Синхронный двигатель с внутренними постоянными магнитами

Вот что сразу приходит в голову, когда слышишь про синхронный двигатель с внутренними постоянными магнитами — высокий КПД, компактность, отличные регулировочные свойства. И это правда, но только верхушка айсберга. Многие, особенно те, кто только начинает с ними работать, зацикливаются на этих цифрах из каталога, а потом упираются в проблемы, о которых в брошюрах не пишут. Например, тот же демпфирующий момент при пуске или нагрев магнитов в продолжительном режиме перегрузки — вещи, которые становятся очевидными только на практике, когда уже что-то спроектировал или даже собрал. Я сам через это проходил, пытаясь интегрировать такой двигатель в привод подачи станка. Казалось, взял с запасом по мощности — и все дела. Ан нет.

От теории к стенду: где появляются первые ?но?

Когда начинаешь реальные испытания, понимаешь, что главное преимущество — высокая плотность момента — имеет и обратную сторону. Это жёсткость магнитного поля ротора. В некоторых конфигурациях привода, особенно если есть неидеальность инвертора или жёсткая механическая связь, могут возникать низкочастотные колебания, которые сложно отсечь регулятором. Не критично, но требует времени на настройку. Не та ситуация, когда подключил и поехал, как с асинхронником.

Ещё один момент, который часто упускают из виду при выборе — это стойкость магнитов к размагничиванию при высоких температурах. У нас был случай на одном проекте с термообработкой: привод работал в горячем цеху, рядом с печами. Двигатель вроде бы по паспорту выдерживал 150 градусов на обмотке, но корпус раскалялся от ambient, плюс свои потери. В итоге, через несколько месяцев работы началось необъяснимое падение момента. Разобрали — частичное размагничивание полюсов. Пришлось переходить на двигатель с магнитами из другого сплава, с более высокой коэрцитивной силой, что, естественно, дороже. Теперь всегда смотрим не только на класс нагревостойкости изоляции, но и на температурный индекс магнитов для конкретного режима.

Именно в таких ситуациях важна не просто ?бумажная? спецификация, а понимание, как двигатель поведёт себя в связке с остальной системой. Вот, к примеру, для гидравлических систем, где нужна точная регулировка скорости и момента, такие двигатели — отличный вариант для привода насосов. Но тут же встаёт вопрос совместимости. Если говорить о высоконапорных насосах, скажем, как те шестерённые насосы внутреннего зацепления серии VG от ООО Викс Интеллектуальное Оборудование (Нинбо) (их сайт — https://www.vickshyd.ru), которые работают на давлениях до 40 МПа и скоростях до 4000 об/мин, то к приводному двигателю требования особые. Нужна не просто мощность, а стабильность момента во всём диапазоне оборотов, чтобы избежать пульсаций давления. Синхронный двигатель с внутренними постоянными магнитами здесь хорош, но нужно тщательно подбирать инвертор и настраивать контур регулирования.

Интеграция в гидравлику: опыт и подводные камни

Работая с гидравлическими системами, часто видишь, как проектировщики ставят мотор-насосные агрегаты на базе обычных асинхронных двигателей, потому что это привычно и, кажется, надёжно. Но когда речь заходит об энергоэффективности и компактности, например, для мобильной техники или станков с ЧПУ, взгляд неизбежно падает на синхронные машины с постоянными магнитами. Особенно если в системе используются современные пластинчатые насосы, такие как инновационные ABT сервопластинчатые насосы, которые есть в ассортименте у ООО Викс Интеллектуальное Оборудование (Нинбо) (серии T6, T7, V и другие). Эти насосы сами по себе рассчитаны на точное управление, и их пару — приводной двигатель — нужно выбирать соответствующего класса.

Помню проект модернизации гидравлического пресса. Стояла задача уменьшить габариты насосной станции и снизить энергопотребление в режиме ожидания. Решили заменить стандартный асинхронный двигатель и клапанную систему на блок с синхронным двигателем с внутренними постоянными магнитами, напрямую coupled с аксиально-плунжерным насосом. В теории — идеально: высокая динамика, возможность точно держать давление без перерасхода энергии. На практике же возникла проблема с датчиком положения ротора. Штатный резольвер давал сбои из-за вибраций от самого насоса. Пришлось переходить на более стойкую синусно-косинусную энкодерную систему и дополнительно демпфировать крепление. Мелкая, вроде бы, деталь, но которая съела неделю на пуско-наладку.

Это к тому, что сам по себе двигатель — лишь часть истории. Его реализация в системе определяет успех. Особенно это касается работы с высококлассными плунжерными насосами, такими как серии A4VSO/A10VSO, которые также представлены на https://www.vickshyd.ru. Эти насосы чувствительны к пульсациям момента на валу. Неправильно настроенный ПИД-регулятор в частотном преобразователе может свести на нет все преимущества и самого насоса, и дорогого синхронного двигателя.

