Синхронный двигатель переменного тока с постоянными магнитами

Вот что сразу скажу: многие до сих пор путают синхронный двигатель переменного тока с постоянными магнитами с обычным сервоприводом или асинхронником с частотником. Считают, что раз магниты — значит, просто КПД повыше. А на деле разница фундаментальная, особенно когда речь заходит о точном позиционировании в связке с гидравликой. Сам через это прошел, когда пытались на одном из старых стендов для испытаний насосов заменить привод.

Базовое непонимание и где оно вылезает

Основная ошибка — думать, что такой двигатель можно воткнуть куда угодно. Особенно в гидравлических системах, где нагрузка нелинейная и бывают ударные моменты. Помню случай с испытанием шестеренного насоса серии VG от ООО Викс Интеллектуальное Оборудование (Нинбо). Насос-то высоконапорный, до 40 МПа, но для чистоты испытаний нужна была стабильная скорость вращения вала без пульсаций от привода. Поставили сначала асинхронник с векторным управлением — вроде бы все по учебнику. Но при моделировании резкого скачка давления (а это обычная практика, смотрите методики на https://www.vickshyd.ru) привод начинал ?плыть?, появлялась ошибка по скорости, которая влияла на итоговые замеры расхода.

Тут и пришла мысль попробовать синхронный двигатель с постоянными магнитами. Не из-за моды, а из-за принципа работы: момент создается непосредственно взаимодействием поля статора и ротора с магнитами, без скольжения. Для насоса, где нужно держать 4000 об/мин при переменной нагрузке, это критически важно. Но и тут не все просто. Не каждый такой двигатель подойдет. Нужно смотреть не на паспортную мощность, а на кривую момента во всем диапазоне скоростей, особенно на низких оборотах.

И вот еще какой нюанс часто упускают — обратная связь. Для полноценного использования возможностей такого двигателя нужен качественный энкодер, причем не инкрементальный, а абсолютный, иначе при инициализации могут быть проблемы с определением положения ротора. А это уже дополнительные затраты и сложности в настройке. Мы на том стенде в итоге поставили двигатель с резольвером, но пришлось повозиться с настройкой преобразователя.

Интеграция с гидравлическими системами: конкретный кейс

Переходя к более сложным системам. У Викс, как известно, в портфеле не только шестеренные насосы, но и целый спектр пластинчатых и плунжерных. Например, их инновационные ABT сервопластинчатые насосы серии T6/T7. Это уже системы с высокими требованиями к динамике и управляемости. Здесь применение синхронного двигателя с постоянными магнитами перестает быть опцией, а становится необходимостью. Почему? Потому что эти насосы часто работают в режиме сервоуправления, где требуется не просто вращение, а точное следование заданному профилю давления или расхода.

Пытались как-то адаптировать старый стенд для калибровки пластинчатого мотора серии V10. Двигатель был асинхронный, управление — частотник с разомкнутым контуром. При попытке воспроизвести медленное перемещение (имитация работы в гидромоторе) начались прерывистые движения, ?ступеньки?. Система не могла отработать малые скорости с нужным моментом. Замена на синхронный двигатель с ПМ и полноценный сервопривод (тот же частотник, но работающий в режиме сервоуправления с обратной связью по положению) решила проблему. Но ключевое слово — ?полноценный?. Дешевые решения с урезанной функциональностью драйвера дадут тот же провал.

Здесь стоит сделать отступление про плунжерные насосы, например, высококлассные серии A4VSO. Это аксиально-плунжерные машины, чувствительные к пульсациям момента на валу. Установка синхронного двигателя позволяет сгладить эти пульсации за счет более высокого перегрузочного момента и лучшего отклика. Но есть обратная сторона: такие двигатели сами могут генерировать высшие гармоники в сеть, что может мешать чувствительной электронике рядом. Приходится ставить дополнительные фильтры, что увеличивает стоимость и габариты узла.

