Почему PMSM стал ключевым двигателем эпохи литий-ионных погрузчиков

Конструкция и принцип действия PMSM
Синхронный двигатель с постоянными магнитами в разобранном виде: слева показан статор с обмоткой из медной шины, в центре – ротор с встроенными магнитами и стальными удерживающими пластинами, справа – узел подшипниковой опоры.

Развитие электрического транспорта и складской техники привело к поиску более эффективных электродвигателей. Долгое время стандартом в электропогрузчиках были асинхронные (индукционные) моторы, однако с распространением литий-ионных батарей и повышением бортового напряжения до 309 В возникла возможность перехода на синхронные двигатели с постоянными магнитами (PMSM). Эти моторы отличаются более высоким КПД и удельной мощностью, стабильной работой под нагрузкой и низким тепловыделением, что идеально подходит для интенсивных циклов на складе. Компания Hangcha одной из первых внедрила PMSM в серийные электропогрузчики среднего и большого класса (грузоподъёмностью 2–10 тонн), задав новый технологический стандарт в отрасли. В сочетании с литий-ионными аккумуляторами высокой мощности PMSM-моторы позволили создать электрическую технику, не уступающую по производительности дизельным аналогам, но значительно более экономичную и простую в обслуживании.

PMSM представляет собой трёхфазный синхронный электродвигатель, в котором магнитное поле возбуждения создаётся постоянными магнитами, закреплёнными на роторе, вместо обмоток возбуждения как у классических синхронных машин. При подаче переменного трёхфазного напряжения на обмотки статора в машине возникает вращающееся магнитное поле. Ротор с постоянными магнитами «схвачен» этим полем и вращается строго синхронно с частотой питающего тока, без проскальзывания, присущего асинхронным моторам. Благодаря этому PMSM способен вращаться с постоянной скоростью, синхронной частоте питающей сети (или ШИМ-инвертора), практически не изменяя скорость при колебаниях нагрузки до достижения предельного крутящего момента. Отсутствие токов в роторе (нет необходимости индуцировать магнитное поле) устраняет потери на роторное сопротивление и скольжение, повышая КПД и снижая нагрев машины. Исследования показывают, что при прочих равных (тот же статор и система управления) КПД PMSM примерно на 2% выше, чем у высокоэффективного асинхронного двигателя IE3. Также PMSM обладает лучшими показателями удельной мощности (отношение мощности к массе/объёму) и моментной инерции по сравнению с другими типами моторов, что означает более компактные габариты и быстрый отклик на изменение нагрузки.
В промышленной технике чаще используются конструкции с внутренними магнитами (IPM) внутри ротора, а не на поверхности. Внутренняя установка магнитов улучшает использование магнитного потока и добавляет так называемый реактивный момент, что повышает общий крутящий момент и эффективность, особенно на высоких оборотах. К тому же IPM-конструкция лучше защищает магниты от механических нагрузок и размагничивания. Статор PMSM обычно выполнен с классической трёхфазной распределённой обмоткой, при этом в современных двигателях вместо круглого провода применяют медную шину прямоугольного сечения для лучшего заполнения пазов и отвода тепла. Ниже перечислены основные элементы конструкции PMSM и их функции:

