Бесколлекторные двигатели с постоянными магнитами

Применение больших двигателей переменного тока с постоянным магнитом (ПМ) при решении серьезных промышленных и оборонных задач становится более заметным. Их количество ограничено скорее рядом рыночных проблем, чем технологией. Большая плотность мощности и эффективность - вот главные преимущества таких двигателей.

Показанный во время испытаний 11,4 МВт высокоскоростной (6225 об/мин) бесколлекторный двигатель с ПМ от Canopy Technologies (DRS и Elliot) относится к семейству двигателей, которое охватывает диапазон мощностей 4-32 МВт. Он предназначен для промышленного применения.

Бесколлекторные двигатели с постоянным магнитом (ПМ) лучше известны в отраслях, где требуются сравнительно небольшие габариты и низкая потребляемая мощность. Такие двигатели могут иметь практически любой размер без каких-либо технологических ограничений. Большие бесколлекторные двигатели с ПМ не являются чем-то совершенно новым. Они поставляются отдельными производителями, стремящимися преодолеть экономические трудности, которые еще недавно ограничивали ассортимент таких двигателей.

Большие бесколлекторные двигатели с ПМ имеют ряд преимуществ, среди которых можно назвать большую плотность мощности и высокую эффективность из-за отсутствия потерь в роторе. Выгоды от их использования связаны с ценой, поскольку затраты на производство и стоимость материалов, включая высокоэффективные магниты, быстро растут. Для управления бесколлекторными двигателями с ПМ также необходим частотно-регулируемый привод (VFD). Тем не менее, анализ показателей затрат и результатов показывает, что двигатели с ПМ более предпочтительны по сравнению с альтернативными технологиями (см. ниже) для отраслей промышленности с тяжелым режимом работы, судовых двигателей, в военной/ оборонной области и в других секторах, число которых постоянно растет.

Всесторонний анализ потенциального применения является главным для обоснования затрат и результатов. Этому могут помочь недавние улучшения. Известная эксплуатационная готовность приводов в сочетании с такой существенной тенденцией, как снижение цены на приводы и магнитные материалы наводит на мысль о том, что все больше таких двигателей будет эксплуатироваться в ближайшем будущем. Лучшая осведомленность пользователей о больших двигателях с ПМ будет способствовать такому росту применения.

Приводы и магниты дают импульс к развитию

Компания DRS Technologies Inc., известный разработчик и производитель больших бесколлекторных двигателей с ПМ, начала применять некоторые из своих разработок в области силовых систем в оборонной промышленности, на промышленных предприятиях, на судах и на транспорте. Усовершенствования в области технологии магнитов и частотно-регулируемых приводов, необходимых для запуска и работы двигателей с ПМ, позволили создать двигатели больших размеров. Приводы, использующиеся в DRS, являются приводами высокого напряжения (1,5-6,6 кВ) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и векторным или бездатчиковым векторным управлением.

Размер вала является реальным индикатором высокого выходного крутящего момента (1600 Нм в длительном режиме; 4100 Нм - в пиковом) бесколлекторного двигателя с ПМ от Powertec мощностью 300 кВт в непрерывном режиме с внешним диаметром, уменьшенным до 40 см (слева). Считается, что он был первым большим бесколлекторным двигателем, который прошел испытания на удар Navy Mil-S-901D. Блок со станиной NEMA 259T от Powertec создает крутящий момент 1000 Нм для перемещения по азимуту системы Advanced Gun System в новых Stealth Destroyers ВМС США (справа).

Эдгар С. Тэкстон, главный инженер и руководитель отдела проектирования систем в компании DRS Power Technologies, отмечает, что в последние десять лет произошло значительное улучшение надежности VFD наряду с увеличением номинальной мощности, которая может достигать 60 МВт и более. Увеличение мощности отчасти связано с появлением современных устройств коммутации мощности, таких как биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) и тиристоры с полным управлением по затвору (IGCT). "Двигатели с ПМ в полной мере проявляют себя в тех областях, где необходимы VFD или там, где управление с регулируемой частотой дает преимущества в эксплуатации, которые перевешивают высокую стоимость VFD", - говорит Э. С. Тэкстон.

