Синхронный электродвигатель с постоянными магнитами

Синхронный электродвигатель с постоянными магнитами (СДПМ, англ. Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM) — это электрическая машина переменного тока, в которой ротор выполнен с использованием постоянных магнитов, а частота вращения ротора в установившемся режиме синхронна с частотой вращения магнитного поля статора. Относится к классу синхронных машин и является одним из наиболее распространённых типов электродвигателей в современной промышленности, транспорте и робототехнике благодаря высокому КПД, компактности и точности управления.

История

Первые теоретические основы синхронных машин были заложены в конце XIX века. Развитие технологии постоянных магнитов долгое время сдерживалось низкими характеристиками доступных материалов (углеродистая сталь, альнико). Значительный прогресс произошёл в 1960–1970-х годах с появлением ферритовых магнитов, а затем — редкоземельных магнитов на основе самария-кобальта (SmCo). Настоящий прорыв случился в 1980-х годах после открытия магнитов на основе неодима-железа-бора (NdFeB), которые обладают высокой остаточной намагниченностью и коэрцитивной силой при относительно низкой стоимости. С этого момента началось массовое внедрение СДПМ в электроприводы различного назначения, вытесняя коллекторные двигатели постоянного тока и асинхронные двигатели в ряде применений.

Устройство и принцип действия

Конструкция

СДПМ состоит из двух основных частей: статора и ротора.

Статор — неподвижная часть, конструктивно схожа со статором асинхронного двигателя. Он представляет собой шихтованный магнитопровод (пакет из листов электротехнической стали) с пазами, в которых уложена трёхфазная (реже — многофазная) обмотка. Обмотка статора подключается к источнику переменного тока, формирующему вращающееся магнитное поле.

Ротор — вращающаяся часть. В отличие от асинхронного двигателя, ротор СДПМ не имеет обмоток возбуждения или короткозамкнутой клетки. Вместо этого на роторе или внутри него закреплены постоянные магниты. По расположению магнитов различают две основные конструкции ротора:

С поверхностным расположением магнитов (Surface-Mounted PM, SPM): магниты в виде сегментов приклеиваются или крепятся механически на внешней цилиндрической поверхности ротора. Такая конструкция проста в изготовлении, но имеет ограничения по механической прочности на высоких скоростях.
С внутренним расположением магнитов (Interior PM, IPM): магниты запрессовываются или вставляются в специальные карманы внутри шихтованного сердечника ротора. Это обеспечивает лучшую механическую защиту магнитов и позволяет использовать реактивный (релуктантный) момент, что повышает перегрузочную способность и диапазон регулирования скорости. Двигатели с IPM-ротором часто называют синхронными реактивно-синхронными двигателями с постоянными магнитами.

Принцип работы

При подаче на обмотки статора трёхфазного переменного тока возникает вращающееся магнитное поле, частота вращения которого (синхронная частота) определяется частотой питающего напряжения и числом пар полюсов. Постоянные магниты ротора создают собственное магнитное поле. Взаимодействие поля статора и поля ротора порождает электромагнитный момент, который увлекает ротор за полем статора. В установившемся режиме ротор вращается с той же частотой, что и поле статора (синхронно), отсюда и название двигателя. Угол между осью поля статора и осью поля ротора (угол нагрузки) зависит от момента сопротивления на валу.

Классификация

СДПМ классифицируются по нескольким признакам:

По форме противо-ЭДС:

С синусоидальной противо-ЭДС: обмотка статора распределена в пазах таким образом, чтобы создавать синусоидальное распределение магнитного поля. Требуют синусоидального управления (векторного управления) для минимизации пульсаций момента.
С трапецеидальной противо-ЭДС (бесколлекторные двигатели постоянного тока, BLDC): обмотка сосредоточенная, поле имеет ступенчатую форму. Управляются проще (шестишаговая коммутация), но имеют более высокие пульсации момента.

По конструкции ротора:

SPM (поверхностные магниты).
IPM (внутренние магниты).

По типу магнитов:

На ферритовых магнитах (дешёвые, низкая энергия, подвержены размагничиванию).
На редкоземельных магнитах (NdFeB, SmCo) — высокая энергия, дорогие, NdFeB чувствительны к высокой температуре.

По наличию датчика положения:

С датчиком: используют резольвер, энкодер или датчик Холла для точного определения положения ротора, необходимого для векторного управления.
Без датчика (sensoless): положение ротора определяется косвенно по электрическим сигналам (противо-ЭДС, индуктивность обмоток). Сложнее в реализации, особенно на низких скоростях.

