КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ BLDC-ДВИГАТЕЛЕЙ С ВЫСОКОКОЭРЦИТИВНЫМИ ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ

Бесщеточные двигатели постоянного тока BLDC широко применяются в регулируемых по скорости электрических устройствах благодаря высокой эффективности, отсутствию необходимости в щеточных и электродных компонентах, а также использованию технологии электронных переключателей.  Применение постоянных магнитов для намагничивания позволяет избежать потерь в обмотках намагничивания, что способствует повышению показателя удельного энергопотребления устройства [1].  Основные компоненты двигателя включают статор с многофазной обмоткой, ротор с магнитами и электронный частотный преобразователь [2].

По взаимному расположению активных частей различают машины с внутренним и внешним ротором. В классической схеме ротор находится внутри статора. В обращённой конструкции статор расположен внутри, а ротор охватывает его снаружи. Увеличенный радиус воздушного зазора способствует получению повышенного момента при ограниченной осевой длине [2; 4; 5]. В упрощённом виде электромагнитный момент можно представить зависимостью

M ≈ Fτ · r, (1)

где

M — электромагнитный момент;

Fτ — результирующая тангенциальная электромагнитная сила;

r — эффективный радиус воздушного зазора.

Более широкий рабочий радиус позволяет использовать бесщёточные двигатели постоянного тока с внешним ротором в вентиляторах, роботах и беспилотных системах — в случаях, когда эти устройства имеют небольшие размеры, но при этом требуется создавать значительный крутящий момент.

В современных BLDC-машинах широко применяются высококоэрцитивные магниты NdFeB и SmCo. NdFeB имеет высокую остаточную магнитную индукцию и большое энергетическое произведение, что позволяет получать значительный поток при малом объёме магнитного материала [4]. Его ограничением является температурная чувствительность и риск необратимого размагничивания. SmCo отличается более высокой температурной и коррозионной стойкостью, но имеет большую стоимость и хрупкость [3].

Таблица 1.

Сравнительная характеристика магнитов NdFeB и SmCo

При больших значениях фазового тока на магниты воздействует демагнетизирующая составляющая, обусловленная магнитным противодействием ротора.  Следовательно, марку и толщину магнитов необходимо выбирать с учётом воздушного зазора, максимального тока и температуры ротора.  Для приводов с высокой нагрузкой рекомендуется использовать термостойкие магниты марок NdFeB или SmCo, а также проверять их рабочую точку на основе кривой демагнетизации [3].

В двигателях малой и средней мощности поверхностное крепление магнитов представляет собой технически обоснованное решение.  В двигателях с внешним ротором магниты устанавливаются на внутренней поверхности ферромагнитного корпуса, который выполняет функции как магнитного сердечника, так и опорного элемента.  Его толщина должна подбираться с учётом необходимости избежать значительной магнитной насыщения при минимальной массе.  Устройство крепления магнитов должно выдерживать вибрации, сдвиговые нагрузки и температурные деформации [5].

Стабильность магнитной системы зависит от условий хранения и эксплуатации. Для NdFeB необходима защита от коррозии с помощью металлических или полимерных покрытий. Тепловой режим следует оценивать совместно с электромагнитным расчётом, поскольку нагрев повышает риск размагничивания. Во внешнероторной конструкции особое значение имеет теплоотвод от внутреннего статора.

Распределение магнитной индукции в зазоре влияет на средний крутящий момент, пульсации крутящего момента, вибрацию и шум.  Оптимизировать соответствующие характеристики можно путём выбора комбинации магнитных дуг, пазов и магнитов, а также размеров зазора.  На заключительном этапе оптимизации рекомендуется использовать метод конечных элементов для численного моделирования магнитного поля [4; 5].

Таким образом, высококоэрцитивные магниты обеспечивают высокие удельные показатели BLDC-двигателей. NdFeB предпочтителен для получения высокой плотности магнитного потока, а SmCo — при повышенных температурах и требованиях к стабильности. Внешнероторная конструкция перспективна для приводов с повышенным моментом при ограниченных габаритах; её надёжность определяется выбором магнитного материала, геометрии, крепления магнитов и теплового режима.