Синхронные двигатели на постоянных магнитах - PMSM

Мы так давно занимаемся вилочными погрузчиками, что помним первый технологический переход 21 века: от двигателей на постоянном токе (DC) к двигателям на переменном токе (AC), который случился в самом начале 2000х. Сегодня мы всё чаще встречаем аббревиатуру PMSM - Permanent Magnet Synchronous Motors - в комплектации электрических погрузчиков. Станут ли эти двигатели новым стандартом отрасли или «старый добрый асинхронник» пока остаётся с нами?

Часть первая, теоретическая

Все три типа электрических двигателей работают, используя эффект отталкивания двух одинаковых магнитных полюсов. Разница в том, как создаётся магнитное поле в неподвижной части двигателя — статоре, и в подвижной части двигателя — роторе или якоре — которая, в свою очередь, превращает электрическую работу тока в механическую работу вала.

Магнитное поле в роторе может создаваться в электрических обмотках при подаче на них электрического тока (DC), возникать в результате индукции (AC), либо быть постоянным свойством магнитов (PMSM).

У каждого типа двигателей есть свои достоинства и недостатки, которые определяют выбор двигателя для конкретной задачи. Двигатели можно сравнивать:

по стоимости изготовления;
по сложности устройства и управления;
по наличию изнашивающихся компонентов;
по возможности плавной регулировки скорости и передаваемого крутящего момента;
по энергоэффективности и КПД.

Переход от DC к AC технологии в погрузчиках и складской электротехнике выглядел обоснованным и логичным:

при одинаковых габаритах двигатель переменного тока обеспечивает большую мощность;
благодаря отсутствию угольных щёток, необходимых для подачи питания на ротор в DC-двигателе, AC-двигателю практически не требуется обслуживание;
отсутствие трения снижает нагрев, корпус двигателя может быть изготовлен в герметичной форме с уровнем защиты от пыли и воды IP54−65;
более сложное, но более точное программное управление позволяет регулировать скорость вращения и крутящий момент в широком диапазоне, в зависимости от того, движется погрузчик с постоянной скоростью, динамично стартует и замедляется или обрабатывает тяжёлый груз;
AC-двигатель имеет меньше потерь и более энергоэффективен, а возможность более быстрого изменения направления вращения снижает расход энергии на торможение погрузчика — в итоге, мы работаем дольше на каждом заряде АКБ.

Двигатели на постоянных магнитах — не новое изобретение. Их активное развитие началось в 70-х годах 20 века. Почему именно сейчас их начали устанавливать на погрузчики? Здесь есть несколько причин, и они связаны как с технологией, так и с экономикой.

Часть вторая: PMSM, они же - СДПМ

Принцип действия синхронного двигателя с постоянными магнитами (СДПМ или PMSM) не отличается от принципа действия описанных выше электрических машин. Вращение ротора СДПМ осуществляется при взаимодействии его магнитного поля с крутящимся магнитным полем, наводимым обмотками статора.

Отличие в том, что поле вращающегося узла создаётся не обмотками, в которых возникает ток индукции, а магнитами, с постоянным магнитным полем: синтетические магниты с редкоземельными металлами встроены в тело ротора и создают вокруг себя сильное магнитное поле. Питается двигатель переменным током, поэтому иногда в его названии встречается сокращение PM-AC-M, но сам двигатель остаётся синхронным (S — Synchronous).

Двигатели такого типа используются довольно давно, но их распространение в высокопроизводительных системах было ограничено доступностью подходящих магнитов, которые бы обладали достаточной плотностью магнитного поля и стойкостью к неблагоприятным внешним факторам, таким как внешние магнитные поля и перегрев.

С появлением современных искусственных магнитных материалов стало возможно производство надёжных и мощных двигателей для таких производительных систем, как электромобили (в первую очередь) и погрузчики (заодно). Компактные размеры и экономичность - это причины, по которым PMSM были быстро внедрены в конструкцию электромобилей, чтобы выиграть ещё несколько километров пробега до следующей зарядки. А чем они могут быть полезны для погрузчиков?

Преимущества двигателей на постоянных магнитах:

Упрощённая конструкция двигателя. В роторе ток отсутствует, нет обмоток, потери на возбуждение и нагрев снижены. Контактных элементов также нет, то есть стоимость обслуживания остаётся низкой.

Высокий КПД, в том числе при низких нагрузках — это важное преимущество СДПМ перед асинхронными двигателями на переменном токе, которые наиболее эффективно работают именно на высоких скоростях. Например, в серии погрузчиков CAT EP-AN скорость вращения AC-двигателей специально увеличили на 30%, чтобы достичь идеального баланса между потреблением энергии и крутящим моментом. Правда заодно понадобился высококлассный редуктор с большим передаточным числом. PMSM же двигатель в каких-то ситуациях (не применительно к погрузчикам) может обойтись вообще без редуктора, настолько хороший момент он отдаёт со старта.

В целом, КПД СДПМ превышает 90% в диапазоне нагрузки от 25% до 125%. Эффективность двигателя приводит к увеличению времени работы на каждом заряде АКБ, что становится заметным преимуществом в условиях растущей стоимости электроэнергии.

Более компактные размеры и малый вес в сравнении с асинхронными двигателями при равной мощности. Это позволяет либо увеличить мощность двигателя при сохранении внешних габаритов, либо сделать погрузчик в целом компактнее, при сохранении мощности и производительности.

У синхронного двигателя угловая скорость вращения ротора равна скорости вращения магнитного поля в статоре, отсутствует скольжение ротора. Технологически управление скоростью и крутящим моментом в этом случае более сложное, но и ещё более точное, чем у асинхронных двигателей, в том числе на малых оборотах.

Кроме технологических преимуществ, есть экономические факторы, которые стимулируют производителей грузоподъёмной техники внедрять новые решения, такие как двигатели на постоянных магнитах и высоковольтные аккумуляторы: эти компоненты массово выпускаются для электромобилей, что снижает себестоимость их производства и заставляет искать способы применения в других производительных системах.

У двигателей на постоянных магнитах есть особенности, которые можно отнести к недостаткам:

Пусковой ток синхронного двигателя в 9 раз превышает таковой у асинхронного, что может оказать влияние на источник тока — аккумуляторную батарею.
Двигатели с постоянными магнитами дороги, сложны в обращении. При ремонте ротор сложно извлечь и ещё сложнее установить на место (силу магнитов нельзя «отключить»). Двигатели имеют нестандартные формы и монтажные размеры, что может затруднить обслуживание и ремонт.
На холостом ходу двигатель может генерировать опасные токи.
Магниты могут терять свои свойства при перегреве и воздействии внешних электромагнитных полей. Это одна из причин, почему в высоковольтные погрузчики с PMSM двигателям вводится жидкостное охлаждение двигателей и контроллеров.

Преимущества:	Недостатки:
Энергоэффективность: сниженные потери электричества внутри двигателя, сниженные потери на нагрев	Высокая стоимость, риск дополнительных затрат при замене двигателя
Высокий КПД в широком диапазоне, в том числе при низких скоростях	Риск деградации магнитов при неблагоприятных внешних воздействиях - перегрев, внешнее электромагнитное излучение
Компактные размеры, малый вес	Сложный ремонт из-за магнитных свойств двигателя и риска генерации напряжения на холостых оборотах
Отсутствие контактных элементов, низкая потребность в обслуживании
Продолжительный срок службы

Насколько перечисленные особенности окажут влияние на эксплуатацию техники — покажет практика.

А вот, кстати, и практика

Китайские производители за последние 3 года вывели на рынок разнообразные модели на постоянных магнитах. Это лёгкая внутрискладская техника, например, штабелёры и перевозчики серии XT от Hangcha с рабочим напряжением 48В; ричтраки (серия G от Noblelift); погрузчики для комбинированной среды (серия XE от Hangcha и FLB от TEU); погрузчики для интенсивной эксплуатации (серия XC от Hangcha); тяжёлые высоковольтные машины, которые постепенно вытесняют дизельные автопогрузчики из портов и контейнерных терминалов.

Главными преимуществами новых моделей все производители называют энергоэффективность и обещают пользователям снижение затрат на электричество. Среди других преимуществ — низкая потребность в обслуживании и точное управление движением погрузчика и работой гидравлики. Интересно, что стоимость новых моделей техники не выше, а зачастую ниже, чем их аналогов на асинхронных двигателях переменного тока.

Сравним характеристики моделей с AC и PMSM двигателями.

Штабелёры и перевозчики Hangcha серии XT стали первыми моделями малой складской техники с рабочим напряжением 48В и двигателями на постоянных магнитах. Серия также использует все преимущества литий-ионных аккумуляторов. Техника стала быстрее, компактнее и манёвреннее, чем классические 24В модели:

Штабелёр с платформой оператора Hangcha	CDD16-AC2S	CDD16-XT1S-SI
Тяговый двигатель, кВт	2,2 AC	2,2 PMSM
Скорость движения, с грузом / без груза, км/ч	7 / 7	9 / 11
Двигатель подъёма, кВт	3 DC	4,2 PMSM
Скорость подъёма, с грузом / без груза, м/с	0,11 / 0,16	0,18 / 0,40
AST c поддоном 800*1200 по длине, мм	2362	2286

Погрузчики Hangcha XC серии сегодня, вероятно, одна из лучших моделей для профессиональной интенсивной эксплуатации. Изначально на нашем рынке была доступна модель с индексом XD, оснащённая тяговым и гидравлическим AC-двигателями. Сегодня производитель предлагает 2 дополнительных версии с индексом XCY2 – стандартной и повышенной производительности, обе на двигателях PMSM. Базовая версия немного проигрывает модели на AC-двигателях в скоростях движения и подъёма, но стоит заметно дешевле, сохраняя все фирменные фишки XC серии. А модель с увеличенной производительностью ни в чём не уступает дизельному автопогрузчику Hangcha X серии.

4-опорный электрический погрузчик Hangcha	CPD30-XD6-SI26	CPD30-XCY2-SI	CPD30-XCY2H-SI
Тяговый двигатель, кВт	16,6	17	20
Скорость движения, с грузом / без груза, км/ч	18 / 19	16 / 17	19 / 20
Двигатель подъёма, кВт	25,5	23	28
Скорость подъёма, с грузом / без груза, м/с	0,39 / 0,54	0,35 / 0,46	0,45 / 0,55
Макс. преодолеваемый уклон, %	20 / 20	15 / 25	20 / 28
Ускорение на 10м, сек.	4,9 / 4,7	5,9 / 5,4	5,2 / 4,6

Стоит отметить, что производители большой четвёрки пока не заявили ни одной модели с двигателями на постоянных магнитах. Скрывается за этим здоровый консерватизм или недоверие к новой технологии — узнаем в ближайшие пару лет.

Разбирался в технологиях, Ваш Роктрак

P.S. Коллеги подсказывают, что двигатели PMSM засветились на узкопроходниках Jungheinrich. Причём начать с самой дорогой техники немецкую компанию заставил тот факт, что в Европе эти двигатели стоят в 2−3 раза дороже асинхронных.

2025-08-28 19:32 Статьи