Характеристики и параметры

Основные характеристики СДПМ включают:

Номинальная мощность: от нескольких ватт (в микроэлектроприводах) до десятков мегаватт (в судовых движителях, крупных компрессорах).
Номинальная частота вращения: от десятков до десятков тысяч оборотов в минуту.
КПД: обычно выше, чем у асинхронных двигателей той же мощности, достигая 95–98% в номинальном режиме. Высокий КПД обусловлен отсутствием потерь на возбуждение в роторе (потери в меди ротора).
Коэффициент мощности (cos φ): может быть близок к единице или даже опережающим (ёмкостным), что позволяет компенсировать реактивную мощность в сети.
Перегрузочная способность: по моменту — до 3–5 крат от номинального, ограничена механической прочностью магнитов и допустимым нагревом.
Момент инерции: мал по сравнению с двигателями других типов благодаря компактному ротору.
Диапазон регулирования скорости: широкий, особенно у IPM-двигателей, работающих в режиме ослабления поля.

Применение

Благодаря своим преимуществам, СДПМ широко применяются в различных отраслях:

Промышленность

Станкостроение: главный привод и приводы подач в металлорежущих станках с ЧПУ (токарные, фрезерные, шлифовальные). Высокая точность позиционирования и широкий диапазон регулирования скорости.
Робототехника: сервоприводы промышленных роботов, коллаборативных роботов (коботов), экзоскелетов.
Насосы и вентиляторы: высокоэффективные приводы для систем водоснабжения, отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC).
Компрессоры: приводы винтовых и центробежных компрессоров, в том числе в холодильной технике.
Текстильная и полиграфическая промышленность: приводы, требующие точного поддержания натяжения нити или полотна.

Транспорт

Электротранспорт: тяговые электродвигатели для электромобилей, гибридных автомобилей, электроскутеров, электровелосипедов. Примеры: Nissan Leaf, Tesla Model S (использует IPM-двигатель), Toyota Prius (гибридный привод).
Железнодорожный транспорт: тяговые двигатели для электропоездов и локомотивов.
Судостроение: гребные электродвигатели (винторулевые колонки, азиподы) для ледоколов, круизных лайнеров, военных кораблей.
Авиация: стартёры-генераторы, приводы рулевых поверхностей, электрические двигатели для самолётов с электрической силовой установкой (eVTOL).

Бытовая техника и потребительские товары

Стиральные машины: прямые приводы барабана (например, технология Inverter Direct Drive от LG).
Кондиционеры: приводы компрессоров и вентиляторов инверторных сплит-систем.
Холодильники: приводы компрессоров с инверторным управлением.
Электроинструмент: аккумуляторные дрели, шуруповёрты, болгарки.
Компьютерная техника: приводы жёстких дисков (HDD), вентиляторы охлаждения.

Энергетика

Ветрогенераторы: синхронные генераторы с постоянными магнитами (СГПМ) для ветроэнергетических установок малой и средней мощности.
Гидроэнергетика: малые гидроэлектростанции.

Преимущества и недостатки

Преимущества

Высокий КПД (особенно в частичных нагрузках).
Высокая удельная мощность (отношение мощности к массе/объёму).
Широкий диапазон регулирования скорости.
Высокая точность позиционирования.
Малое тепловыделение в роторе (нагревается только статор, что упрощает охлаждение).
Бесшумность и плавность хода (отсутствие коллектора и щёток).
Высокая надёжность и долговечность (нет изнашивающихся щёток).

Недостатки

Высокая стоимость из-за использования редкоземельных магнитов (NdFeB).
Ограничение по максимальной температуре (неодимовые магниты теряют намагниченность при нагреве выше 80–150 °C, самарий-кобальтовые — до 300 °C).
Сложность управления (требуется специализированный инвертор и контроллер с векторным управлением).
Наличие обратной ЭДС (при вращении ротора генерируется напряжение на обмотках статора, что может быть опасно при коротком замыкании).
Сложность ремонта (замена магнитов требует специального оборудования).

Перспективы развития

Основные направления развития СДПМ связаны с:

Снижением стоимости за счёт использования менее дорогих магнитов (например, ферритовых в комбинации с реактивным моментом) или безредкоземельных технологий.
Повышением термостойкости магнитов (разработка новых составов NdFeB с добавками диспрозия и тербия).
Улучшением конструкции для работы на сверхвысоких скоростях (до 100 000 об/мин и выше) для микротурбин и шпинделей.
Развитием бездатчиковых алгоритмов управления для удешевления и повышения надёжности.
Интеграцией с силовой электроникой (мотор-инверторные модули).

Источники

Копылов И.П. Электрические машины: учебник для вузов. — М.: Высшая школа, 2000.
Вольдек А.И., Попов В.В. Электрические машины. Машины переменного тока: учебник. — СПб.: Питер, 2008.
Krishnan R. Permanent Magnet Synchronous and Brushless DC Motor Drives. — CRC Press, 2010.
ГОСТ 27471-87. Машины электрические вращающиеся. Термины и определения.
Техническая документация ведущих производителей (Siemens, ABB, Yaskawa, Fanuc).

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →