Двигатели с постоянными магнитами: PMSM, BLDC и руководство по управлению

1. Что делает двигатель постоянного магнита двигателем постоянного магнита?

Двигатель постоянного тока с ротором, оснащённым постоянными магнитами, создаёт магнитное поле за счёт одного или нескольких постоянных магнитов. Статор содержит обмотки, формирующие управляемое вращающееся магнитное поле. Крутящий момент возникает при взаимодействии магнитного поля статора и магнитного поля ротора при соответствующем электрическом угле. В бесщёточных двигателях постоянного тока электронную коммутацию осуществляет инвертор; для этого контроллер должен знать или оценивать положение ротора, чтобы подавать токи нужной фазы.

Эта схема отличается от асинхронного двигателя, в котором ток ротора и магнитное поле индуцируются за счёт скольжения, а также от синхронного двигателя с фазным ротором, где роторное магнитное поле формируется отдельной цепью возбуждения. Поскольку роторы двигателей с постоянными магнитами не требуют медных обмоток возбуждения, они лишены потерь на возбуждение ротора и могут быть конструктивно компактными. Однако магнитное поле в них невозможно свободно регулировать: температура, запас по размагничиванию, марка магнита, напряжение инвертора и стратегия управления становятся ключевыми ограничениями при проектировании.

2. ПМДК, БЛДК и ПМСМ: сходные физические принципы, различное поведение системы

Терминология, связанная с бесщёточными двигателями постоянного тока, может вводить в заблуждение, поскольку названия, используемые производителями, не всегда совпадают. С практической инженерной точки зрения, БЛДК Часто относится к двигателю, рассчитанному на трапециевидную обратную ЭДС и шестиступенчатую коммутацию тока. ПМСМ Обычно речь идёт о двигателе, предназначенном для синусоидальной противоэлектродвижущей силы и синусоидального либо ориентированного по полю тока управления. Оба эти типа являются бесщёточными синхронными машинами с постоянными магнитами и оба работают на основе инвертора.

Это различие имеет значение, поскольку форма волны обратной ЭДС двигателя, распределение обмоток, расположение датчиков, форма тока и алгоритм управления должны быть согласованы. Приведение двигателя в действие с неподходящей стратегией коммутации может привести к увеличению пульсаций крутящего момента, акустического шума, потерь, нагрева и ошибок управления.

Компания Texas Instruments определяет полевое ориентированное управление ПМС‑двигателем как цифровой векторный метод, позволяющий поддерживать высокую эффективность в широком диапазоне скоростей и учитывать изменения крутящего момента в переходных режимах [2]. Именно поэтому решения на базе ПМС‑двигателей часто выбирают, когда плавность регулирования крутящего момента, быстрота отклика или точность управления скоростью и положением важнее, чем минимизация сложности системы управления.

3. Магнитные материалы: эффективность начинается с роторного поля

Постоянные магниты определяют величину доступного потока в воздушном зазоре, постоянную крутящего момента, постоянную противоэлектродвижущей силы, запас по температуре, массу, конструкцию ротора и профиль поставки материалов. Выбор следует осуществлять с учётом всего эксплуатационного окружения, а не ограничиваться простым подбором материала с наивысшей номинальной магнитной проницаемостью.

Температура в проектировании ПМ‑двигателей не является второстепенным фактором. Тепло может ослаблять постоянные магниты и, в зависимости от материала, степени нагрева и рабочей точки магнитного режима, приводить к необратимой демагнитизации. Компания Maxon отмечает, что её неодимовые магниты начинают терять магнитные свойства при температуре около 160 °C в условиях, указанных в соответствующих технических характеристиках двигателя, тогда как в высокотемпературных конструкциях применяются магниты на основе самария‑кобальта, поскольку они выдерживают более высокие температуры до наступления демагнитизации [3]. Эти значения не следует рассматривать как универсальные предельные значения; фактический запас по прочности определяется маркой магнита, его геометрией, действующим противоположным полем, распределением температуры и спецификацией производителя.

«И постоянный магнит, и обмотка подвергаются воздействию тепла». — maxon [3]

4. Топологии ротора: поверхностно-размещённые и внутренние постоянные магниты

В одном СПМСМ , магниты крепятся к поверхности ротора. Это формирует относительно симметричный магнитный зазор по пути магнитного сопротивления, поэтому индуктивности осей d и q часто бывают близки. Электромагнитный момент определяется преимущественно взаимодействием потока магнитов и тока оси q.