Если говорить о магнитных материалах, нужно отметить, что их коррозионная стойкость, механические свойства и температурный диапазон значительно улучшились. В результате машины с ПМ могут эксплуатироваться как в отраслях промышленности с тяжелым режимом работы, так и в военной области. "Стоимость постоянных магнитов из редкоземельных металлов за последние десять лет снизилась в пять раз, в то время как соответствующая удельная намагничивающая сила возросла в три раза" - поясняет Тэкстон. Это означает улучшение показателей соотношения затрат и результатов в 15 раз и является существенным для постоянной "доступности по цене".

В DRS Technologies считают, что по своим возможностям конструкция их бесколлекторного двигателя с ПМ с более высоким числом полюсов превосходит альтернативный синхронный двигатель. К его преимуществам относится уменьшение веса и габаритов.

Еще одна компания, имеющая длительную историю производства высокоэффективных бесколлекторных двигателей с ПМ (и приводов) - это Powertec Industrial Motors Inc. В настоящее время она достигла уровня 300 кВт для стандартной продукции. Основные области применения связаны с военной и оборонной отраслями, а также с применением в промышленном производстве со взрывоопасными условиями. Одно время компания производила бесколлекторные двигатели постоянного тока мощностью до 450 кВт. В этих машинах с наружным диаметром около 65 см использовались ферритовые постоянные магниты. Они поставлялись с воздушным или жидкостным охлаждением. Такие двигатели относятся к заказной продукции, и в настоящее время серийно не выпускаются. В 2006 г. планируется выпустить новую модель мощностью до 750 кВт.

В Powertec согласны с тем, что между двигателями и приводами существует определенная взаимосвязь. Раньше большие мощные IGBT-приводы, способные работать с бесколлекторными двигателями, были недоступны из-за высоких цен. "За последние пять лет это положение существенно изменилось. Теперь такие приводы стали доступнее по более приемлемым ценам", - отмечает Эд Ли, главный исполнительный директор Powertec. Для управления двигателями в компании используются низковольтные приводы (до 600В).

Тем не менее, в Powertec считают, что причины нехватки больших двигателей с ПМ связаны в большей мере с рыночными, а не с технологическими факторами. "Несмотря на то, что большие двигатели с ПМ доступны, они имеют высокую стоимость по сравнению со стандартными двигателями. По этой причине, вне зависимости от того, что эффективность, меньшие габариты (высокая плотность мощности) и более высокие динамические характеристики являются важными при эксплуатации, покупатель не будет тратить лишние деньги", - утверждает Ли. В результате этого производителей таких двигателей все еще не так много.

На сегодняшний день, отмечает Ли, в промышленных двигателях используются два наиболее доступных редкоземельных магнитных материала: неодим-железо-бор (Nd-Fe-B) и самарий-кобальт. Они близки по магнитной проницаемости, однако самарий-кобальт имеет лучшие характеристики при высокой температуре. Несмотря на то, что цена на магниты из Nd-Fe-B за последние пять-семь лет существенно снизилась, этот материал остается более дорогостоящим по сравнению с равноценными материалами, которые используются в роторах асинхронного двигателей переменного тока. "Стоимость магнита и низкий объем производства оказывают влияние на то, что цена бесколлекторных двигателей с ПМ остается высокой. Это, соответственно, оказывает влияние на недостаточный спрос на эти двигатели", - делает вывод Ли.

Высокий крутящий момент

В Automation & Drives Div. Siemens AG считают, что большие двигатели с ПМ в основном применяются для работы с высоким крутящим моментом. Такие двигатели имеют конструкцию с непосредственным приводом (без коробки передач). "Это связано с тем, что, заботясь о сокращении издержек производства, производители все больше внимания уделяют снижению расходов на техническое обслуживание своих фондов", - поясняет Роберт Ленинг, менеджер по большим двигателям переменного тока в Siemens A&D Large Drives Div. "Один из шагов в данном направлении - это использование технологии прямого привода, которая позволяет обходиться без коробки скоростей, - отмечает Ленинг. - По сравнению с двигателями, коробки скоростей требуют более тщательного обслуживания и пристального наблюдения, они также имеют более низкий ресурс работы".

