Silniki z wewnętrznymi magnesami trwałymi (IPM)

Biorąc pod uwagę olbrzymią liczbę instalacji oraz związany z tym znaczący udział w ogólnym zużyciu energii, silniki indukcyjne prądu przemiennego – przemysłowe „konie robocze” – do dziś znajdują się w czołówce urządzeń rozwijanych z punktu widzenia oszczędności energii.

Standardy dotyczące sprawności oraz obowiązkowe specyfikacje odnośnie minimalnych osiągów energetycznych, pchają projektantów tego typu silników do podwyższania ich sprawności energetycznej. Urządzenia takie cechują się mocą wyjściową w zakresie od 1 do 500 koni mechanicznych (od 0,75 do 375 kW). W porównaniu z innymi typami silników urządzenia z wewnętrznymi magnesami trwałymi (IPM) na wirniku oferują wymiernie większą sprawność energetyczną oraz szereg innych korzyści.  

Projektowanie IPM pozwala na ukrycie produkowanego strumienia magnesów trwałych wewnątrz struktury wirnika. Mamy tu zatem do czynienia z podejściem, które różni się od konwencjonalnego projektowania silników z magnesami trwałymi (PM). Takiego, które polega na prostym montowaniu magnesów na powierzchni wirnika. Silniki z wewnętrznymi magnesami trwałymi były używane przez pewien czas w serwomotorach dla samodzielnych centrów obróbkowych (CNC), w maszynach narzędziowych i innych przyrostowych systemach ruchu o wysokiej precyzji. Obecnie w aplikacjach o tak wysokiej dynamice wzmocnienie wydajności i przerobu jest brane pod uwagę w większej mierze niż sprawność.

IPM w roli głównej  
Nowością w odniesieniu do silników z wewnętrznymi magnesami trwałymi jest ich zastosowanie w szerszym zakresie aplikacji przemysłowych oraz przez producentów OEM. Jest to inicjatywa entuzjastycznie promowana przez firmę Baldor Electric. W projektowanych rozwiązaniach łączy stojan wykonany z ramy wielowarstwowej z wirnikiem wykonanym tak, że zawiera wewnętrzne magnesy trwałe.  

– Sztabki magnesów osadzone w formie wirnika maszyny z biegunami wydatnymi pomagają skupić strumień i dostarczać więcej mocy, a także uzyskiwać większą sprawność oraz wolniejszy wzrost temperatury – tłumaczy John Malinowski, dyrektor produkcji silników w Baldorze. – Większy moment obrotowy pochodzi od dodatkowych komponentów, dających moment reluktancyjny i rozwijanych w silnikach z wewnętrznymi magnesami trwałymi.

Stojan jest elementem laminowanej ramy, co eliminuje dodatkowe połączenie stojana z ramą i pozwala na bezpośrednie odprowadzanie ciepła z silnika. Listwy ukształtowane w cienkiej stali wielowarstwowej optymalizują przepływ ciepła.

– Kiedy je nagromadzić i przykuć do siebie bezpośrednio pod ciśnieniem, przypominajążelazny odlew ramy – mówi Malinowski (patrz: zdjęcie obok). – Przykładowo: w grupie urządzeń o mocy 400 koni mechanicznych silniki indukcyjne o najwyższej skuteczności oferują sprawność 96,2%, podczas gdy maszyny z wirnikiem z wewnętrznymi magnesami trwałymi uzyskiwały wyniki sięgające 98,3%.  

Silniki z wewnętrznymi magnesami trwałymi są sterowane przez standardowe nastawianie wektora prędkości napędu. Wymagają jedynie specjalnego oprogramowania.

– Pętla otwarta sterowania jest powszechna, ale enkodery mogą zostać łatwo dodane do aplikacji, gdy potrzebna jest bardziej precyzyjna regulacja lub pozycjonowanie – zauważa Malinowski.

Przedstawiciele Baldora dostrzegają duży potencjał rynkowy silników o wysokiej sprawności energetycznej. Zwłaszcza, że charakteryzują się cztery do pięciu razy mniejszą ramą, pięć do siedmiu razy większą mocą oraz prawie 50-procentowymi oszczędnościami na wadze, w porównaniu z maszynami indukcyjnymi prądu przemiennego.