В одном ИПМСМ , магниты встроены внутрь сердечника ротора. Сталь ротора и полости для магнитов создают явление выступа: магнитное сопротивление различается вдоль разных осей ротора, поэтому L_d и L_q отличаются. Это приводит к появлению дополнительной составляющей момента, обусловленной магнитным сопротивлением, и позволяет улучшить возможности ослабления поля; при этом конструкция встроенного ротора обеспечивает более надёжное механическое удержание магнитов на высоких оборотах.

Микросхема прямо различает эти две конструкции: в SPMSM магниты закреплены на поверхности ротора и образуют симметричный радиальный воздушный зазор, тогда как в IPMSM магниты внедрены в сердечник ротора, что создаёт несимметричный путь магнитного сопротивления [1].

5. Основные электрические и механические уравнения

Уравнения двигателя постоянного тока с электронным управлением обеспечивают единый язык для предварительного выбора и проектирования систем управления. При их использовании необходимо соблюдать единообразие единиц измерения и принятые производителями определения. В частности, следует уточнить, относится ли указанный в публикации параметр к режиму фаза–нуль или линия–линия, является ли он пиковым или действующим значением, механическим или электрическим, а также было ли измерение проведено при трапецеидальном или синусоидальном возбуждении.

Электрическая скорость и противоэлектродвижущая сила

ω_e=pω_m

e=K_eω_m

Здесь ω_e — электрическая угловая скорость, ω_m — механическая угловая скорость, p — число пар полюсов, а K_e — константа противоэлектродвижущей силы. Большее число пар полюсов означает большее количество электрических циклов за один механический оборот, что влияет на переключение инвертора, разрешение обратной связи и требования к управлению на высоких скоростях.

Уравнение фазового напряжения

v_фаза=Ri_фаза+L\frac{di_фазы}{dt}+e_фаза

На высоких оборотах компонент обратной ЭДС занимает всё большую долю доступного напряжения инвертора. При высоком крутящем моменте ток фазы возрастает, и потери в меди становятся преобладающими. Эти два ограничения определяют пределы зависимости крутящего момента от скорости двигателя.

Уравнения напряжений d–q для ПМСД

Для упрощённой модели ПМСД в вращающейся системе координат d–q:

v_d = R_i_d + L_d \frac{d i_d}{dt} - ω_e L_q i_q

v_q = R_i_q + L_q \frac{di_q}{dt} + ω_e (L_d i_d + ψ_f)

Здесь R — сопротивление фазы, L_d и L_q — индуктивности по осям d и q, i_d и i_q — токи по осям d и q, а \psi_f — магнитный поток постоянного магнита.

Уравнение момента ПМСД

T_e=3/2p\left[\psi_fi_q+(L_d-L_q)i_di_q\right]

Первый член — магнитный момент, второй — момент релуктанса, который играет значительную роль в машинах с выдающимися полюсами, таких как IPMSM. Для многих SPMSM величины L_d и L_q приблизительно равны, поэтому вклад релуктанса невелик, а обычной целью управления является поддержание тока d‑компоненты i_d≈0 ниже номинальной скорости.

Механическая мощность и потери в меди

Pвал = Tвалωм = \frac{2π nTвал}{60}

PCu=3I_фаза,среднеквадратичное²R_фаза

6. Полеориентированное управление: преобразование тока в управляемый момент

Полеориентированное управление (FOC) преобразует измеренные трёхфазные токи в d–q‑компоненты, ориентированные по магнитному полю ротора. В результате регулятор может независимо управлять компонентами тока, связанными с потоком и с крутящим моментом, что аналогично раздельному управлению током возбуждения и якорным током в концептуальной модели двигателя постоянного тока.

Основной контур векторного управления (FOC) измеряет фазовые токи, определяет или оценивает положение ротора, выполняет преобразования Кларка и Парка, сравнивает значения i_d и i_q с заданными значениями, регулирует их с помощью токовых контуров и формирует управляющие сигналы для инвертора с использованием ШИМ‑модуляции или пространственно‑векторной ШИМ‑модуляции. Для IPMSM‑двигателя FOC может также реализовывать управление по максимальному крутящему моменту на ампер — MTPA, выбирая вектор тока, который эффективно использует как магнитный, так и релуктантный крутящий момент.

7. Ослабление поля: расширение скорости за пределы номинальной скорости

Рабочая область двигателя постоянного тока с внешним возбуждением заканчивается, когда инвертор уже не обладает достаточным напряжением для преодоления противоэлектродвижущей силы и поддержания требуемого тока. Ослабление поля Увеличивает скорость за пределы данной области за счёт подачи отрицательного тока по оси d, компенсирующего часть магнитного потока воздушного зазора. Это снижает эффективную противоэлектродвижущую силу и позволяет достигать более высокой механической скорости при том же напряжении постоянного тока на шине, однако при этом расходуется токовая мощность и уменьшается доступный крутящий момент.

MathWorks чётко формулирует компромисс: ослабление магнитного поля повышает скорость двигателя выше номинальной за счёт снижения крутящего момента. Это метод применяется, когда напряжение, необходимое для поддержания заданной скорости, превышает доступное напряжение инвертора [4]. Синхронные двигатели с внутренним магнитным полем (IPMSM) часто особенно хорошо подходят для работы в широком диапазоне скоростей, поскольку выступы ротора обеспечивают возможность ослабления магнитного поля и дополнительного крутящего момента за счёт реактивности.

8. Термическое управление и риск размагничивания

Непрерывная номинальная мощность двигателя постоянного тока, как правило, определяется по тепловым характеристикам. Нагрев возникает вследствие потерь в обмотке статора, потерь в магнитопроводе, вихревых токов в магните, трения подшипников, сопротивления воздуха, потерь в инверторе и, при наличии, в редукторе. При этом важна не только температура корпуса: предельными могут быть температура наиболее нагретого участка обмотки, температура магнита, температура подшипников и температура соединений силовой электроники.

Слабый тепловой путь может превратить, на первый взгляд достаточный, расчёт крутящего момента в поломку в эксплуатации. Непрерывная работа при токе, допустимом в ходе кратковременного стендового испытания, может вызвать перегрев обмоток или привести магниты к необратимой демагнитизации в герметичной конструкции, при высокой окружающей температуре или при неправильной установке. В качестве решения могут потребоваться более мощный двигатель, обмотка с более высоким напряжением, улучшенное охлаждение, снижение режима работы, использование магнитов другого класса, оптимизация термического контакта либо иное передаточное отношение — а не просто повышение предельного значения тока.

9. Подбор постоянного магнитного двигателя и привода как единой системы

Двигатель постоянного тока следует выбирать, исходя из требований к движению. Начните с характеристики нагрузки по крутящему моменту — скорости — времени; перенесите её на передаточный механизм; определите пиковое, непрерывное и среднеквадратичное значения крутящего момента; после этого совместно подберите обмотку двигателя, инвертор, систему обратной связи, тепловой путь и механическое соединение.

Пример работы с точкой рабочего режима на первом проходе

Предположим, что двигатель постоянного тока должен обеспечивать 0,40 Н·м в 4 500 об/мин . Механическая угловая скорость равна:

ω_m=2π×4500/60=471,24\ рад/с

Механический выход равен:

Pвала = Tω_m = 0,40 × 471,24 ≈ 188,50 Вт

Если упрощённая постоянная момента K_t равна 0,06 Н·м/А, то первое приближённое значение тока составляет:

I≈0,40/0,06=6,67 А

Для иллюстративного сопротивления трёхфазной обмотки, равного 0,25 Ом на одну фазу, упрощённые потери меди составляют:

PCu=3×6,67²×0,25≈33,33\ Вт

Если не учитывать прочие потери, входная мощность составит примерно 221,83 Вт, а соответствующий верхний предел КПД — около 85,0%. Фактический КПД системы окажется ниже, поскольку в расчёт необходимо включить потери в сердечнике, магнитные потери, потери на подшипники и на трение воздуха, потери в инверторе и потери при передаче энергии. Главный вывод заключается в том, что параметры крутящего момента, скорости, тока, запаса напряжения и тепловые характеристики следует оценивать совместно.