Основные элементы PMSM

Статор: Сердечник статора из тонких листов электротехнической стали, набранных в пакет для уменьшения вихревых токов. Неподвижная часть двигателя, закреплённая в корпусе, содержит пазы для укладки обмотки.
Обмотка статора: Трёхфазная обмотка из изолированной медной шины, уложенная в пазы статора. Формирует вращающееся магнитное поле при подаче трёхфазного напряжения. Использование прямоугольной шины вместо круглого провода повышает заполнение пазов, снижает омические потери и улучшает теплоотвод, что в итоге увеличивает КПД и максимальный выходной момент двигателя.
Роторный пакет: Набор ламинированных стальных листов, образующих сердечник ротора. Выполняет роль магнитопровода для замыкания потока между полюсами магнита и снижает потери на вихревые токи в роторе. В PMSM профиль ротора часто делают сложной формы (особенно в IPM-моделях) для получения близкого к синусоидальному распределения поля и уменьшения пульсаций момента.
Ступица ротора: Центральный узел ротора, металлический корпус, на котором крепятся пакет ротора, постоянные магниты, удерживающие пластины и элементы подшипников. Ступица насажена на вал двигателя и служит для передачи крутящего момента от ротора на вал.
Постоянные магниты: Основной источник магнитного поля в двигателе. Изготавливаются из материалов с высокой коэрцитивной силой (чаще всего редкоземельные магниты NdFeB – сплав неодима, железа и бора). Магниты либо вклеиваются/вставляются внутрь ротора (тип IPM), либо монтируются на поверхность ротора (тип SPM). Постоянные магниты создают возбуждение без затрат энергии, обеспечивая высокую энергоэффективность и большой удельный момент двигателя.
Удерживающие пластины: Тонкие стальные шайбы или кольца, фиксирующие магниты внутри ротора (в IPM-конструкции) или стягивающие их снаружи (в SPM). Они предохраняют магниты от смещения под действием центробежных сил на высоких оборотах, а также влияют на форму магнитного поля (например, могут скруглять его распределение для уменьшения пульсаций момента).
Подшипниковый узел: Включает подшипники (чаще шариковые или роликовые), опорные кольца и крепёж. Обеспечивает точное центрирование ротора относительно статора и лёгкое вращение с минимальным трением. Также принимает на себя радиальные и осевые нагрузки, передаваемые от ротора на корпус, и обеспечивает долгий ресурс работы двигателя.

Принцип работы PMSM основан на электромагнитном притяжении: постоянные магниты ротора создают постоянное магнитное поле, которое взаимодействует с вращающимся полем статора. Ротор непрерывно «следует» за вращающимся полем без запаздывания, поэтому частота вращения точно соответствует частоте питающего тока. В результате нет скольжения, характерного для асинхронных машин, а потребляемый ток тратится только на создание момента, но не на поддержание магнитного поля ротора. Отсутствие потерь на возбуждение и проскальзывание делает PMSM очень эффективным: в оптимальном режиме КПД таких моторов может достигать 94–97%. Даже по сравнению с лучшими образцами асинхронных двигателей (КПД ~90%) PMSM выигрывают за счёт устранения потерь в роторе. Кроме того, благодаря высокой эффективности в генераторном режиме, PMSM-моторы хорошо подходят для рекуперации энергии в электротранспорте. Единственными существенными недостатками PMSM являются зависимость характеристик от используемых магнитов (дорогостоящие редкоземельные материалы, потеря свойств при перегреве) и необходимость сложной электронной системы управления для запуска и регулировки скорости.

Преимущества PMSM для электропогрузчиков

Применение синхронных двигателей с постоянными магнитами в электрических погрузчиках даёт сразу несколько важных преимуществ по сравнению с традиционными асинхронными приводами. Ниже рассмотрены ключевые из них:

