротивления движению в точке так называемой установившейся скорости, т. е. максимальной теоретически возможной скорости. Вблизи этой точки величина изменения силы тяги, за счет которой создается ускорение поезда (на рис. 4 обозначена красной стрелкой), невелика. На рис. 5 показаны характеристики мощности тягового привода и потребной тяговой мощности (мощность равна произведению скорости и силы тяги).

Тяговые двигатели, как правило, рассчитываются на определенный режим работы. Двигатель должен развивать требуемый момент при нулевой скорости и поддерживать его до номинальной во всей зоне 1 кривой силы тяги. Выше этой скорости тяговый двигатель развивает максимальную выходную мощность. В зоне 2 сила тяги обратно пропорциональна скорости. В зоне 3 вследствие ограничений характеристик тягового двигателя сила тяги обратно пропорциональна квадрату скорости.

Рис. 4. Тяговая характеристика и сопротивление движению Рис. 5. Характеристики мощности

При низкой скорости крутящий момент двигателя теоретически может быть больше, чем передаваемый при взаимодействии колеса и рельса. Однако это привело бы к перегрузке двигателя, поэтому таких режимов следует избегать посредством соответствующих действий машиниста или электронной системы управления.

Ранее для управления тяговыми двигателями постоянного тока применялось регулирование напряжения посредством изменения схемы их соединения с последовательного на параллельное и регулирование тока с помощью пускотормозных резисторов. На современном подвижном составе для управления как коллекторными двигателями постоянного тока, так и синхронными и асинхронными двигателями переменного тока используются электронные системы, обеспечивающие изменение напряжения или как напряжения, так и частоты. Применяемые ныне системы тягового электропривода позволяют достичь качественного управления во всем диапазоне скорости при относительно простых алгоритмах регулирования.

Регулирование СДПМ позволяет достаточно легко достичь требуемых характеристик в зоне постоянного крутящего момента, однако для регулирования в зоне постоянной мощности требуются более сложные алгоритмы.

Двигатели переменного и постоянного тока, как и СДПМ, по существу работают на основе одних и тех же физических законов. Поэтому принципы управления ими до некоторой степени подобны. В электрических машинах всех видов крутящий момент возникает при взаимодействии двух магнитных полей. Для появления крутящего момента между векторами напряженности этих магнитных полей должен быть определенный угол, в идеальном случае равный 90 эл. град. Упомянутые поля могут быть созданы токами, протекающими по обмоткам двигателя, или постоянными магнитами.

В настоящее время в тяговом приводе находят применение главным образом трехфазные асинхронные двигатели. Тем не менее весьма важно понимать природу и поведение магнитных полей статора и ротора электрических машин других типов.

В традиционном двигателе постоянного тока северные и южные полюса поля статора всегда ориентированы в одном и том же направлении, в то время как поле якоря (ротора) сдвинуто на 90 эл. град вследствие использования коллектора. В двигателе последовательно-го возбуждения один и тот же ток проходит как через обмотку статора, так и через обмотку ротора, тогда как в случае использования двигателя независимого возбуждения имеется возможность независимо управлять полями ротора и статора.

В традиционном трехфазном синхронном двигателе магнитное поле ротора создается током, протекающим по его обмотке, а ориентация поля определяется физическим положением обмотки ротора. Поле статора создается током, протекающим по его обмотке, и вращается со скоростью, определяемой частотой инвертора, от которого получает питание обмотка статора. Угол между полями статора и ротора увеличивается в зависимости от крутящего момента, а частоты вращения ротора и поля статора одинаковы. Когда угол становится отрицательным, двигатель переходит в тормозной режим.

В трехфазном асинхронном двигателе магнитное поле статора индуцирует в обмотке ротора ток (рис. 6), который, в свою очередь, генерирует магнитное поле. Последнее, взаимодействуя с полем статора, создает тяговый или тормозной момент. В режиме тяги частота вращения ротора ниже частоты вращения поля статора, заданной преобразователем, а в режиме торможения — выше. Крутящий момент не возникает, если частоты вращения равны. Соотношение частот вращения ротора и поля статора характеризуется величиной, называемой скольжением.

