Silniki bezszczotkowe z magnesami trwałymi – moc i wydajność

Silniki prądu przemiennego z magnesami trwałymi coraz częściej stosuje się w wymagających aplikacjach. Ich wykorzystanie ograniczane jest bardziej przez sam rynek, aniżeli przez technologię.
  Dobrze znane silniki bezszczotkowe z magnesami trwałymi o niewielkich wymiarach fizycznych mogą być wykonane praktycznie w dowolnej konfiguracji, w aplikacjach wymagających niskich mocy, bez żadnych przeszkód technologicznych. Duże silniki bezszczotkowe z magnesami trwałymi nie są szczególną nowością. Dostępne są u wielu dostawców, którzy przezwyciężają historyczne ekonomiczne zaszłości, ograniczając ich liczbę.

Silnik bezszczotkowy z magnesami trwałymi (6 225 obrotów na minutę, 11,4 MW) firmy Canopy Technologies (DRS i Elliot) jest częścią rodziny silników o mocach z przedziału 4-32 MW – podczas testów

Duże silniki bezszczotkowe z magnesami trwałymi oferują niezliczone korzyści, między innymi dużą gęstość mocy oraz wysoką wydajność bez stratna wirniku. Korzyści przychodzą wraz z obniżeniem ceny. Silniki bezszczotkowe z magnesami trwałymi wymagają dodatkowo sterowania o zmiennej częstotliwości. Jak dotąd silniki z magnesami trwałymi są znacznie tańsze w porównaniu z innymi alternatywnymi technologiami, w rosnącej liczbie skomplikowanych aplikacji przemysłowych, napędzie statków, w przemyśle obronnym oraz w innych sektorach przemysłu.
Gruntowna analiza spektrum potencjalnych aplikacji jest punktem wyjścia przy wyprowadzaniu rachunku kosztów. Ostatnio przeprowadzone badania mogą w tym zakresie służyć pomocą. Powszechna dostępność napędów, przy ciągłym opadającym trendzie cenowym napędów i materiałów magnetycznych sugeruje, że niedługo silniki te będą bardzo często wykorzystywane. Większa świadomość użytkowników co do możliwości dużych silników z magnesami trwałymi prawdopodobnie przyspieszy ten moment.
Napędy, magnesy bodźcem postępu
Uznany projektant i producent dużych silników bezszczotkowych z magnesami trwałymi, firma DRS Technologies Inc., rozpoczął wykorzystywaćswoje doświadczenia, zdobyte w przemyśle obronnym, w aplikacjach w przemyśle okrętowym oraz transportowym. Rozwój technologii magnesów oraz napędów o zmiennej częstotliwości (ang. Variable Frequency Drives) – wymagany przy rozpoczęciu prac nad silnikami z magnesami trwałymi – pozwolił na praktyczną realizację silników o dużych rozmiarach. Produkowane przez DRS napędy są jednostkami średniego napięcia (1,5-6,6 kV), z modulacją wypełnienia impulsu (ang. Pulse Width Modulation) i sterowaniem wektorowym lub sterowaniem wektorowym bezczujnikowym.
Edgar S. Thaxton, główny inżynier oraz kierownik działu Technologii Zasilania w firmie DRS zauważa olbrzymi wzrost niezawodności napędów VFD (o zmiennej częstotliwości) w ostatniej dekadzie. Dodatkowo, uzyskiwane obecnie moce osiągnęły już poziom 60 MW. Wzrost mocy może wynikać, po części, z rozwoju urządzeń przełączających, między innymi takich jak tranzystory IGBT czy tyrystory IGCT.
– Silniki z magnesami trwałymi pojawiają się we wszystkich aplikacjach, w których wymagane są napędy o zmiennej częstotliwości lub wszędzie tam, gdzie korzyści z zastosowania sterowania o zmiennej częstotliwości są znacznie ważniejsze od kosztów zastosowania napędu VFD – twierdzi Edgar S. Thaxton.