Далее он указывает на низкоскоростную модель высокомоментных двигателей от Siemens, замечая: "По нашему мнению, большие двигатели с ПМ с номинальной частотой вращения от 800 до почти 5000 об/мин не имеют реальных преимуществ перед стандартными асинхронными машинами". Технология на основе ПМ также может быть "интересна" для электродвигателей с высоким числом оборотов, например 10000 об/мин и выше. В этом случае их эффективность выше, чем у асинхронных двигателей. По его словам, однако, применение двигателей с данной технологией в этой области обычно очень специфично. Ленинг упоминает также, что стоимость высокоэффективных магнитов снижается, что делает технологию двигателя с ПМ более привлекательной. Несмотря на это, полная технология прямого привода пока еще дороже по сравнению с асинхронными двигателями. "Следовательно, двигатели с ПМ вряд ли заменят в обозримом будущем традиционные асинхронные двигатели для стандартных приложений", - говорит он, отмечая также усовершенствование средств проектирования и "ноу-хау" для разработки двигателей с ПМ, на котором основана эта линейка устройств.

В Yaskawa Electric соглашаются с мнением, что не существует технических барьеров для создания больших бесколлекторных двигателей с ПМ в диапазоне до 100 кВт. Проблемы в основном носят экономический характер. Обсуждения с потребителями и ссылки на мощные двигатели встречаются часто, однако это изделие не относится к числу типовых или "серийных". Yaskawa предоставляет экономические характеристики и обеспечивает надежность технологии двигателя с внутренним постоянным магнитом (IPM), использующейся в мощных двигателях на протяжении нескольких лет. Кроме этого, компания использует серводвигатели с IPM в своих станках (последнюю статью о серводвигателях с IPM см.: Control Engineering Россия, 2006 г., № 2, стр. 17-21).

Являясь частью новой линейки продукта HT-direct от Siemens, этот бесколлекторный двигатель с ПМ с водяным охлаждением имеет номинальный диапазон крутящего момента 18000 Нм при напряжении 690 В. Выпуск двигателей HT-direct запланирован на июнь 2006 г. Они также будут поставляться с вариантом воздушного охлаждения.

На производителей этих устройств все большее влияние оказывает экономическая необходимость сокращения времени вывода нового изделия на рынок. В компании утверждают, что для того, чтобы помочь потребителям извлечь выгоду из применения цифровых сервосистем в процессах и механизмах с высокой мощностью, Yaskawa распространяет технологию двигателей с IPM на свое производственное оборудование для повышения номинальной мощности.

Итальянская компания Oemer Motori Elettrici Spa - еще один производитель, больших бесколлекторных двигателей с ПМ. Компания, в частности, предлагает безредукторные электродвигатели с большим пусковым моментом с диапазоном мощности до 300 кВт и числом оборотов до 500 об/мин, трехфазные серводвигатели с жидкостным охлаждением мощностью до 318 кВт при 5000 об/мин, и высокопроизводительные блоки, которые достигают мощности на выходе свыше 1 МВт при номинальной скорости до 2600 об/мин для скоростных промышленных приложений. Линейка продукции Oemer была представлена на выставке SPS/IPC/Drives в Германии в ноябре 2005 г.

Большое число преимуществ

По данным DRS Technologies двигатели с ПМ на 1-2% превосходят по КПД асинхронные двигатели и синхронные двигатели при полной нагрузке и на 10-15% - при неполной нагрузке. Эффективность обеспечивается за счет полного возбуждения ротора без тока и отсутствия соответствующих потерь на всех скоростях. В качестве примера Тэкстон приводит низкоскоростной двигатель корабельной силовой установки, достигающий поразительного КПД-99,3%!

