Ipm двигатель что это

Дмитрий Левкин

Главное отличие между синхронным двигателем с постоянными магнитами (СДПМ) и асинхронным электродвигателем заключается в роторе.

Проведенные исследования1 показывают, что СДПМ имеет КПД примерно на 2% больше, чем высоко эффективный (IE3) асинхронный электродвигатель, при условии, что статор имеет одинаковую конструкцию, а для управления используется один и тот же частотный преобразователь.

При этом синхронные электродвигатели с постоянными магнитами по сравнению с другими электродвигателями обладают лучшими показателями: мощность/объем, момент/инерция и др.

Конструкции и типы синхронного электродвигателя с постоянными магнитами

Синхронный электродвигатель с постоянными магнитами, как и любой вращающийся электродвигатель, состоит из ротора и статора. Статор — неподвижная часть, ротор — вращающаяся часть.

Синхронный электродвигатель со встроенными постоянными магнитами

Обычно ротор располагается внутри статора электродвигателя, также существуют конструкции с внешним ротором — электродвигатели обращенного типа.

Конструкции синхронного двигателя с постоянными магнитами: слева — стандартная, справа обращенная.

Ротор состоит из постоянных магнитов. В качестве постоянных магнитов используются материалы с высокой коэрцитивной силой.

Электродвигатель с неявно выраженными полюсами имеет равную индуктивность по продольной и поперечной осям Ld = Lq, тогда как у электродвигателя с явно выраженными полюсами поперечная индуктивность не равна продольной Lq ≠ Ld.

Сечение роторов с разным отношением Ld/Lq. Черным обозначены магниты. На рисунке д, е представлены аксиально-расслоенные роторы, на рисунке в и з изображены роторы с барьерами.

Статор состоит из корпуса и сердечника с обмоткой. Наиболее распространены конструкции с двух- и трехфазной обмоткой.

В зависимости от конструкции статора синхронный двигатель с постоянными магнитами бывает:
• с распределенной обмоткой;
• с сосредоточенной обмоткой.

Распределенной называют такую обмотку, у которой число пазов на полюс и фазу Q = 2, 3,…., k.

Сосредоточенной называют такую обмотку, у которой число пазов на полюс и фазу Q = 1. При этом пазы расположены равномерно по окружности статора. Две катушки, образующие обмотку, можно соединить как последовательно, так и параллельно. Основной недостаток таких обмоток — невозможность влияния на форму кривой ЭДС [2].

Форма обратной ЭДС электродвигателя может быть:
• трапецеидальная;
• синусоидальная.

Форма кривой ЭДС в проводнике определяется кривой распределения магнитной индукции в зазоре по окружности статора.

Известно, что магнитная индукция в зазоре под явно выраженным полюсом ротора имеет трапециидальную форму. Такую же форму имеет и наводимая в проводнике ЭДС. Если необходимо создать синусоидальную ЭДС, то полюсным наконечникам придают такую форму, при которой кривая распределения индукции была бы близка к синусоидальной. Этому способствуют скосы полюсных наконечников ротора [2].

Принцип работы синхронного двигателя

Принцип действия синхронного электродвигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и постоянного магнитного поля ротора. Концепция вращающегося магнитного поля статора синхронного электродвигателя такая же, как и у трехфазного асинхронного электродвигателя.

Принцип работы синхронного двигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и постоянного магнитного поля ротора.

Вращающееся магнитное поле синхронного электродвигателя

Магнитное поле ротора, взаимодействуя с синхронным переменным током обмоток статора, согласно закону Ампера, создает крутящий момент, заставляя ротор вращаться (подробнее).

Постоянные магниты, расположенные на роторе СДПМ, создают постоянное магнитное поле. При синхронной скорости вращения ротора с полем статора, полюса ротора сцепляются с вращающимся магнитным полем статора. В связи с этим СДПМ не может сам запуститься при подключении его напрямую к сети трехфазного тока (частота тока в сети 50Гц).

Управление синхронным двигателем с постоянными магнитами

Для работы синхронного двигателя с постоянными магнитами обязательно требуется система управления, например, частотный преобразователь или сервопривод.

При этом существует большое количество способов управления реализуемых системами контроля. Выбор оптимального способа управления, главным образом, зависит от задачи, которая ставится перед электроприводом.