– Jeśli chodzi o materiały magnetyczne, ich odporność na korozję, właściwości mechaniczne oraz ograniczenia temperaturowe – to znacznie się poprawiły, sprawiając, że maszyny z magnesami trwałymi mogą pracować zarówno w trudnych warunkach przemysłowych, jak i w aplikacjach militarnych. Koszt materiałów magnetycznych z ziem rzadkich obniżył się pięciokrotnie w ciągu ostatnich dziesięciu lat, podczas gdy moc uzyskiwanych z nich magnesów wzrosła trzykrotnie – wyjaśnia Thaxton. – Oznacza to poprawienie korzyści związanych z ponoszonymi kosztami jak 15 do 1 – jest to niezmiernie istotne w przypadku ich „komercyjnej przydatności”.
Firma Powertec Industrial Motors Inc. jest kolejnym przedsiębiorstwem, związanym historycznie z produkcją wysokiej jakości silników bezszczotkowych z magnesami trwałymi (i napędów). Aktualnie produkuje jednostki o mocy do 400 KM w przypadku standardowych wykonań; ale również dla centrów doskonalenia w przemyśle militarnym, aplikacji przemysłowych oraz aplikacji w warunkach zagrożenia wybuchem. Jednocześnie firma ta produkuje bezszczotkowe silniki prądu stałego o mocy do 600 KM. Urządzenia te, które mają średnicę zewnętrzną bliską 25 cali, wykorzystują ferrytowe magnesy trwałe, a oferowane były w wersjach chłodzonych zarówno powietrzem, jak i płynem. Wybrane produkty nie są już dziś produkowane. Nowe projekty, planowane na rok 2006, mają osiągać moce nawet do 1 000 KM.

Wielkość trzonu silnika jest głównym czynnikiem w przypadku dużych wyjściowych momentów obrotowych (ciągłego – 1 630 Nm, w impulsie – nawet do 4,070 Nm) 400-konnych silników bezszczotkowych z magnesami trwałymi firmy Powertec. Średnica zewnętrzna takiego silnika wynosi 16 cali (z lewej). NEMA 259T firmy Powertec – to pierwszy duży silnik bezszczotkowy, który przeszedł testy Navy Mil-S-901D. Produkuje moment obrotowy bliski 1 000 Nm, dzięki któremu jest w stanie operować azymutalnie w zaawansowanym systemie dział (z prawej) projektu Stealth Destroyers marynarki wojennej USA
Firma Powertec podkreśla nierozerwalną relację pomiędzy silnikami a ich napędami. W przeszłości napędy IGBT dużej mocy, wykorzystywane do sterowania silnikami bezszczotkowymi, były niedostępne za rozsądną
cenę. – Zmieniło się to diametralnie w ciągu ostatnich pięciu lat – stwierdza Ed Lee, dyrektor firmy Powertec. – Dodatkowo tego typu napędy stają się już dostępne za rozsądną cenę.
Firma Powertec wykorzystuje napędy niskiego napięcia (do 600 V) dla sterowania silnikami.
Jednakże Powertec przypisuje niedobór dużych silników z magnesami
trwałymi czynnikom bardziej uzależnionym od rynku, aniżeli od rozwoju technologicznego. – Chociaż duże silniki z magnesami trwałymi są dostępne, są one znacznie droższe od silników konwencjonalnych – twierdzi Lee. – Dopóki najważniejszymi kryteriami realizowanej aplikacji nie są:

  • wysoka wydajność,
  • mniejsze rozmiary (większa gęstość mocy) czy
  • wysokie osiągi dynamiczne – dopóty kupujący nie przeznaczy tych dodatkowych pieniędzy na silnik.

– W rezultacie na rynku jest niewielu producentów tego typu silników.
– Dwa materiały magnetyczne, składające się z pierwiastków ziem rzadkich, dostępne obecnie w silnikach przemysłowych to Nd- -Fe-B (neodym-żelazo-bor) oraz Sm-Co (samar- kobalt). Są one podobne pod względem gęstości magnetycznej, jednakże samar (Sm) ma lepsze właściwości przy większych temperaturach (choć jest droższy).
