Технология встроенных магнитов в бесщеточных двигателях

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 двигателей 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 IPM двигателях 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 поверхностных 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 SPM двигателях.

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 значительным 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, обеспечивающая 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.