В СДПМ поле ротора создается магнитами, которые либо распределены по поверхности ротора, либо размещены в его пазах (рис. 7). В последнем случае обеспечивается большая механическая прочность и меньшие потери на вихревые токи в роторе. В качестве материала для постоянных магнитов получил распространение сплав неодим-железобор (Nd2Fe14B) благодаря его оптимальным магнитным свойствам. Магнитное поле статора создается с помощью трехфазной многополюсной обмотки, размещенной в пазах шихтованного сердечника.

Рис. 6. Принцип работы асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором Рис. 7. Принцип работы СДПМ

Во всех электрических машинах вращающееся магнитное поле генерирует ЭДС, противоположную по направлению питающему напряжению — так называемую противо-ЭДС. При нулевой частоте вращения она равна нулю, однако с ее ростом линейно возрастает. Для поддержания постоянной величины крутящего момента в зоне 1 (см. рис. 4 и 5) следует увеличивать напряжение питания.

Крутящий момент электрической машины представляет собой произведение магнитного потока и тока. Силовой полупроводниковый преобразователь регулирует питающее постоянное или однофазное напряжение таким образом, чтобы значения тока в обмотках двигателя находились в допустимых пределах. Наиболее современным решением является использование преобразователей на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) с широтно-импульсной модуляцией.

В зоне 1, где сила тяги постоянна, напряжение (а в случае асинхронного двигателя — и частота) должно возрастать пропорционально частоте вращения двигателя, при этом значение произведения магнитного потока и тока, т. е. крутящего момента, поддерживается постоянным. При превышении номинального значения частоты вращения приложенное напряжение не может быть увеличено из-за ограничений параметров силового преобразователя и изоляции двигателя. Однако с точки зрения механических характеристик частота вращения может быть выше.

Переход в зону 2 осуществляется посредством ослабления поля, при этом уменьшается противо-ЭДС или (для СДПМ) осуществляется противодействие ее влиянию. В двигателях постоянного тока это достигается уменьшением величины тока, протекающего через обмотку возбуждения, за счет включения параллельно ей сопротивления ослабления поля, в традиционном синхронном двигателе — путем уменьшения тока в обмотке ротора. В асинхронном двигателе ослабление поля происходит автоматически с увеличением частоты тока обмотки статора, в то время как питающее напряжение остается неизменным. В СДПМ осуществить ослабление поля сложнее, поскольку поле ротора создается постоянными магнитами.

В зоне 3 магнитный поток и ток уменьшаются быстрее, чем в зоне постоянной мощности, чтобы избежать превышения предельных электрических и механических характеристик двигателя. Например, в двигателе постоянного тока независимого возбуждения ток якоря также снижается в зависимости от скорости.

Основная причина расширения применения СДПМ в тяговом приводе — их существенные преимущества по сравнению с трехфазными асинхронными двигателями. В пределах примерно 80% рабочего диапазона КПД СДПМ больше на 1-2%, а удельная мощность — на 30-35%, вследствие чего при равной мощности габариты и масса СДПМ примерно на 25% меньше.

В асинхронном двигателе имеет место нагрев ротора вследствие наличия мощности скольжения. В СДПМ он фактически отсутствует, благодаря чему нет необходимости в охлаждении ротора. Статор СДПМ обычно полностью герметичен и имеет жидкостное охлаждение, что способствует повышению надежности двигателя. Кроме того, при использовании СДПМ возможно осуществлять электрическое торможение при низких значениях скорости, что делает принципиально возможным самоуправляемое торможение при замыкании накоротко обмоток статора. Однако достижение этих преимуществ невозможно без компромисса. Выявлены семь основных факторов, препятствующих распространению СДПМ для целей электрической тяги, хотя уже разработаны методы решения этих проблем.

Ограничения размеров и стоимости четырехквадрантного преобразователя и двигателя не позволяют использовать их во всем диапазоне скорости только путем поддержания величины питающего напряжения, настолько превышающей противо-ЭДС, чтобы величина тока была достаточна для достижения требуемого крутящего момента. Проблема может быть решена с помощью ослабления поля, благодаря чему создаются зоны постоянного момента и постоянной мощности. Поскольку регулирование поля, создаваемого постоянными магнитами, затруднительно, ослабление поля достигается подачей тока в обмотки статора. Таким образом создается поле с вектором напряженности, направленным против вектора напряженности поля, создаваемого постоянными магнитами ротора. При этом возникают потери в меди обмотки статора, что в некоторой степени снижает положительный эффект, получаемый благодаря низким потерям при использовании ротора с постоянными магнитами.