Chociaż magnesy z materiału Nd-Fe-B są znacznie tańsze niż pięć, siedem lat temu, jednakże ciągle są droższe od porównywalnych, wykorzystywanych obecnie w konstrukcji wirników indukcyjnych w silnikach AC. – Koszt magnesów oraz mała liczba producentów wpływa na koszt bezszczotkowych silników z magnesami trwałymi, a tym samym na prawdopodobieństwo wyboru ich w konkretnej aplikacji – podsumowuje pan Lee.
Wymóg dużego momentu obrotowego
Z punktu widzenia oddziału Automatyki i Napędów firmy Siemens AG duże silniki z magnesami trwałymi wykorzystywane są głównie w aplikacjach, które wymagają dużych momentów obrotowych; takie silniki projektowane są zwykle jako silniki z napędem  bezpośrednim – bez przekładni. Związane jest to ze zwiększonym zainteresowaniem obniżaniem kosztów utrzymania. – Wiąże się to wprost z presją obniżania całkowitych kosztów produkcji – wyjaśnia Robert Lehning, menedżer produkcji dużych silników prądu zmiennego w Siemens A&D Large Drives Div. (oddziale firmy Siemens, zajmującym się dużymi napędami). – Wyeliminowanie przekładni poprzez wykorzystanie technologii napędu bezpośredniego jest jednym z kroków w tym kierunku. Przekładnie wymagają poświęcenia większej uwagi ich utrzymaniu i monitorowaniu niż silniki, a na dodatek są ogólnie trudniej dostępne.
Dodatkowo Lehning wskazuje na rozwiązania silników o wysokim momencie obrotowym, osiąganym przy jednoczesnej małej prędkości, proponowane przez firmę Siemens: – Naszym zdaniem duże silniki z magnesami trwałymi o prędkościach od 800 do 5 000 obrotów na minutę niczym nie przewyższają konwencjonalnych maszyn indukcyjnych. Technologia wykorzystująca magnesy może być „interesująca” w przypadku silników o dużych prędkościach – 10 000 obrotów na minutę i więcej – gdzie ich wydajność jest znacznie większa, aniżeli w przypadku użycia „typowych” maszyn indukcyjnych prądu zmiennego. Jednakże aplikacje w tym zakresie prędkości są bardzo wyspecjalizowane.
Podobnie pan Lehning z firmy Siemens wskazuje na spadające koszty wysokiej jakości magnesów, zwiększające atrakcyjność technologii silników z magnesami trwałymi. Jednakże całkowity koszt technologii ciągle przewyższa tradycyjne rozwiązania silników indukcyjnych. – A zatem, silniki z magnesami trwałymi nie wyprą konwencjonalnych silników indukcyjnych w standardowych aplikacjach w przewidywalnej przyszłości – twierdzi Lehning. – Za tym, co jest najbardziej widoczne w produkcji tego typu silników, kryją się liczne udoskonalenia w zakresie stosowanych narzędzi projektowania. Znacznie większy jest również obecny stan wiedzy na temat silników z magnesami trwałymi – wynika on z licznych doświadczeń firm, zajmujących się ich budową.
W firmie Yaskawa Electric twierdzi się, że nie istnieją żadne techniczne ograniczenia w konstruowaniu większych bezszczotkowych silników z magnesamitrwałymi – osiągającymi moce nawet do kilkuset kilowatów. Główne problemy związane są z ekonomią. Rozmowy z potencjalnymi klientami oraz oferty na takie większe jednostki są coraz częściej spotykane, jednakże produkty te nie są typowymi – „prosto z półki”. Firma Yaskawa rozwija technologię wewnętrznych magnesów stałych (ang. Internal Permanent Magnet). Technologia ta zapewnia większą moc, potrzebną od kilku lat. Podobnie wykorzystuje serwosilniki IPM we własnych maszynach produkcyjnych.