При этом упрощается охлаждение двигателя, поскольку тепло, исходящее от ротора, незначительно. Охлаждение необходимо только для статора и, поскольку он является "внешней структурой" более предпочтительным становится водяное охлаждение. Упрощение схемы охлаждения также приводит к гибкой геометрии двигателя. "Машины с ПМ поддерживают намного более широкий диапазон соотношений размеров, чем стандартные двигатели. Возможны короткие, с большим диаметром и длинные, узкие машины, так же как и радиальные (традиционные) и аксиальные (дисковые) модели с воздушным зазором", - говорит он.

Габариты и вес компактных бесколлекторных двигателей с ПМ уменьшаются на 1/2 - 1/3 по сравнению с габаритами традиционных двигателей. Кроме того, их характеризует простота, поскольку обмотка есть только у статора, что увеличивает надежность. В отличие от этого асинхронные двигатели имеют роторную и статорную обмотку, в то время как синхронные двигатели с фазным полем (WFS) конструктивно еще более сложны. Они включают основной статор, основной ротор, ротор-возбудитель, обмотки статора-возбудителя и, в большинстве случаев, вращающийся выпрямитель, поясняет Тэкстон.

В DRS Technologies продемонстрировали опытные образцы двигателей с ПМ, которые достигают более высокой мощности для заданной скорости по сравнению с традиционными машинами, что дает большую гибкость в согласовании нагрузки и избавляет от необходимости использования передаточных механизмов (в конструкции двигателя с прямым приводом). "Двигатели с ПМ имеют ту же стоимость, что и стандартные машины. До тех пор, пока есть необходимость использовать VFD, существует минимальное основание для выбора стандартной машины",- продолжает Такстон.

В Powertec преимущества больших бесколлекторных двигателей видят в более высоком КПД, высокой плотности мощности (меньшем объеме, приходящемся на выходную мощность) и в более высоких динамических характеристиках. КПД бесколлекторных двигателей с ПМ на 3% превосходит аналогичный показатель асинхронных двигателей переменного тока. Ли указывает на то, что эта разница может быть и меньше, если будут предприняты все меры для минимизации потерь в асинхронных двигателях (как это сделано, например, в особых энергосберегающих конструкциях).

"Однако такие асинхронные двигатели с низким скольжением вряд ли будут удобными для работы прямо от сети без привода из-за очень высокого начального тока и пониженного пускового момента, - добавляет Ли. - С другой стороны, бесколлекторные двигатели с ПМ также не могут работать прямо от сети, поскольку они должны подключаться с определением положения вала".

В Siemens главные преимущества применения больших бесколлекторных двигателей с ПМ видят в более низких эксплуатационных расходах, более высокой общей работоспособности системы и меньшей рабочей площади. Отсутствие коробки скоростей помогает в различных областях: более низкие расходы на техническое обслуживание и более высокая эффективность электропривода, благодаря меньшим потерям мощности, а также меньшая сложность системы.

Проблемы управления, большее число полюсов

Управление большими двигателями с ПМ не представляет особых сложностей. Приводы с ШИМ сейчас обеспечивают уровень управления, соответствующий решению ответственных задач промышленного производства, а также позволяют снизить мощность гармоник системы и повысить коэффициент мощности.

По мнению Тэкстона из DRS высокая плотность мощности для большинства бесколлекторных двигателей с ПМ обусловлена большим, чем у стандартных двигателей, числом полюсов. "Двигатели с ПМ могут иметь в три раза больше полюсов, чем WFS-двигатель того же диаметра". Это позволяет сделать двигатель более легким, малогабаритным и с более гибкой геометрией.

Вместе с тем, наличие большего числа полюсов означает, что VFD должен вырабатывать более высокие частоты. Для определенной скорости и двигателя с ПМ показатель 415 Гц на входе не является исключительным. "У высокоскоростных мощных двигателей этот показатель может быть основным для разработки топологии сети УГВ, также как и диапазон частот устройств управления",- добавляет к сказанному Тэкстон.