Основные методы управления синхронным электродвигателем с постоянными магнитами приведены в таблице ниже.

Управление Преимущества Недостатки Синусоидальное Скалярное

Векторное Полеориентированное управление С датчиком положения

Без датчика положения

Прямое управление моментом

Трапециидальное Без обратной связи

С обратной связью С датчиком положения (датчиками Холла)

Без датчика

Простая схема управления	Управление не оптимально, не подходит для задач, где нагрузка меняется, возможна потеря управляемости
Плавная и точная установка положения ротора и скорости вращения двигателя, большой диапазон регулирования	Требуется датчик положения ротора и мощный микроконтроллер системы управления
Не требуется датчик положения ротора. Плавная и точная установка положения ротора и скорости вращения двигателя, большой диапазон регулирования, но меньше, чем с датчиком положения	Бездатчиковое полеориентированное управление во всем диапазоне скоростей возможно только для СДПМ с ротором с явно выраженными полюсами, требуется мощная система управления
Простая схема управления, хорошие динамические характеристики, большой диапазон регулирования, не требуется датчик положения ротора	Высокие пульсации момента и тока
Простая схема управления	Управление не оптимально, не подходит для задач, где нагрузка меняется, возможна потеря управляемости
Простая схема управления	Требуются датчики Холла. Имеются пульсации момента. Предназначен для управления СДПМ с трапециидальной обратной ЭДС, при управлении СДПМ с синусоидальной обратной ЭДС средний момент ниже на 5%.
Требуется более мощная система управления	Не подходит для работы на низких оборотах. Имеются пульсации момента. Предназначен для управления СДПМ с трапециидальной обратной ЭДС, при управлении СДПМ с синусоидальной обратной ЭДС средний момент ниже на 5%.

Популярные способы управления синхронным двигателем с постоянными магнитами

Для решения несложных задач обычно используется трапециидальное управление по датчикам Холла (например — компьютерные вентиляторы). Для решения задач, которые требуют максимальных характеристик от электропривода, обычно выбирается полеориентированное управление.

Трапециидальное управление

Одним из простейших методов управления синхронным двигателем с постоянными магнитами является — трапецеидальное управление. Трапециидальное управление применяется для управления СДПМ с трапециидальной обратной ЭДС.

При этом этот метод позволяет также управлять СДПМ с синусоидальной обратной ЭДС, но тогда средний момент электропривода будет ниже на 5%, а пульсации момента составят 14% от максимального значения.

Существует трапециидальное управление без обратной связи и с обратной связью по положению ротора.

Управление без обратной связи не оптимально и может привести к выходу СДПМ из синхронизма, т.е. к потери управляемости.

Управление с обратной связью можно разделить на:
• трапециидальное управление по датчику положения (обычно — по датчикам Холла);
• трапециидальное управление без датчика (бездатчиковое трапециидальное управление).

В качестве датчика положения ротора при трапециидальном управлении трехфазного СДПМ обычно используются три датчика Холла встроенные в электродвигатель, которые позволяют определить угол с точностью ±30 градусов. При таком управление вектор тока статора принимает только шесть положений на один электрический период, в результате чего на выходе имеются пульсации момента.

Трапециидальное управление по датчикам Холла

Полеориентированное управление

Полеориентированное управление позволяет плавно, точно и независимо управлять скоростью и моментом бесщеточного электродвигателя. Для работы алгоритма полеориентированного управления требуется знать положение ротора бесщеточного электродвигателя.

Существует два способа определения положения ротора:
• по датчику положения;
• без датчика — посредством вычисления угла системой управления в реальном времени на основе имеющейся информации.

Полеориентированное управление СДПМ по датчику положения

В качестве датчика угла используются следующие типы датчиков:
• индуктивные: синусно-косинусный вращающийся трансформатор (СКВТ), редуктосин, индуктосин и др.;
• оптические;
• магнитные: магниторезистивные датчики.

Полеориентированное управление синхронным двигателем с постоянными магнитами по датчику положения ротора

Полеориентированное управление СДПМ без датчика положения

Благодаря бурному развитию микропроцессоров с 1970-х годов начали разрабатываться бездатчиковые векторные методы управления бесщеточными электродвигателями переменного тока. Первые бездатчиковые методы определения угла были основаны на свойстве электродвигателя генерировать обратную ЭДС во время вращения.