Ekonomiczna presja szybkiego wprowadzania nowych produktów na rynek jest coraz większa – stwierdzają producenci. Firma Yaskawa przyjęła strategię rozszerzenia swojej oferty silników IPM na wiele zakresów mocy – dzięki temu klienci uzyskują większe zyski z dopasowania cyfrowego serwosystemu do swoich potrzeb, związanych na przykład z uzyskiwaniem wyższych mocy.
Wśród tychże silników znajdują się i takie, których moment obrotowy sięga 300 kW – bez zastosowania przekładni. Realizacja napędu bezpośredniego pozwala uzyskać prędkości obrotowe rzędu 500 obrotów na minutę. Są również inne – chłodzone cieczą, trójfazowe serwosilniki o osiągach rzędu 318 kW przy 5 000 obrotów na minutę. Oferta Oemer Motori Elettrici Spa obejmuje również jednostki wysokiej jakości, mogące osiągać nawet 1 MW przy 2 600 obrotów na minutę (prędkość nominalna). Linię produktów firmy Oemer Motori Elettrici Spa można było obejrzeć na targach SPS/IPC/Drives w Niemczech, w listopadzie ubiegłego roku.
Mnóstwo korzyści
Według firmy DRS Technologies: maszyny z magnesami trwałymi charakteryzuje 1-2% wyższa efektywność, niż w przypadku zastosowania odpowiednich indukcyjnych bądź synchronicznych silników prądu zmiennego przy pełnym obciążeniu; 10-15% wyższa efektywność zaobserwowana została przy częściowym obciążeniu. Wydajność ta wypływa z pełnego bezstratnego pobudzenia wirnika dla wszystkich prędkości. Pan Thaxton przytacza przykład napędu statku o niskiej prędkości, którego sprawność sięgnęła niewyobrażalnego wręcz pułapu 99,3%.
Dodatkowo, chłodzenie silnika jest znacznie uproszczone – z uwagi na małe ilości generowanego przez wirnik ciepła. Jedynie stojan wymaga chłodzenia i, z uwagi na jego „zewnętrzną strukturę”, chłodzenie wodą wydaje się być tutaj atrakcyjnym rozwiązaniem. Prostsze systemy chłodzenia prowadzą do elastycznej geometrii silnika. Maszyny z magnesami trwałymi z racji swojej konstrukcji zdają się wspierać znacznie więcej aspektów działania silnika, niż ma to miejsce w rozwiązania konwencjonalnych. Możliwe jest projektowania silników krótkich o dużej średnicy, ale również i długich o niewielkiej średnicy. Podobnie możliwe jest zaprojektowanie zarówno radialnej (konwencjonalnej), jak i osiowej szczeliny powietrznej.
Kompaktowość bezszczotkowych silników z magnesami trwałymi powoduje, że ich rozmiary i waga wynoszą średnio 1/2 do 1/3 rozmiarów i wagi rozwiązań konwencjonalnych. Dodatkowo oferują prostotę pojedynczego nawijania stojana, co wprost przekłada się na niezawodność takiego silnika. Przykładem przeciwieństwa może być silnik indukcyjny (w którym zarówno wirnik, jak i stojan mają odrębne uzwojenia) – znacznie bardziej złożony konstrukcyjnie.
Ma główny stojan, główny wirnik, wzbudnicę wirnika, uzwojenie wzbudzenia stojana oraz w ogólności, prostownik.
Firma DRS Technologies zaprezentowała prototypowe silniki z magnesami trwałymi osiągającymi znacznie większe moce (przy  tych samych prędkościach obrotowych), niż maszyny konwencjonalne, pozwalając w ten sposób bardziej elastycznie dopasować obciążenia i wyeliminować przekładnie (w rozwiązaniach z napędem bezpośrednim). – Silniki z magnesami trwałymi (PM) są porównywalne cenowo z rozwiązaniami konwencjonalnymi – kontynuuje pan Thaxton. – Jeżeli wymogi aplikacji przewidują zastosowanie napędu o zmiennej częstotliwości VFD, nie ma powodu, aby stosować maszyny konwencjonalne.
Firma Powertec dostrzega największe korzyści ze stosowania dużych silników bezszczotkowych wszędzie tam, gdzie wymagana jest wyższa wydajność, większa gęstość mocy (mniejsze wyjście mocy) oraz wyższa wydajność dynamiczna – przy przewadze sprawności rzędu 3% w przypadku zastosowania silnika PM zamiast typowego silnika indukcyjnego prądu przemiennego. Pan Lee zwraca uwagę na fakt, iż różnice mogą być niezauważalne, jeżeli tylko przyłoży się większą wagę do minimalizacji strat w silnikach indukcyjnych (jak na przykład w specyficznych rozwiązaniach energooszczędnych).
– Tego typu silniki indukcyjne nie będą miały pożądanych właściwości z uwagi na bardzo duży prąd rozruchowy i niski startowy moment obrotowy – dodaje pan Lee.
Firma Siemens upatruje największych korzyści z zastosowania dużych bezszczotkowych napędów z magnesami trwałymi w niższych kosztach utrzymania, większej ogólnej dostępności systemów oraz mniejszych wymogach co do przestrzeni działania. Wyeliminowanie przekładni bardzo pomogło w wielu obszarach zastosowań: osiągnięto niższe koszty utrzymania i większą wydajność systemu – z uwagi na mniejsze straty mocy, na równi z niższym stopniem złożoności systemu jako całości.
Zagadnienia sterowania – większa liczba biegunów
Obecnie dostrzega się kilka problemów sterowania związanych z dużymi silnikami z magnesami trwałymi. Sterowanie poprzez modulację wypełnienia impulsu (ang. Pulse Width Modulation) oferuje poziom sterowania zadowalający w większości aplikacji przemysłowych; związane jest to ze zredukowanymi harmonicznymi zasilania oraz poprawionym współczynnikiem mocy.
Zgodnie z tym, co mówi pan Thaxton z firmy DRS, przewaga bezszczotkowych silników z magnesami trwałymi wynika z większej liczby biegunów niż w przypadku silników konwencjonalnych. Ogólnie silniki z magnesami trwałymi mogą mieć trzy razy więcej biegunów niż silniki pierścieniowe o takiej samej średnicy. Oznacza to, że silniki takie mogą być lżejsze, mniejsze, a jednocześnie mogą mieć znacznie bardziej „elastyczną” geometrię.

Przykładem nowej linii produktów firmy Siemens – „HT-direct” – jest chłodzony
wodą bezszczotkowy silnik z magnesami trwałymi, który osiąga moment obrotowy
równy 18 kNm przy zasilaniu równym 690 V. Rozpoczęcie produkcji silników serii
HT-direct planuje się na czerwiec 2006 r. Silniki będą dostępne również w wersji
chłodzonej powietrzem

Z drugiej strony, większa liczba biegunów oznacza, że napęd o zmiennej częstotliwości musi pozwolić na użycie wyższych częstotliwości.
Przykładowo, dla jakiejś wybranej wartości prędkości silnika z magnesami trwałymi sterowanie o częstotliwości 415 Hz nie będzie niczym nadzwyczajnym. Firma Powertec nie dostrzega jak na razie innych problemów ze sterowaniem silników bezszczotkowych, niż te związane z potrzebą komutacji pozycji. Około połowa dostępnych dziś na
rynku napędów wpływa na działanie każdego dołączonego do nich silnika za pomocą algorytmów programowych – sterowania komutacją dla silników bezszczotkowych oraz sterowaniem ślizgowym w przypadku silników indukcyjnych
Działanie operatora zredukowano do prostego wyboru opcji menu. Pan Lee zwraca również uwagę na możliwości działania silnika bezszczotkowego jako generatora z magnesami trwałymi – wyjście jest produkowane bez wymuszenia na wejściu. – W aplikacjach, w których prędkości silnika mogą przyjmować wartości powyżej przeciętnej, wygenerowane napięcia mogą osiągać poziom znacznie wyższy od maksymalnego zakresu, na jaki zaprojektowana została szyna – twierdzi pan Lee. – Wywiera to wpływ jedynie na kilka wybranych, nietypowych aplikacji, jednakże musi zostać uwzględnione w instalacji.
