Moment, moc, sprawność, wielkość i waga silników z magnesami trwałymi, o strumieniu osiowym, poprzecznym i promieniowym.
Wymagania stawiane silnikom elektrycznym dotyczące ich momentu, mocy, sprawności, wymiarów, wagi, a także innych cech wymagają przemyślanej i optymalnej do danego zastosowania konstrukcji. Nie wystarcza już podział silników stosowany dawniej ? na silniki pracujące ze stałą/zmienną prędkością oraz przystosowane do pracy dorywczej. Zwiększony nacisk na sprawność energetyczną powoduje, że coraz częściej do sterowania silnikami wykorzystuje się falowniki, które pozwalają efektywnie sterować pracą silników w dużym zakresie prędkości obrotowej. W systemach sterowania, w których wymaga się dokładnego pozycjonowania, stosuje się zwykle silniki o dużych wartościach momentu dostępnego w całym przedziale prędkości: od prędkości nominalnej aż do zerowej. Każdy z elementów systemu sterowania ruchem, od sterownika przez falownik/serwonapęd i kable aż do silnika, kształtuje charakterystykę napędu.
Wśród wielu silników dostępnych na rynku wyróżnić można pięć podstawowych konstrukcji: uniwersalne szczotkowe silniki DC, silniki o zmiennej lub przełączalnej reluktancji, indukcyjne silniki asynchroniczne, bez-
szczotkowe silniki synchroniczne, silniki synchroniczne z magnesami trwałymi. Uniwersalne silniki komutatorowe (szeregowe) mogą być zasilane napięciem stałym i przemiennym. Niestety ich wadą jest mała sprawność. Wszystkie silniki szczotkowe mają też wspólną wadę ? ich żywotność jest ograniczona.
Zdobycze nowej technologii wykorzystywane są prawie wyłącznie w silnikach reluktancyjnych, indukcyjnych i bezszczotkowych silnikach synchronicznych z magnesami trwałymi. Niektóre wersje silników łączą cechy konstrukcyjne różnych typów silników.
Silniki z magnesami trwałymi
Silniki z magnesami trwałymi cechują się największą sprawnością elektryczną spośród wszystkich silników dostępnych na rynku. Synchroniczne silniki z magnesami trwałymi (PMSM), nazywane są często bezszczotkowymi silnikami DC, bezszczotkowymi silnikami PMAC lub elektronicznie sterowanymi silnikami ECM.
W dzisiejszych konstrukcjach typowych silników PMSM magnesy trwałe umieszczonesą na powierzchni wirnika, która ma przekrój koła. Najnowsze konstrukcje mają magnesy umieszczone prostopadle do osi wirnika lub pod kątem do niej (silniki IPM). Zmiana orientacji magnesów względem uzwojenia stojana pozwoliła na znaczne zwiększenie otrzymywanego momentu i zmniejszenie masy, co jest niewątpliwą zaletą w wielu aplikacjach precyzyjnego pozycjonowania. Takie serwosilniki znajdują zastosowanie w obrabiarkach, robotach i maszynach do produkcji elementów półprzewodnikowych.
Silniki ze strumieniem osiowym
Szeroko rozumiany przemysł transportowy (rowery elektryczne, skutery, motocykle i samochody) to główny obszar zastosowań nowych silników PMSM o strumieniu osiowym i poprzecznym.
Silniki PMSM o strumieniu osiowym (rysunek) mają unikalną konstrukcję tarczową, która generuje większy moment niż tradycyjne silniki cylindryczne o strumieniu promieniowym. Dzięki swoim kształtom nadają się znakomicie do wbudowania we wszelkiego rodzaju koła.
Silniki o strumieniu osiowym charakteryzują się dużym momentem siły przy niskich obrotach, dzięki czemu w wielu aplikacjach można zrezygnować z kosztownej przekładni. Ponowne zainteresowanie samochodami o napędzie hybrydowym lub elektrycznym sprzyja rozwojowi tych konstrukcji na potrzeby napędu pojazdów.
Podstawową i najbardziej popularną wersją silników o strumieniu osiowym jest konstrukcja tarczowa, w której wirnik z magnesami trwałymi umieszczony jest między dwoma uzwojeniami stojana. Inna, rzadziej stosowana konfiguracja to stojan umieszczony w przestrzeni między dwoma tarczami z magnesami trwałymi (rys.). Przedsiębiorstwa transportowe prowadzą we współpracy z uczelnianymi ośrodkami naukowymi liczne badania w zakresie projektowania i eksploatacji tych silników. Chińskie przedsiębiorstwa produkują dużą liczbę silników o strumieniu osiowym zintegrowanych z piastą koła roweru.
Niedawna recesja spowodowała bankructwo wielu młodych innowacyjnych przedsiębiorstw, które oferowały silniki o strumieniu momentowym zintegrowane z piastą. Jedną z firm, która pozostała na rynku, jest KLD Energy Technologies z Austin (Texas) w USA, posiadająca w swej ofercie silnik o mocy 5 kW do napędu skuterów. YASA Motors of Abington z Wielkiej Brytanii opracowała silnik o strumieniu osiowym do większych pojazdów, który wykorzystuje bezżłobkowy stojan do generowania 60 Nm przy 3600 obr./min (co równoważne jest mocy 25 kW) i osiąga przy tym sprawność 96%. Prawie wszystkie silniki o strumieniu osiowym wykorzystują magnesy neodymowe o silnym polu magnetycznym.
Nieco bardziej nietypowe konstrukcje silników PMSM o strumieniu osiowym ma w swojej ofercie NovaTorque (z Sunnyvale w USA). Ich silniki są znacznie dłuższe (mierząc wzdłuż osi) niż szersze, przypominają zatem typowe konstrukcje silników PMSM o strumieniu poprzecznym. Wirnik stanowią dwa zbudowane z magnesów ferrytowych stożki, które zwrócone są do siebie wierzchołkami. Stojan ma również nietypowy kształt. Konstrukcja, choć wydaje się złożona, jest w stanie konkurować z silnikami wykorzystującymi droższe magnesy neodymowe.
Magnetyczne stożki, choć znajdują się naprzeciwko siebie, są od siebie oddalone. Strumień magnetyczny biegnie cały czas prosto (równolegle do osi silnika) przez osiowe bieguny. Stożkowy kształt wirnika ma zwiększoną szczelinę powietrzną, dlatego silnik może generować większy moment. Pierwszy silnik PMSM o strumieniu osiowym, wyprodukowany przez NovaTorque, miał moment 18 Nm przy 1800 obr./min. Silniki NovaTorque znajdą zastosowanie w wentylatorach, pompach i sprężarkach wykorzystywanych w systemach grzewczych, wentylacyjnych i klimatyzacyjnych.
Silniki o strumieniu poprzecznym
Silniki o strumieniu porzecznym mają złożony obwód magnetyczny. W przeciwieństwie do silników o strumieniu osiowym i promieniowym, które mogą być symulowane za pomocą dwuwymiarowej analizy elementów skończonych, silniki o strumieniu poprzecznym wymagają, ze względu na swój trzyosiowy obwód magnetyczny, trójwymiarowej analizy elementów skończonych. Elementy magnetyczne o kształcie litery U otaczają uzwojenia stojana o kształcie kolistym. Silnik o strumieniu poprzecznym został wynaleziony w 1986 roku przez W.M. Mordaya, jednak rozwój tych konstrukcji nie postępuje gwałtownie ze względu na skomplikowaną strukturę i duży koszt. Wraz z upowszechnieniem magnesów neodymowych oraz opracowaniem magnetycznie miękkich kompozytów (SMC) firmie Landert Motoren of Biilach ze Szwajcarii udało się opracować małe silniki z serii MDD1, które osiągają moment 3,310 Nm przy 300 obr./min (100300 W). Są wykorzystywane w stolikach obrotowych obrabiarek i innych przemysłowych maszynach.
Południowokoreański Instytut Badania Elektryczności (KERI) buduje silniki o strumieniu poprzecznym od ponad dziesięciu lat. Jego mechatroniczna grupa opracowała wersje obrotowe i liniowe. Systemy transportowe materiałów, w których były wykorzystywane, wymagały sił rzędu 5000 N. Silniki o strumieniu poprzecznym oferują większy moment i większą moc przy mniejszych rozmiarach, ale kosztują więcej, dlatego wykorzystywane są na razie wyłącznie w specyficznych aplikacjach.
Hybrydowe silniki cylindryczne
Hybrydowe konstrukcje silników zawierają rozwiązania znane z silników z magnesami trwałymi, silników o zmiennej reluktancji oraz asynchronicznych silników indukcyjnych. Jedną z firm produkujących takie silniki jest QM Power. Nowa technologia równoległej ścieżki magnetycznej QM Power (PPMT) jest kombinacją idei przełączania reluktancji i stosowania magnesów trwałych. Pole magnetyczne z dwóch źródeł (magnesów trwałych i uzwojenia pozwalającego na zmianę reluktancji) oddziałuje na ten sam element magnetyczny silnika. Jego siła jest do 3 razy większa niż w tradycyjnych rozwiązaniach, dzięki czemu wg QM Power można osiągnąć 30-procentowy wzrost gęstości mocy i podobny wzrost szczytowej sprawności. Osiągane moce zawierają się w przedziale od stu watów do setek kilowatów.
Technologia PPMT dedykowana jest do silników pracujących ze stałą i zmienną prędkością. PPMT pozwala uzyskiwać większą sprawność przy większych obciążeniach. Zapewnia wysoką wydajność także w konstrukcjach z rdzeniem ferromagnetycznym.
Innym przykładem hybrydowych rozwiązań jest kombinacja technologii silnika klatkowego z silnikiem z magnesami trwałymi w asynchronicznych silnikach indukcyjnych, dzięki czemu znacząco poprawiono sprawność silnika indukcyjnego. Firma Lafert, zlokalizowana w Wenecji we Włoszech, oferuje takie silniki przystosowane do napięcia sieciowego instalacji domowych i przemysłowych o mocach 115 kW i sprawności większej o 58% w stosunku do tradycyjnych konstrukcji.
Artykuł pod redakcją mgr. inż. Łukasza Urbańskiego, doktoranta w Katedrze Automatyki Przemysłowej i Robotyki Wydziału Elektrycznego Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie.
CE