Для управления токами, создающими эффект ослабления поля, необходимо определить положение ротора с точностью до 1-2 эл. град. Для четырехполюсного двигателя требуется механическое разрешение не менее чем 1,5 эл. град. Если использовать датчики, от них требуются весьма высокие точность и надежность, чтобы обеспечить нормальную работу системы управления. Возможно управление и без применения датчиков, однако при этом может быть снижена точность регулирования.

Магнитный поток зависит от температуры, при этом напряженность поля снижается примерно на 1% при увеличении температуры ротора на 10 К. Для СДПМ, которые работают в температурном диапазоне 200 К (от -40 до +160 °С), это имеет существенное значение. Поэтому электронная система управления должна контролировать рабочую температуру и учитывать ее при формировании управляющего сигнала.

Каждый СДПМ требует индивидуального силового полупроводникового регулятора, гарантирующего подачу управляющего импульса на включение силовой цепи строго в требуемый момент времени. Впрочем, в современном тяговом при-воде все чаще используются индивидуальные системы управления каждым двигателем. Таким образом, эта проблема решается.

При значительных токах и высоких температурах может произойти необратимое размагничивание, даже если температура ротора не достигает точки Кюри между 310 и 370 °C. Однако более опасно короткое замыкание в обмотке статора, которое может привести к разрушению двигателя, поскольку создаваемое постоянными магнитами вращающееся поле продолжает индуцировать значительные токи в статоре. Здесь размагничивание может быть полезным, поскольку снижает эти токи.

Еще одна проблема связана с тем, что при работе без нагрузки (когда поезд движется в режиме выбега) вращающийся ротор двигателя с постоянными магнитами продолжает индуцировать токи в сердечнике статора. Возникающие вихревые токи наряду с эффектом гистерезиса вызывают потери в стали, что снижает КПД двигателя.

Редкоземельные металлы, используемые в СДПМ, обладают хорошими магнитными свойствами, но довольно чувствительны к механическому и тепловому воздействию. Конструкция ротора у СДПМ сложнее, чем у асинхронных двигателей. Схема управления СДПМ также сложнее в связи с наличием многократных контуров обратной связи и необходимости преобразования сигнала.

Существует достаточно много областей применения, где преимущества СДПМ безусловно преобладают над их недостатками, и это делает их привлекательными для разработчиков тягового привода. Меньшие размеры и масса имеют особое значение при ограниченности пространства — например, в случае необходимости размещения двигателя на оси колесной пары без редуктора.

Более высокий КПД и меньшие потери в роторе обеспечивают существенные преимущества СДПМ с точки зрения совершенствования эксплуатационных характеристик подвижного состава и сокращения потребления энергии (рис. 8). Это видно, в частности, на примере электропоезда V150 компании Alstom. Асинхронные двигатели устанавливаются на тележках, расположенных под кузовами моторных вагонов, тогда как СДПМ могут быть размещены на тележках под узлами сочленения, что позволяет уменьшить сложность и массу тягового привода.

Рис. 8. Электромеханическая характеристика и КПД СДПМ

СДПМ могут в перспективе получить намного более широкое применение в тяговом приводе (таблица), подобно тому, как в середине 1980-х годов завоевали популярность трех-фазные асинхронные тяговые двигатели, пришедшие на смену двигателям постоянного тока.