Обратная ЭДС двигателя содержит в себе информацию о положении ротора, поэтому вычислив величину обратной ЭДС в стационарной системе координат можно рассчитать положение ротора.

Но, когда ротор не подвижен, обратная ЭДС отсутствует, а на низких оборотах обратная ЭДС имеет маленькую амплитуду, которую сложно отличить от шума, поэтому данный метод не подходит для определения положения ротора двигателя на низких оборотах.

Существует два распространенных варианта запуска СДПМ:
• запуск скалярным методом — запуск по заранее определенной характеристики зависимости напряжения от частоты. Но скалярное управление сильно ограничивает возможности системы управления и параметры электропривода в целом;
• метод наложения высокочастотного сигнала – работает только с СДПМ у которого ротор имеет явно выраженные полюса.

Полеориентированное управление синхронным двигателем с постоянными магнитами без датчика положения ротора со скалярным запуском

На текущий момент бездатчиковое полеориентированное управление СДПМ во всем диапазоне скоростей возможно только для двигателей с ротором с явно выраженными полюсами.

Синхронные двигатели с постоянными магнитами на роторе: управление (синус и/или трапеция)

В продолжение темы модельно ориетированного проектирования, публикую очередную статью Калачева Юрия Николаевича, автора книгиМоделирование в электроприводе. Инструкция по пониманию. Данный текст еще готовится к публикации в специализированных изданиях, но читатели хабра увидят его первые.

В зарубежной литературе можно встретить два термина, связанных с этими двигателями:

1. PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor), что на языке Пушкина означает: синхронный двигатель c постоянными магнитами (СДПМ), и это понятно.

2. BLDC (Brush Less Direct Current), что переводится с языка Шекспира, как Бесколлекторный (бесщеточный) Двигатель Постоянного Тока (БДПТ), и это непонятно. Причем здесь постоянный ток?

• С этими названиями и у нас, и за рубежом существует немалая путаница.
• Например, термин PMSM (СДПМ) может применяться для обозначения двигателя с постоянными магнитами на роторе, независимо от формы его ЭДС, но так же часто его применяют, подразумевая исключительно синусоидальную форму ЭДС двигателя.
• Термин BLDC (БДПТ) может применяться для обозначения двигателя с постоянными магнитами на роторе и трапецеидальной ЭДС, а может вообще обозначать не двигатель, а некий мехатронный узел, включающий в себя:

• двигатель с постоянными магнитами и трапецеидальной ЭДС
• датчик положения ротора
• управляемый по сигналам этого датчика полупроводниковый коммутатор.

1. Собственно этот мехатронный узел, который может, как и двигатель постоянного тока, управляться постоянным напряжением и породил сам термин BLDC (БДПТ).
2. Ещё по отношению к синхронным двигателям с постоянными магнитами на роторе в отечественной литературе, можно встретить название «вентильный двигатель».
3. Попытки автора разобраться с этим термином быстро зашли в тупик, так как в различных источниках обнаружились явные противоречия.

Например, в книге Г.Б. Онищенко «Электрические двигатели» на стр. 47 «вентильным» называется двигатель соответствующий термину BLDC (БДПТ), что предполагает трапецеидальную ЭДС, и это понимаемо.

Но двигатели типа 5ДВМ сам производитель (ЧЭАЗ) называет «вентильными», хотя при этом утверждает, что они имеют синусоидальную ЭДС.

А вот википедия: «Вентильный двигатель следует отличать от бесколлекторного двигателя постоянного тока (БДПТ), который имеет трапецеидальное распределение магнитного поля в зазоре…».

Ну, … приехали …

• Какой термин, какой форме ЭДС соответствует – непонятно.
• А между тем, именно эта форма определяет выбор структуры системы управления двигателем.
• Как человек занимающийся управлением этими двигателями хочу предложить:

• во избежание путаницы забыть термин «вентильный двигатель»
• термином БДПТ обозначать не двигатель, а исключительно описанный выше мехатронный узел (аналог двигателя постоянного тока)
• 1. делить синхронные двигатели с постоянными магнитами на роторе (СДПМ) по типу ЭДС на две группы:
  2. 1) с синусоидальной ЭДС (далее, для краткости, — СДПМс)
  3. 2) с трапецеидальной ЭДС (далее, для краткости, — СДПМт)

Управление

При управлении двигателями с синусоидальной ЭДС используется векторное регулирование (подробно описано в книжке по ссылке). С точки зрения возможностей и качества управления это наилучший вариант.