– Baldor dysponuje silnikami z IPM o mocach 150 koni mechanicznych oraz prototypami o większych mocach – mówi dyrektor produkcji silników w tej firmie. – Urządzenia o mocach rzędu 400 koni mechanicznych wprowadzimy do oferty w 2009 roku. W przyszłości planujemy produkcję nawet 1 000-konnych silników.

Kolejną możliwą płaszczyzną zastosowań dla technologii wewnętrznych magnesów trwałych może być segment silników plasowanych powyżej klasy Premium (zdefiniowanej przez Międzynarodowe Stowarzyszenie Producentów Sprzętu Elektrycznego NEMA). Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna (International Electrotechnical Commision) zdefiniowała ostatnio kategorię najwyższej sprawności w odniesieniu do silników przemysłowych (nazwana IE4 – super Premium) bez specyfikowania typu motorów. Zdaniem Johna Malinowskiego kategoria IE4 nie powinna być limitowana jedynie do silników indukcyjnych prądu zmiennego.

Trzeba przy tym pamiętać, że w przypadku silników z wewnętrznymi magnesami trwałymi mamy do czynienia z wysokimi kosztami początkowymi. Oczywiście wzrost sprzedaży powinien wpłynąć na obniżenie kosztów wytwarzania. Z drugiej strony możemy spodziewać się znacznej oszczędności energii. Dlatego silniki prądu zmiennego z wewnętrznymi magnesami trwałymi mają coraz bardziej eksponowane miejsce w szerokim kręgu aplikacji przemysłowych, które stosowane są w celu oszczędzania energii oraz mocy.  

Frank J. Bartos  

Artykuł pod redakcją dra inż. Krzysztofa Jaroszewskiego, asystenta w Zakładzie Automatyki Instytutu Automatyki Przemysłowej Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego     

Wbudowane magnesy trwałe jako element systemu oszczędzania energii   
Magnesy trwałe, wbudowane do wirnika silnika prądu zmiennego wpływają – ze względu na większą złożoność – na wzrost kosztów projektu w porównaniu do rozwiązań opartych na montażu powierzchniowym magnesów na wirniku. Jednakże pozwalają na uzyskanie nadzwyczajnych osiągów oraz korzyści. Jak już wspomniano w głównej części artykułu, silniki z wewnętrznymi magnesami trwałymi wytwarzają składową w postaci „momentu reluktancyjnego” jako dodatek do składowej momentu magnetycznego. W rezultacie osiąga się większy moment wyjściowy w przeliczeniu na rozmiar silnika. Inne zalety silników z wbudowanymi magnesami trwałymi to utrzymywanie wyższego współczynnika sprawności mocy oraz większy zakres możliwości obciążania silnika w stosunku do silników indukcyjnych prądu przemiennego.  

Baldor Electric oferuje obecnie silniki o mocach do 150 koni mechanicznych (112 kW) dla aplikacji ogólnego zastosowania. Jednak już w niedługim czasie przewidywane są rozwiązania o większej mocy. Projektowanie ram warstwowych bazuje na jednym rozmiarze stojana i wirnika dla każdego rozmiaru silnika. Co ważne, wielkość wału jest wskazywana jako identyczna w stosunku do stosowanej dla zdefiniowanych przez NEMA standardowych silników indukcyjnych. John Malinowski, dyrektor produkcji silników w Baldorze podkreśla, że technologia wewnętrznych magnesów trwałych stała się pod względem kosztów bardziej atrakcyjna również od projektów bazujących na kosztownych miedzianych wirnikach. Takich, które używano w poprzednich silnikach indukcyjnych o wysokiej sprawności, aby ostatecznie osiągnąć prowadzenie w zakresie sprawności.  

Sterowanie dostosowaniem prędkości pomp, wiatraków i sprężarek reprezentuje główne trendy aplikacyjne dla silników z wewnętrznymi magnesami trwałymi. Według przedstawicieli Baldora te małe, lekkie silniki z wewnętrznymi magnesami trwałymi są idealne do redukcji szkodliwych częstotliwości rezonansowych wibracji, które często występują w instalacjach z pionowym montażem pomp.  

Należy zauważyć, że silniki z wewnętrznymi magnesami trwałymi pozwalają – w przeciwieństwie do silników indukcyjnych – na drastyczną redukcję fizycznych wymiarów. Oczywiście minimalny rozmiar nie zawsze jest celem samym w sobie.