10. Редукторы, регенерация и механическая интеграция

Многие двигатели постоянного тока достигают наилучшей удельной мощности при частоте вращения, превышающей требуемую для приводимой нагрузки. Редуктор позволяет заменить частоту вращения двигателя на выходной крутящий момент:

Тут≈ Т_мГη_г

ωout=ω_m/G

Здесь G — передаточное число, а η_g — КПД редуктора. Уменьшение передаточного числа позволяет перевести двигатель в более благоприятный диапазон рабочих оборотов, однако оно увеличивает трение, люфт, шум, крутильную упругость и ограничения по нагрузке на выходном валу. Выбранное передаточное число следует проверять с учётом полного профиля движения, а не только по статическому умножению крутящего момента.

Во время замедления или при обратном вращении нагрузки, приводящей двигатель в движение, синхронный двигатель с постоянными магнитами способен генерировать энергию. Инвертор должен обеспечить управляемый путь для этой энергии: она может возвращаться в аккумулятор или в систему рекуперативного питания, заряжать цепь постоянного тока либо рассеиваться в тормозном резисторе. При отсутствии надёжного пути отвода энергии перенапряжение на шине постоянного тока может повредить инвертор или вызвать сбои.

11. Области применения, в которых двигатели постоянного тока приносят дополнительную ценность

Двигатели постоянного тока особенно привлекательны, когда важны компактные габариты, быстродействие управления, широкий диапазон скоростей или высокая энергоэффективность. Их преимущества проявляются наиболее ярко при равнозначно продуманных инверторе и механической части.

12. Техническое обслуживание, диагностика и типичные виды отказов

Бесщёточные двигатели постоянного тока устраняют износ щёток и коммутатора, однако они не являются абсолютно не требующими обслуживания. Ресурс системы по‑прежнему определяют подшипники, изоляция обмоток, надёжность удержания магнитов, проводка, устройства обратной связи, разъёмы, электроника контроллера и пути охлаждения. В конструкциях большой мощности или высоких скоростей контроль тока, напряжения, температуры, вибрации и данных о неисправностях контроллера позволяет предотвратить повреждения.

Заключение: Двигатели с постоянными магнитами обеспечивают высокую производительность при согласовании всего привода.

Двигатели с постоянными магнитами обеспечивают мощное сочетание компактных габаритов, высокой отзывчивости по крутящему моменту и потенциала высокой эффективности, поскольку их роторное магнитное поле формируется без потерь в обмотке ротора. Вместе с тем это же стационарное магнитное поле накладывает жёсткие требования на напряжение инвертора, систему термического управления, целостность ротора и управление ослаблением магнитного поля. Инженерное решение никогда не сводится лишь к выбору между «BLDC и PMSM» или между «поверхностными и внутренними магнитами». Речь идёт о согласованном выборе топологии, обмотки, материала магнитов, системы привода, средств обратной связи, рабочего напряжения, системы охлаждения, редуктора и режима работы.

Для надёжного выбора начните с профиля нагрузки и требуемой характеристики «крутящее усилие — частота вращения». Рассчитайте мощность и ток, определите требования к базовой и высокой скоростям, оцените тепловые условия и условия демагнитизации, выберите подходящую топологию двигателя, после чего проведите проверку совместной работы двигателя, инвертора и механической части в конечном изделии. Такой системный подход позволяет двигателям с постоянными магнитами обеспечивать высокую плотность мощности, точность и эффективность, что делает их ключевыми компонентами современных систем привода.

Список литературы

Примечание редакции: Настоящая статья предназначена для целей инженерного образования и предварительного выбора компонентов. Окончательные решения по выбору двигателя, марки магнитов, инвертора, датчиков, корпуса, тепловым характеристикам, ЭМС‑соответствию, механическим параметрам и требованиям безопасности должны быть подтверждены на основе данных выбранного поставщика и проверены в условиях эксплуатации конечного изделия.

• [1] Микросхема — Синхронные двигатели с постоянными магнитами
• [2] Texas Instruments — Бессенсорное полевое ориентированное управление трёхфазными синхронными двигателями с постоянными магнитами
• [3] maxon — Двигатели постоянного тока при высоких температурах
• [4] MathWorks — Регулирование с ослаблением поля