Однако и двигатели с трапецеидальной ЭДС в силу более простой конструкции статорных обмоток и возможности более простого управления применяются довольно часто.

Конструкция двигателей

Форма ЭДС определяется конструкцией двигателя. 

Ротор синхронных двигателей представляет собой магнит с различным количеством пар полюсов.

На Рис 1. показаны возможные конструкции статорных обмоток. Обычно синусоидальной ЭДС соответствует «распределенная» намотка, а трапецеидальной «сосредоточенная».

Рисунок 1. Конструкции статорных обмоток

Статорная обмотка двигателя с трапецеидальной ЭДС проще и технологичнее, за счёт этого цена такого двигателя несколько ниже.

Далее остановимся более подробно на двигателе с трапецеидальной ЭДС (СДПМт)

Двигатель с одной парой полюсов будет выглядеть в разрезе так, как показано на Рис.2.

Рисунок 2. Схема двигател с одной парой полюсов я в разрезе

На статоре СДПМт намотаны три обмотки (А, В, С), сдвинутые в пространстве на 120°. Каждая обмотка состоит из двух секций, включённых встречно.

 Таким образом, при протекании тока в обмотке она создаёт внутри двигателя два полюса (положительный и отрицательный), к которым и притягивается магнитный ротор.

 Поочередное изменение токов в обмотках переключает полюса обмоток и заставляет ротор двигаться вслед за полем. На этом и основан принцип работы двигателя.

В дальнейшем будем считать нулевым то угловое положение ротора при котором вектор потока ротора совпадает по направлению с осью фазы А (осью обмотки А).

Уравнения равновесия статорных обмоток СДПМт в системе АВС

Уравнения равновесия статорных обмоток двигателя при его включении в «звезду» в неподвижных фазных координатах АВС имеют вид (1).

Здесь:

Поток в обмотке каждой фазы формируется из следующих составляющих:

• поток, наводимый собственным током фазы
• поток, наводимый магнитными полями других фазных обмоток 
• поток, наводимый в обмотке магнитами ротора.

Проиллюстрируем это системой (2):

• Где:- взаимные индуктивности обмоток- потокосцепления, наводимые в обмотках магнитом ротора.

• В общем случае все индуктивности системы (2) могут являться переменными функциями угла поворота поля .
• В частном случае для неявнополюсного двигателя (при цилиндрическом роторе) индуктивности и взаимные индуктивности обмоток не зависят от угла.
• Обозначив- индуктивность фазной обмотки,
• — взаимная индуктивность двух фазных обмоток,и подставив выражения (2) в систему (1), получим выражение (3):
• Заметив, что производные по времени от потокосцеплений магнитов ротора
• — есть не что иное, как наводимая магнитами
• ротора в этих обмотках ЭДС, систему (3) можно переписать в виде (4).
• Теперь введем понятие единичной функции формы ЭДС.

Единичная функция формы ЭДС — это функция от угла поля (), имеющая единичную амплитуду и повторяющая по форме ЭДС. Для фаз А,В,С обозначим эти функции: .

Используя единичные функции формы, мгновенные ЭДС в фазах можно представить выражением (5):

• 1. Где:
  2. — амплитуда потокосцепления ротора и фазной обмотки
  3. — скорость вращения поля 
  4. — скорость вращения ротора
  5. — число пар полюсов двигателя.

Зависимости единичных функций формы ЭДС обмоток СДПМт от угла поворота поля представлены На Рис.3.

Рис. 3. Единичные функции форм ЭДС

Вывод формулы для расчета электромагнитного момента СДПМт

• Момент, создаваемый двигателем, является суммой моментов, создаваемых его обмотками.
• Посмотрим на уравнение равновесия обмотки А из системы (4).
• Умножив обе его части на ток обмотки, получим уравнение для мгновенной электрической мощности обмотки:
• Рассмотрим составляющие этой мощности:

• — реактивная мощность обмотки
• — активная мощность, рассеивающаясяв обмотке
• — мощность, создающая электромагнитный момент.