Проблемы, о которых не пишут в каталогах

Первая — нагрев. Постоянные магниты боятся перегрева. Если в закрытом корпусе, без должного охлаждения, заставить двигатель долго работать в режиме перегрузки (а при испытаниях насосов такое бывает), можно необратимо размагнитить ротор. Был прецедент: на продолжительных испытаниях насоса M4C, который создавал переменный момент сопротивления, двигатель перегрелся. Защита по току сработала, но после остывания характеристики уже не те — момент упал на 10-15%. Пришлось менять ротор.

Вторая — совместимость с существующей АСУ ТП. Часто на производстве стоит какая-нибудь legacy-система управления. Внедрить новый синхронный двигатель переменного тока означает не просто помять ?железо?, но и переписать часть логики ПЛК, проверить взаимодействие по шине. Иногда проще и дешевле оказывается оставить старый привод, но модернизировать гидравлическую часть, скажем, поставить более точный клапан.

Третья, самая прозаичная — стоимость и логистика. Качественный синхронный двигатель с ПМ, плюс matched сервопривод, плюс датчики — это в разы дороже асинхронного решения. Для серийной продукции, как у Викс, это вопрос расчета окупаемости. Повысит ли это надежность насоса VQ? Безусловно. Увеличит ли стоимость конечного изделия настолько, что оно проиграет на рынке? Вопрос открытый. В некоторых случаях, для особо ответственных применений (скажем, в испытательном оборудовании самого завода), это оправдано. Для массовых гидромоторов серии NHM — вряд ли.

Взгляд со стороны применения в готовых системах

Если рассматривать компанию ООО Викс Интеллектуальное Оборудование как производителя компонентов, то их задача — обеспечить работоспособность своего изделия (насоса, мотора) в широком спектре условий. Они дают параметры: давление, рабочий объем, рекомендуемые скорости. А вот как именно клиент будет раскручивать вал — их забота меньше. Однако, они могли бы давать более детальные рекомендации по приводам в технической документации. Не просто ?электродвигатель такой-то мощности?, а с указанием: для достижения заявленных динамических характеристик насоса A10VSO рекомендуется использовать привод с таким-то минимальным быстродействием контура скорости.

Сейчас же часто получается, что конечный интегратор ставит что попало, получает не те характеристики, а винят потом насос. Видел такие ситуации. Особенно с пластинчатыми моторами серии 35/36M, которые позиционируются как высокомоментные на низких скоростях. Без соответствующего привода, способного обеспечить стабильный момент на низких оборотах, эти возможности мотора просто не раскрываются.

Отсюда мысль: возможно, следующим шагом для производителей компонентов станет предложение готовых силовых блоков — насос/мотор + специально подобранный и адаптированный синхронный двигатель с постоянными магнитами в одном компактном корпусе. Это сняло бы массу проблем с интеграцией для OEM-клиентов. Технически это сложно из-за разных систем охлаждения (гидравлика и электричество), но решаемо. Пока же это скорее удел специальных решений.

Итоговые соображения и куда двигаться

Так стоит ли повсеместно переходить на синхронные двигатели с ПМ в гидравлике? Однозначного ответа нет. Для задач, где требуется высочайшая точность позиционирования, динамика и КПД — безусловно да. Для простых задач вращения насоса с постоянной скоростью — избыточно. Все упирается в экономику и требуемый результат.

Опыт показывает, что наибольший выигрыш эта технология дает в системах, где гидравлический компонент и так высокотехнологичный. Тот же сервопластинчатый насос ABT от Викс или плунжерный A4VSO. Здесь двигатель становится неотъемлемой частью высокопроизводительной системы, а не просто ?крутилкой?.

Что касается будущего, то, думаю, мы увидим больше гибридных решений. Например, вал двигателя, на который сразу насажена гидронасосная часть. Или встроенные датчики давления и расхода, данные с которых идут прямо в контроллер привода для адаптивного управления. Синхронный двигатель переменного тока с постоянными магнитами здесь — идеальный кандидат благодаря своей управляемости. Но это потребует тесной кооперации между производителями гидравлики, приводов и систем управления. Пока же каждый тянет одеяло на себя. А практикам, вроде нас, приходится методом проб, ошибок и перегретых роторов находить рабочие конфигурации для конкретных задач.