Примеры применения тяговых СДПМ

Оператор, страна	Подвижной состав	Изготовитель
NTV (Италия)	25 высокоскоростных поездов AGV	Alstom
SBB (Швейцария)	59 двухэтажных электропоездов Twindexx	Bombardier
SNCF (Франция)	31 трамвай-поезд Citadis Dualis	Alstom
SNCF (Франция)	Электропоезда Regiolis (рамочный контракт)	Alstom
SNCF (Франция)	Электропоезда Omneo (рамочный контракт)	Bombardier
Прага (Чехия)	Низкопольные трамвайные вагоны типа 15T	Skoda
Метрополитен Токио (Япония)	Электропоезда серии 16000	Kawasaki
JR East (Япония)	Пригородные электропоезда серии E331 для Токио	Toshiba
Опытные образцы
Метрополитен Мюн­хена (Германия)	Электропоезд типа C19 с тележками Syntegra	Siemens
Китай	Прототип локомотива на топливных элементах	CNR Yongji
Швеция	Электропоезд Grona Taget	Bombardier
Турция	Низкопольный трамвай Citadis X04	Alstom
Япония	Поезд с изменяемой шириной колеи	RTRI

Железные Дороги Мира — 2011

Асинхронные двигатели переменного тока

и синхронные двигатели с постоянными магнитами

* Изображение предоставлено New Energy и Fuel.com

Авторы : Стив Бистак, региональный менеджер по продажам — NE, департамент приводов переменного тока / HMI, Fuji Electric Corp. of America, и Сунь Y. Ким (Шон), старший региональный менеджер, ACDR / HMI, Fuji Electric Corp of America

Большинство насосов и вентиляторов, работающих в промышленных и коммерческих целях, в настоящее время приводится в действие асинхронными двигателями переменного тока.«ACIM», что означает «асинхронный двигатель переменного тока», представляет собой асинхронный тип двигателя, в котором для вращения ротора используется электрический ток. Крутящий момент создается электрическим током в роторе. Электрический ток создается за счет электромагнитной индукции магнитного поля обмоток статора. В ACIM ротор всегда вращается с меньшей скоростью, чем магнитное поле. «PMSM», что означает «синхронный двигатель с постоянными магнитами», основан на использовании магнитов для вращения ротора, который вращается с той же скоростью, что и внутреннее вращающееся магнитное поле PMSM.

Есть несколько ключевых различий между асинхронными двигателями переменного тока и синхронными двигателями с постоянными магнитами.

Двигатели с постоянными магнитами ДОЛЖНЫ работать с приводом.

Асинхронные двигатели

переменного тока могут использоваться без частотно-регулируемого привода для привода насоса или вентилятора, но часто устанавливаются с частотно-регулируемыми приводами (VFD) в насосных системах или системах вентиляторов, чтобы повысить эффективность системы. Синхронным двигателям с постоянными магнитами для работы требуется привод. PMSM не могут работать без привода.Частотно-регулируемый привод необходим для точного управления скоростью PMSM в соответствии с требованиями приложения к давлению, расходу, объему и т. Д. Некоторые новые частотно-регулируемые приводы уже поставляются с опциями управления двигателем с постоянными магнитами в качестве стандартной функции, что позволяет операторам управлять двигателем с постоянными магнитами для более эффективного управления вентилятором и / или насосом.

Двигатели с постоянными магнитами обеспечивают значительное повышение эффективности по сравнению с асинхронными двигателями переменного тока.

Эффективность полной нагрузки двигателя с постоянными магнитами выше, чем у асинхронного двигателя переменного тока.На рисунке 1 ниже показаны диапазоны эффективности между двумя стандартами асинхронных двигателей переменного тока и известными опубликованными двигателями с постоянными магнитами.

Рисунок 1 . КПД двигателя с постоянными магнитами на мощности частотно-регулируемого привода. ACIM на синусоиде. Двигатели ACIM теряют 0,5–1,5 балла кпд при работе с частотно-регулируемым приводом.

Важно отметить, что частотно-регулируемые приводы не повышают КПД двигателя; ЧРП помогают повысить эффективность системы в диапазонах рабочих скоростей, поскольку большинство систем не работают на максимальных скоростях все время.Добавление частотно-регулируемого привода помогает повысить эффективность вашей системы, поскольку он может замедлять двигатель и вентилятор или насос, а не поворачивать клапан для дросселирования насоса или закрывать заслонку для перекрытия потока воздуха.

Взгляните на рисунок 2, на котором сравнивается 10-сильный синхронный двигатель с постоянным магнитом 1800 об / мин и двигатель NEMA Premium, работающий с нагрузкой с переменным крутящим моментом в диапазоне скоростей от 3 до 1. Вы можете видеть, что в обоих случаях КПД обоих типов двигателей падает. КПД двигателя NEMA Premium падает с примерно 90% до примерно 72% при 600 об / мин, а ECPM падает примерно с 94% до 83%.Хотя работа системы влияет на эффективность оборудования, было доказано, что двигатели с постоянными магнитами демонстрируют более высокий КПД по сравнению с асинхронными двигателями переменного тока.

Рисунок 2 . Сравнение относительных КПД между двигателем PMSM и ACIM с диапазоном изменения 3: 1.

Преимущества и недостатки двигателей с постоянными магнитами

Хотя асинхронные двигатели переменного тока чаще встречаются в системах с двигателем, они часто больше по размеру и менее эффективны, чем двигатели с постоянными магнитами.Хотя решения с двигателями с постоянными магнитами обычно имеют более высокую начальную стоимость, они могут предлагать меньший размер для более компактных механических блоков и, что более важно, более высокую эффективность.

Двигатели с постоянными магнитами обычно дороже, чем асинхронные двигатели переменного тока, и, как известно, их сложнее запускать, чем асинхронные двигатели переменного тока. Однако преимущества двигателей с постоянными магнитами включают в себя более высокий КПД (как обсуждалось выше), меньшие размеры (двигатели с постоянными магнитами могут составлять до одной трети от большинства размеров двигателей переменного тока, что значительно упрощает установку и обслуживание) и способность PMSM поддерживать полный крутящий момент на низких оборотах.

Тенденция меняется

Использование PMSM в сочетании с VFD не новость; однако инженеры-конструкторы и владельцы оборудования начинают устанавливать больше двигателей с постоянными магнитами для вентиляторов и насосов из-за их меньшего размера и большей эффективности. До этого момента частотно-регулируемые приводы требовали специальной формулы для привода двигателя с постоянными магнитами; Сейчас на рынке доступно несколько новых частотно-регулируемых приводов со встроенной стандартной функцией для управления двигателями с постоянными магнитами без дополнительных затрат.

По мере того, как все больше производителей частотно-регулируемых приводов начинают добавлять функции для более эффективного управления модулями управления двигателем, владельцы и операторы приобретают тенденцию к установке систем двигателей, которые работают более эффективно, в меньших корпусах и с меньшими затратами.

Лучшее соотношение цены и качества синхронный двигатель с постоянными магнитами — Отличные предложения синхронных двигателей с постоянными магнитами от глобальных продавцов синхронных двигателей с постоянными магнитами

Отличные новости !!! Вы попали в нужное место в поисках синхронного двигателя с постоянными магнитами.К настоящему времени вы уже знаете, что что бы вы ни искали, вы обязательно найдете это на AliExpress. У нас буквально тысячи отличных продуктов во всех товарных категориях. Ищете ли вы товары высокого класса или дешевые и недорогие оптовые закупки, мы гарантируем, что он есть на AliExpress.

Вы найдете официальные магазины торговых марок наряду с небольшими независимыми продавцами со скидками, каждый из которых предлагает быструю доставку и надежные, а также удобные и безопасные способы оплаты, независимо от того, сколько вы решите потратить.

AliExpress никогда не уступит по выбору, качеству и цене. Каждый день вы будете находить новые онлайн-предложения, скидки в магазинах и возможность сэкономить еще больше, собирая купоны. Но вам, возможно, придется действовать быстро, поскольку этот синхронный двигатель с постоянными магнитами в кратчайшие сроки станет одним из самых востребованных бестселлеров. Подумайте, как вам будут завидовать друзья, когда вы скажете им, что приобрели синхронный двигатель с постоянным магнитом на AliExpress.Благодаря самым низким ценам в Интернете, дешевым тарифам на доставку и возможности получения на месте вы можете еще больше сэкономить.