Если пренебречь потерями при переходе электрической мощности в механическую, то можно записать:

• 1. Где:
  2. — электромагнитный момент двигателя
  3. — угловая скорость вращения ротора.

Подставив в формулу (6) значения ЭДС из соотношений (5), получим формулу вычисления электромагнитного момента ротора (7).

Коммутация обмоток СДПМт

В соответствии с формулой (7) момент СДПМт пропорционален сумме произведений фазных токов на функции формы соответствующих ЭДС.

Максимальное значение ЭДС обмотки соответствует плоским участкам трапеции ЭДС. Если бы нам удалось на этих участках угловой траектории сформировать в обмотках токи некоторой постоянной амплитуды, например, совпадающие по знаку со знаком ЭДС, то это позволило бы сформировать при этих токах максимальный постоянный положительный момент.

Для примера рассмотрим на Рис.3 участок угловой траектории от π/6 до π/2. На этом участке ЭДС в фазе А имеет максимально отрицательное значение, а в фазе В максимально положительное.

Следовательно, для получения положительного момента на этом участке угловой траектории надо обеспечить в фазе А отрицательное, а в фазе В положительное значение тока.

 Для этого фазу А можно подключить на отрицательный, а фазу В на положительный полюса внешнего источника постоянного напряжения (Udc). При этом фаза С не используется (отключена от источника Udc).

Величина тока, протекающего через обмотки, будет в свою очередь определяться прикладываемым к обмоткам напряжением, величиной ЭДС и параметрами обмоток.

Если рассуждать таким образом, то можно составить таблицу коммутаций обмоток, обеспечивающих в зависимости от положения ротора момент нужного знака (Табл. 1).

Таблица1. Закон коммутации

Обмотки трёхфазного двигателя можно коммутировать на внешний источник напряжения с помощью трехфазного мостового инвертора. Для этого состояние инвертора надо поставить в зависимость от положения ротора.

 Обычно это делается с помощью датчика положения ротора (ДПР). Этот датчик имеет три канала. Каждый канал выдает за один оборот двигателя импульс, соответствующий половине периода вращения, при этом импульсы в каналах сдвинуты на 120°.

Логическая обработка сигналов ДПР позволяет определить — в каком из шести секторов в данный момент находится ротор.

Работа ДПР поясняется Табл. 2.

Таблица 2. Работа ДПР (определение сектора)

Возможная структура системы управления моментом СДПМт

Алгоритм, описанный в Табл.1, предполагает протекание одного и того же тока в двух фазах двигателя при единичном значении функции формы ЭДС в обмотках фаз. Поэтому выражение (7) можно переписать в виде (8).

Где: — значение тока в фазах.

То есть значение момента пропорционально величине тока в обмотках двигателя.

Вытекающая из формулы (8) структура системы управления моментом в приводе с СДПМт изображена на Рис.4.

Рисунок 4. Система управления моментом БДПТ

Данная структура позволяет получить нужный момент, формируя в обмотках двигателя ток необходимой амплитуды, при сохранении алгоритма коммутации (Табл.1).

Эта задача решается с помощью создания на базе трёхфазного мостового инвертора контура тока с ШИМ.

https://www.youtube.com/watch?v=rKt0QHwPhAE\u0026t=2s

Регулятор тока (ПИ-рег.) формирует сигнал задания напряжения обмоток (U), которое затем реализуется инвертором с ШИМ в соответствии с алгоритмом коммутации (Табл.1).

В качестве сигнала обратной связи в контуре можно использовать трёхфазно-выпрямленные сигналы датчиков тока фаз или сигнал датчика тока в звене постоянного тока инвертора ().

На основе рассмотренного канала управления моментом можно строить внешние контуры управления скоростью и положением.

Однако

Если бы токи в обмотках спадали до нуля и нарастали до нужного уровня мгновенно, то момент двигателя, определяемый их величиной, в установившемся режиме был бы постоянным.

 В действительности же реальные переходные процессы при коммутации обмоток приводят к пульсациям момента.

 В зависимости от параметров обмоток, а также соотношения величин текущей ЭДС и напряжения звена постоянного тока эти пульсации могут быть различны по длительности, амплитуде и знаку.

Кроме этих коммутационных пульсаций в рассматриваемой системе также будут иметь место пульсации момента на частоте ШИМ.