В Powertec отмечают, что помимо необходимости коммутации бесколлекторного двигателя с ПМ с учетом его положения, другие проблемы в управлении этими двигателями такие же, что и у асинхронных двигателей той же мощности. По словам Ли, около половины используемых в настоящее время приводов настраиваются на тип двигателя с помощью программных алгоритмов управления коммутацией для бесколлекторных двигателей и управления скольжением для асинхронных двигателей.

"Эта процедура сведена к выбору в меню", - утверждает Ли. Он ссылается на способность бесколлекторного двигателя работать в качестве генератора с возбуждением от ПМ. "Там, где благодаря установке режима высоких скоростей имеют место скорости двигателя выше "базовой скорости", генерируемое напряжение может значительно превысить допустимый уровень, предусмотренный конструкцией шины",- утверждает Ли. Это может нанести вред только в некоторых редких случаях, но должно быть согласовано при установке.

В Siemens сходятся во мнении, что проблемы управления не отличаются существенно от тех же проблем с асинхронными двигателями. Бесколлекторные двигатели с ПМ работают под управлением VFD с незначительно измененным алгоритмом программы.

Примеры использования

В DRS Technologies недавно прошел испытания на полной мощности в 36,5 МВт, 127 об/мин корабельный двигатель для ВМС США, который создавал крутящий момент более 2700000 Нм. В Canopy Technologies LLC, совместном предприятии DRS и Elliott Company Inc., которое является ведущим производителем скоростного электропривода, завершено испытание промышленного двигателя (первое фото) мощностью 11,4 МВт (6225 об/мин). Утверждается, что это два самых мощных двигателя с ПМ в мире. Большие высокоэффективные двигатели с ПМ находят наилучшее применение в больших морских судах. Их использование особенно привлекательно из-за растущей стоимости топлива. DRS также производит высокоэффективные двигатели с ПМ, которые, как сообщается, достигают свыше 1,65 кВт/кг в диапазоне мощностей 380-750 кВт.

Среди множества сфер применения Powertec упоминает новую Advanced Gun System ВМС США для программы Stealth Destroyer, где используется множество больших высокодинамичных бесколлекторных двигателей с ПМ. Двигатель поднятия по высоте, имеющий диаметр всего 30 см, развивает крутящий момент более 1080 Нм при пиковой скорости 2000 об/мин (свыше 220 кВт в пике). По данным Powertec ВМС рекомендует использование бесколлекторных двигателей там, где это только возможно - в новых или модернизируемых приложениях - благодаря их меньшим размерам и массе.

Еще одна сфера применения включает надежное управление азимутом и углом места гигантской антенны весом 1800 т, входящей в систему Missile Defense Antenna. Для обеспечения необходимой мощности и высокой динамики были поставлены восемь бесколлекторных двигателей мощностью 170 кВт, управляющие азимутом, и четыре двигателя мощностью 37 кВт, управляющие углом места. Таким образом, общая мощность двигателей составляла 1500 кВт.

Двигатель с воздушным охлаждением от Powertec мощностью 300 кВт со станиной NEMA 3213T (40 см в диаметре), показанный ранее - это иллюстрация компактности этих машин. Вентилятор и распределительная коробка показаны в пропорции с реальным двигателем. Распределительная коробка кажется огромной из-за требований NEMA к ее объему при подключении многочисленных проводов.

Состояние технологии бесколлекторных двигателей с ПМ представляет собой своего рода головоломку. Несколько лет назад журнал Control Engineering отмечал, что по мере роста спроса могли бы производиться все более мощные двигатели. В журнале был поставлен вопрос: "Если такие двигатели будут созданы, появятся ли пользователи?" Эд Ли из Powertec формулирует эту мысль таким образом: "По мере того, как все большее число потребителей захотят иметь и начнут приобретать эти двигатели, тем большее количество двигателей более крупных размеров появится на рынке".