Если вы все еще не уверены в синхронном двигателе с постоянными магнитами и думаете о выборе аналогичного продукта, AliExpress — отличное место для сравнения цен и продавцов. Мы поможем вам решить, стоит ли доплачивать за высококлассную версию или вы получаете столь же выгодную сделку, приобретая более дешевую вещь.А если вы просто хотите побаловать себя и потратиться на самую дорогую версию, AliExpress всегда позаботится о том, чтобы вы могли получить лучшую цену за свои деньги, даже сообщая вам, когда вам будет лучше дождаться начала рекламной акции. и ожидаемая экономия.AliExpress гордится тем, что у вас всегда есть осознанный выбор при покупке в одном из сотен магазинов и продавцов на нашей платформе. Реальные покупатели оценивают качество обслуживания, цену и качество каждого магазина и продавца.Кроме того, вы можете узнать рейтинги магазина или отдельных продавцов, а также сравнить цены, доставку и скидки на один и тот же продукт, прочитав комментарии и отзывы, оставленные пользователями. Каждая покупка имеет звездный рейтинг и часто имеет комментарии, оставленные предыдущими клиентами, описывающими их опыт транзакций, поэтому вы можете покупать с уверенностью каждый раз. Короче говоря, вам не нужно верить нам на слово — просто слушайте миллионы наших довольных клиентов.

А если вы новичок на AliExpress, мы откроем вам секрет.Непосредственно перед тем, как вы нажмете «купить сейчас» в процессе транзакции, найдите время, чтобы проверить купоны — и вы сэкономите еще больше. Вы можете найти купоны магазина, купоны AliExpress или собирать купоны каждый день, играя в игры в приложении AliExpress. Вместе с бесплатной доставкой, которую предлагают большинство продавцов на нашем сайте, вы сможете приобрести синхронный двигатель с постоянным магнитом по самой выгодной цене.

У нас всегда есть новейшие технологии, новейшие тенденции и самые обсуждаемые лейблы.На AliExpress отличное качество, цена и сервис всегда в стандартной комплектации. Начните самый лучший шоппинг прямо здесь.

PPT — Синхронные двигатели с постоянными магнитами Презентация PowerPoint, скачать бесплатно

Синхронные двигатели с постоянными магнитами

Технология с постоянными магнитами Использование постоянных магнитов (PM) в конструкции электрических машин дает следующие преимущества: • нет электрическая энергия поглощается системой возбуждения поля и, таким образом, отсутствуют потери возбуждения, что означает существенное увеличение эффективности, • более высокий крутящий момент и / или выходную мощность на единицу объема, чем при использовании электромагнитного возбуждения, • лучшие динамические характеристики, чем у двигателей с электромагнитным возбуждением ( более высокая плотность магнитного потока в воздушном зазоре), • упрощение конструкции и обслуживания, • снижение цен на некоторые типы машин.

Классификация постоянного магнита

Классификация постоянного магнита

Введение • Синхронные двигатели с постоянными магнитами широко используются в промышленных сервоприводах благодаря своим высоким характеристикам. • Прозвище PMSM: бесщеточный двигатель постоянного тока с синусоидальной волной • Общие характеристики • Компактность • Высокая эффективность (без тока возбуждения) • Плавный крутящий момент • Низкий акустический шум • Быстрый динамический отклик (как крутящий момент, так и скорость) • Дорого

Применение • промышленные приводы, эл.г., насосы, вентиляторы, воздуходувки, мельницы, подъемники, подъемно-транспортные системы • лифты и эскалаторы, люди-движители, легкорельсовый транспорт и трамваи (трамваи), электромобили, управление воздушным движением поверхности управления

Строительство Общие сведения схема — Синусоидальное или квазисинусоидальное распределение магнитного потока в воздушном зазоре — Синусоидальное или квазисинусоидальное распределение тока — Квазисинусоидальное распределение проводников статора

Классификация по технологии ротора Ротор Merrill — Классическая конфигурация Ламинированное внешнее кольцо имеет глубокие узкие щели между полюсами PM.Поток утечки, создаваемый PM, можно регулировать, изменяя ширину узких щелей. PM устанавливается на вал с помощью втулки из алюминиевого или цинкового сплава.

Классификация на основе технологии ротора Внутренний магнит Ротор с внутренним магнитом имеет радиально намагниченные и чередующиеся поляризованные магниты. Поскольку площадь полюса магнита меньше площади полюса на поверхности ротора, плотность потока в воздушном зазоре в разомкнутой цепи меньше, чем плотность потока в магните.Магнит очень хорошо защищен от центробежных сил. Такая конструкция рекомендуется для высокочастотных высокоскоростных двигателей.