Ниже приведен пример работы модели системы регулирования скорости. Данная модель построена в среде SimInTech на элементах специализированного тулбокса «Электропривод». Среда позволяет получить максимальное приближение моделируемых процессов к реальности с учетом эффектов временной и уровневой дискретизации.

Часть модели, а именно — модель цифровой системы управления скоростью приведена ниже, на Рис.5. Регулятор скорости системы (Рег.W) выдает сигнал момента, который отрабатывается структурой, построенной в соответствии с Рис.4.

Рисунок 5. Модель цифровой системы управления

Для управления был выбран двигатель со следующими параметрами:

• • Rs = 2.875 Ом — сопротивление обмотки фазы;
  • Ls = 8.5e-3 Гн – индуктивность фазы;
  • F = 0.175 Вб – потокосцепление ротора;
  • Zp = 4 — число пар полюсов;

  Jr = 0.06 кг·м2 — момент инерции ротора.

1. Напряжение в звене постоянного тока привода было принято равным 100В.
2. В контуре тока электропривода использовалась ШИМ с частотой 5кГц.
3. В процессе регулирования происходило ступенчатое увеличение частоты при постоянном моменте сопротивления на валу двигателя (10 Нм).

Графики, полученные в процессе работы модели, приведены на Рис.6.

Рисунок 6. Моделирование работы двигателя

• На графике момента видны существенные пульсации.
• Отметим, что в основном они связаны именно с переходными процессами при коммутации обмоток и имеют соответственно частоту, ушестеренную по отношению к заданной.
• Пульсации, связанные с ШИМ, в данном случае, невелики.
• Заметим, что коммутационные пульсации существенно возрастают при увеличении момента, что связано с увеличением тока.
• Несколько спасает то, что их влияние на скорость снижает инерция.

А можно ли векторно управлять СДПМт?

Если очень хочется — то можно.Однако и здесь не без особенностей.

Математика и структура стандартной векторной системы управления исходит из синусоидальности поля в зазоре. При трапецеидальной ЭДС это условие нарушается, правда не очень сильно (трапеция это же почти синус).

Электрические машины

Высокоэффективный синхронный двигатель с инкорпорированными постоянными магнитами (IMP) имеет широкий рабочий диапазон. В нём используются спечённые редкоземельные постоянные магниты с высокими энергетическими характеристиками.

Вращающий момент формируется из реактивного момента, вызванный разностью индуктивностей по d- и q-осям, и магнитного момента, обусловленного взаимодействием магнитных потоков обмотки статора и постоянных магнитов ротора.

Традиционно, большая часть конструкции системы управления и оборудования мотора находятся в процессе самостоятельной разработки компонентов, отсюда и одна из технических проблем, которая заключается в том, что сложно согласовать проект, направленный на оптимизацию всей системы.

Однако эта задача может быть решена путем совместного использования инструментов для анализа электромагнитного поля ANSYS Maxwell и схем управления в симуляторе системного уровня ANSYS Simplorer.

Существуют два основных метода, которые объединяют анализ электромагнитного поля и схему управления симулятора: ко-симуляция, метод прямого совместного решения нестационарной задачи (симулятор – конечноэлементная модель) и моделирование на основании эквивалентной модели (поведенческая модель), которая создаётся через анализ электромагнитного поля и присутствует в схеме управления, как один из её элементов. Таким образом с помощью ANSYS Maxwell и ANSYS Simplorer можно выполнить моделирование системного уровня с помощью любой техники в ответ на потребность пользователя.

С помощью любой из этих техник возможно выполнить сопряженное моделирование управления, которое учитывает пространственную гармонику и характеристики магнитного насыщения двигателя.

При решении задачи методом ко-симуляции возможно принимать во внимание электромагниные потери, вычисленные с высокой точностью, в то время как моделирование на основе моделей пониженного порядка ROM (эквивалентных моделей) имеет особенность высокоскоростного моделирования системного уровня, управления.

ANSYS Maxwell и ANSYS Simplorer – продукты одной компании, которые имеют свои сильные стороны, включая систему поддержки и совместимость инструментов для сопряженного анализа, по сравнению с инструментами, объединяющими решения, созданные разными компаниями.

Новые электродвигатели и приложения

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.

https://www.youtube.com/watch?v=M-brVK-DJ_c

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.

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%.