Про надёжность и то, о чём не говорят продавцы

Надёжность — это, пожалуй, самый спорный момент. С одной стороны, конструкция проще — нет обмоток на роторе, нечему перегорать в теории. С другой — сами постоянные магниты являются источником рисков. Кроме уже упомянутого температурного размагничивания, есть чисто механические проблемы. Например, крепление магнитов внутри ротора. В дешёвых или некачественно сделанных двигателях бывает, что клейкий состав со временем деградирует, особенно при циклических термических нагрузках. Магнит может сместиться или даже отклеиться, что приводит к разбалансировке и катастрофическому износу подшипников. Приходилось видеть такое на двигателях неизвестного происхождения, которые ставили ?сэкономив?.

Ещё один практический нюанс — ремонтопригодность. Если в асинхронном двигателе можно перемотать статор в любой более-менее серьёзной мастерской, то с синхронным двигателем с внутренними постоянными магнитами всё сложнее. Для его переборки часто нужно специальное оборудование для демонтажа и повторной установки ротора, чтобы не повредить магниты. А если потребовалась замена самих магнитов — это вообще высший пилотаж, который по стоимости может приблизиться к новому двигателю. Поэтому для критичных применений мы всегда закладываем не просто запас по параметрам, а выбираем производителей с проверенной репутацией и доступным сервисом.

Это, кстати, одна из причин, почему при подборе компонентов для гидравлического контура я часто обращаю внимание на каталоги таких компаний, как ООО Викс Интеллектуальное Оборудование (Нинбо). Не потому что они продают двигатели (они фокусируются на гидрокомпонентах), а потому что их спектр — от шестерённых и пластинчатых насосов до высококлассных плунжерных — предполагает, что их клиенты часто решают комплексные задачи по созданию приводов. И там, где есть современный насос, требующий качественного управления, рядом неизбежно возникает вопрос о современном приводе, том же синхронном двигателе с внутренними постоянными магнитами. Понимание этого соседства в одной системе важно.

Экономика применения: когда оно того действительно стоит

Всё упирается в стоимость владения. Первоначальная цена такого двигателя вместе с ?умным? инвертором, как правило, выше, чем у классического асинхронного привода. Оправдывается это не всегда. Где точно стоит задуматься — это системы с продолжительным режимом работы в зонах частичной нагрузки или с частыми пусками и остановами. Там экономия на электроэнергии за пару лет может отбить разницу в цене. Например, в контурах гидравлики с переменным расходом, где насос работает не на полную производительность, а система регулируется дросселированием. Замена на насос с регулируемым рабочим объёмом, приводимый от синхронного двигателя, часто даёт окупаемость.

Но есть и обратные примеры. Ставили мы такие двигатели на рольганги в прокатном цеху, где нужен был жёсткий пуск и остановка. Динамика — отличная. Но там режим работы практически постоянный, нагрузка стабильная, а окружающая среда — металлическая пыль и стружка. Через полгода начались проблемы с системами охлаждения (воздушными) — забивались. Двигатели перегревались. Пришлось ставить дополнительные фильтры и пересматривать ТО. Получилось, что выгода от КПД частично съелась затратами на обслуживание. Вывод: для каждого применения нужен свой расчёт, и слепо гнаться за ?самой эффективной технологией? нельзя.

Иногда более выгодным решением оказывается гибридный подход. Скажем, основной привод — мощный асинхронный двигатель, а для точных позиционных задач или вспомогательных контуров, где нужна высокая динамика, используется компактный синхронный двигатель с внутренними постоянными магнитами. Это часто встречается в сложных гидравлических системах, где, например, главный насос (допустим, тот же A10VSO) обеспечивает основной поток, а дополнительные сервоконтуры для управления инструментом или зажимами реализованы на базе пластинчатых моторов (вроде серий NHM или FMB от Vicks) и малых синхронных приводов.

Взгляд вперёд: куда движется технология

Сейчас много говорят о бессенсорном управлении (sensorless) для таких двигателей. Алгоритмы становятся умнее, и для многих применений датчик положения уже не обязателен. Это снижает стоимость и повышает надёжность системы в целом. Но из своего опыта скажу: пока что для задач, где критична точность позиционирования или работа на очень низких оборотах с полным моментом, от датчика не уйти. Особенно в гидравлике, где момент нагрузки может резко меняться. Алгоритм может ?сорваться? и потерять ориентацию ротора, что приведёт к скачку и, в худшем случае, к механическому удару в системе.

Другое направление — это повышение температурной стойкости магнитов и поиск альтернатив редкоземельным материалам. Цены на неодим и диспрозий нестабильны, и это бьёт по стоимости двигателей. Если появятся более доступные сплавы с сопоставимыми характеристиками, технология станет массовой в тех областях, где сейчас её применение сдерживает цена.

И последнее. Самое важное, пожалуй. Успех внедрения синхронного двигателя с внутренними постоянными магнитами упирается не в железо, а в знания. Знания проектировщика, который понимает его особенности, знания наладчика, который может тонко настроить систему управления, и знания эксплуатационщика, который понимает, на что смотреть при техобслуживании. Без этого даже самый совершенный двигатель из каталога может превратиться в головную боль. А с этим — становится тем самым эффективным и надёжным решением, ради которого всё и затевалось. Как и с теми же гидравлическими компонентами: можно купить отличный насос серии VG или сервопластинчатый насос ABT, но если смонтировать и настроить систему кое-как, результат будет далёк от идеала. Всё взаимосвязано.