Классификация на основе роторной технологии Ротор с поверхностным магнитом Двигатель с поверхностным магнитом может иметь магниты, намагниченные радиально или иногда по окружности. Иногда используется внешний неферромагнитный цилиндр с высокой проводимостью. Он защищает PM от размагничивающего действия реакции якоря и центробежных сил, обеспечивает асинхронный пусковой момент и действует как демпфер.

Классификация на основе роторной технологии Ротор со вставным магнитом В двигателях вставного типа PM намагничены радиально и заделаны в мелкие пазы. Магнитная цепь ротора может быть многослойной или из цельной стали. В первом случае требуется пусковая обмотка или внешний неферромагнитный цилиндр. Синхронное реактивное сопротивление по оси q больше, чем по оси D.

Классификация на основе роторной технологии Синхронное реактивное сопротивление по оси q больше, чем по оси d.Пусковой асинхронный крутящий момент создается с помощью как обмотки клетки, встроенной в пазы полюсных башмаков ротора (многослойный сердечник), так и сплошных выступающих полюсных башмаков, изготовленных из гильзы из мягкой стали.

Сравнение поверхностного и скрытого магнита PMSM Поверхностные магниты • Простая конструкция двигателя • Малый поток реакции якоря • Постоянные магниты не защищены от полей якоря • Вихретоковые потери в постоянных магнитах • Дорогой амортизатор Скрытые магниты • Относительно сложная конструкция двигателя • Высокий поток реакции якоря • Постоянные магниты, защищенные от полей якоря • Отсутствие потерь на вихревые токи в постоянных магнитах • Менее дорогой демпфер

Сравнение поверхностного и скрытого магнита PMSM

Новые тенденции в PMSM Концентрированные обмотки • — Короткие конечные витки • — Компактная обмотка • — Высокая индуктивность

Новые тенденции в PMSM Концентрированные обмотки • — Короткие конечные витки • — Компактная обмотка • — Высокая индуктивность

Новые тенденции в PMSM Специальная конфигурация обмоток для «отказоустойчивых» приводов с постоянным магнитом. физическая, магнитная и термическая развязка фаз.Высокая индуктивность может использоваться для ограничения короткого замыкания.

Роль толщины магнита в PMSM • Более толстые магниты дают больший магнитный поток и, следовательно, больший крутящий момент на ампер. Но более высокий поток также означает более высокие потери в сердечнике. • Более толстые магниты дают более низкую индуктивность. Более быстрый отклик, но более высокая пульсация тока ШИМ. • Более толстые магниты делают двигатель более устойчивым к размагничиванию. • Более толстый магнит также значительно увеличивает стоимость. • Удвоение толщины обычно дает только на 5-10% больше магнитного потока.

Принцип работы

Теория Фазное сопротивление R Сопротивление меди, используемой в фазной обмотке. Фазовая ЭДС или пиковая потокосцепление Фазовая индуктивность PM Lph Обычно сумма индуктивности воздушного зазора, паза и концевого витка Взаимная индуктивность M Магнитосцепление от одной фазы к другой с синусоидальными обмотками на трехфазной машине 1/2 потока воздушного зазора будет передаваться на другая фаза.

Теория Трехфазный PMSM может быть смоделирован эквивалентной схемой, показанной на рисунке

Теория Предполагая симметрию во всех фазах и магнитах, установленных на поверхности, т.е. постоянные индуктивности и взаимные индуктивности, уравнение напряжения упрощается to Уравнение напряжения легко выводится как

Теория Крутящий момент Уравнение напряжения можно упростить как

Теория Крутящий момент Примечание для PMSM с поверхностными магнитами Ld ≈ Lq.Т.е. это означает, что крутящий момент просто пропорционален току PSMS по оси q в системе отсчета dq.

Недостатки PMSM • Низкий диапазон скоростей при высокой постоянной мощности, но гибридная конструкция с реактивным крутящим моментом позволяет опережение фазы расширять диапазон скоростей 􀂙 Благодаря высокой энергии постоянный магнит может обеспечить диапазон скоростей 3: 1 и не требует изменения передаточного числа • Высокая стоимость постоянных магнитов • Коррозия магнита и возможное размагничивание • Большой воздушный зазор в машинах с ПМ для поверхностного монтажа

.