Siemens twierdzi, że strategie sterowania niewiele różnią się od tych, stosowanych w przypadku silników indukcyjnych. Bezszczotkowe silniki z magnesami trwałymi działają pod kontrolą napędów o zmiennej częstotliwości, w których algorytm oprogramowania podlega jedynie niewielkim modyfikacjom.
Przykłady aplikacji
Firma DRS Technologies przetestowała niedawno (przy pełnej mocy) silnik statku o mocy 36,5 MW, przy prędkości 127 obrotów na minutę. Moment obrotowy wynosił ponad 2 700 000 Nm. Silnik wykorzystywany jest w statku marynarki wojennej Stanów Zjednoczonych. Podobnie Canopy Technologies LLC – firma utworzona we współpracy DRS oraz Elliott Company Inc. (lider w produkcji wyposażenia silników wysokoobrotowych) – zakończyła testy silnika, którego osiągi to 11,4 MW, przy prędkości 6 225 obrotów na minutę. Twierdzi się, że są to dwa „najmocniejsze” silniki z magnesami trwałymi na świecie. Aplikacje napędowe w przemyśle okrętowym są szczególnie atrakcyjne dla zastosowań wysokowydajnych silników z magnesami trwałymi – z uwagi na ewentualne oszczędności paliwa. Firma DRS produkuje również wysokowydajne silniki z magnesami trwałymi, osiągające ponad 1 KM na funt w przedziale 500–1000 koni mechanicznych. 
Wśród wielu aplikacji firma Powertec przytacza nowy system rakietowy programu Stealth Destroyer, zrealizowany na zlecenie marynarki wojennej Stanów Zjednoczonych, wykorzystujący liczne duże silniki bezszczotkowe z magnesami trwałymi o bardzo wysokich osiągach dynamicznych. Silnik wznoszący produkuje moment obrotowy większy niż 1 050 Nm przy skoku prędkości nawet 2 000 obrotów na minutę (skok o ponad 300 KM). Silnik ten  wykonany jest jako jednostka o zaledwie 12,5- calowej średnicy. Marynarka wojenna nakazuje wymianę – wszędzie, gdzie to możliwe – silników konwencjonalnych na rozwiązania bezszczotkowe – z uwagi na ich mniejsze rozmiary i niższą wagę, jak podaje firma Powertec.
Inne aplikacje uwzględniają sterowanie wznoszenia i azymutalne. Dodatkowym wymogiem może być redundancja. Tego typu aplikacja została zrealizowana w systemie ruchu gigantycznej, ważącej blisko 2000 ton anteny w systemie obronnym. Wysoka jakość dynamiczna oraz duże moce silników były głównymi wymogami – spełniono je, wykorzystując 8 silników bezszczotkowych, 225-konnych, sterujących azymutem oraz 4 silniki 50-konne, sterujące wznoszeniem. Całość mocy wynosiła zatem około 2 000 KM.
Kompaktowość tychże urządzeń ilustruje 400-konny model NEMA 3213T firmy Powertec (o średnicy zewnętrznej równej 16 cali). Jest to silnik chłodzony powietrzem.
Dmuchawa i puszka rurkowania pokazuje proporcje silnika. Skrzynka zaciskowa wydaje się być ogromna z powodu konieczności podłączenia grubych przewodów.
Aktualny stan technologii silników bezszczotkowych z magnesami trwałymi jest zagadką.
Kilka lat temu w Control Engineering zauważyliśmy, że większe modele mogłyby być produkowane wskutek wzrostu zapotrzebowania, pytając: czy jeśli wybudują je producenci, to znajdą się na nie użytkownicy? Ed Lee z firmy Powertec sformułował to w nieco odmienny sposób: „Kiedy znajdzie się więcej klientów, chcących, aby producenci je
zbudowali, wtedy z pewnością będzie ich więcej, również w większych rozmiarach”.
ce
Artykuł pod redakcją
Krzysztofa Pietrusewicza
z Instytutu Automatyki Przemysłowej
Politechniki Szczecińskiej