Высокий КПД и меньшее энергопотребление. Благодаря отсутствию потерь на возбуждение PMSM имеют очень высокий коэффициент полезного действия. В рабочих режимах КПД таких моторов достигает 94–97%, тогда как у аналогичных асинхронных двигателей он обычно ниже. Напрямую это означает более низкий расход энергии на выполнение каждой операции и меньший нагрев компонентов. В реальных условиях склада применение PMSM позволяет заметно продлить время работы техники без подзарядки. К примеру, Hangcha отмечает, что её новая серия электропогрузчиков на 80 В с двойным PMSM-приводом расходует на 15–20% меньше энергии, чем аналогичная техника с традиционными асинхронными моторами. Кроме того, за счёт более эффективного использования энергии снижается нагрев силового блока, уменьшаются требования к системе охлаждения. В сочетании с ёмкими литий-ионными батареями (например, 309 В в серии XH или 80 В в серии XC у Hangcha) это даёт существенный прирост длительности работы погрузчика в смене без подзарядки. Время полной зарядки таких Li-ion батарей составляет около 1–1,5 часов, после чего погрузчик способен отработать 10–12 часов непрерывно, что практически эквивалентно рабочей смене. Высокий КПД PMSM также значит, что больше доля энергии аккумулятора идёт на полезную работу (движение и подъём груза), а не теряется в виде тепла. Тем самым снижаются затраты на электроэнергию и обеспечивается экологичность без ущерба производительности.
Повышенный крутящий момент на низких скоростях. PMSM способны развивать высокий стартовый момент благодаря постоянно действующему магнитному полю ротора. Момент доступен практически мгновенно с нулевой скорости вращения, что крайне важно при трогании электропогрузчика с места с тяжёлым грузом, на уклоне или на рампе. На малых оборотах PMSM существенно превосходят асинхронные двигатели, которым для развития момента требуется определённое скольжение. Практически это означает, что электрический погрузчик с PMSM может без задержек сдвинуть с места максимальный груз, уверенно преодолевать наклонные пандусы и рампы и быстро ускоряться с нагрузкой. Hangcha добилась того, что её новые высоковольтные погрузчики с PMSM по тяговым характеристикам не уступают, а порой и превосходят аналогичные дизельные модели – например, по скоростям перемещения, уклонопреодолению и динамике разгона под нагрузкой. Способность эффективно работать на крутых склонах с грузом – одно из ключевых достижений данной технологии. По тяговому усилию при старте и на низких скоростях PMSM-погрузчики вплотную приблизились к ДВС-аналогам, что расширяет область их применения (включая тяжелые условия вне помещений). Таким образом, характер тяги PMSM позволяет электрическим машинам конкурировать с погрузчиками внутреннего сгорания по мощности, сохраняя преимущества нулевых выбросов и тишины.
Точный контроль с помощью векторного управления (FOC). Синхронные двигатели с постоянными магнитами оптимально сочетаются с современными системами векторного управления полем (Field-Oriented Control). Алгоритм FOC управляет токами в обмотках так, чтобы разложить их на составляющие, создающие поток и создающие момент, что позволяет очень точно дозировать выходной крутящий момент. В результате PMSM мгновенно и плавно реагирует на изменение нагрузок и команд оператора. Электропогрузчик с таким приводом ускоряется и тормозит без рывков, чётко удерживает заданную скорость и позволяет ювелирно позиционировать груз. Для водителя это означает более комфортное и предсказуемое управление машиной: погрузчик не дёргается, плавно берёт разгон, замедляется ровно настолько, насколько нужно, отсутствуют задержки при нажатии педали акселератора. Даже при резких изменениях нагрузки (например, при подъёме или сдвиге тяжёлого груза) поддерживается стабильная тяга. В сочетании с рекуперацией (см. пункт 7) такая система управления повышает эффективность и безопасность. Операторы отмечают тихую, мягкую и точную работу PMSM-погрузчиков, что снижает усталость и повышает продуктивность.
Компактность и высокая удельная мощность. При равной выходной мощности PMSM, как правило, более компактны и лёгки, чем асинхронные моторы. В них отсутствует массивный ротор с клеткой или обмоткой возбуждения – вместо этого сравнительно небольшие по объёму постоянные магниты создают такое же магнитное поле. Кроме того, PMSM могут работать на более высоких частотах вращения без больших потерь, что тоже позволяет уменьшить размеры. Более высокая плотность мощности PMSM отмечена в исследованиях: они обладают наилучшим отношением мощность/объём и мощность/масса среди электрических машин общего назначения. Для производителя погрузчиков это даёт свободу в оптимизации компоновки: меньший по размеру двигатель проще вписать в шасси, можно уменьшить габариты моторного отсека или использовать освободившееся пространство под батарею большей ёмкости. Компактность также улучшает распределение масс в машине – двигатель легче, и его можно расположить ниже, что понижает общий центр тяжести погрузчика. В итоге повышается устойчивость и остаточная грузоподъёмность (способность поднимать номинальный груз на максимальную высоту без потери равновесия). Это особенно важно для узкообразных моделей складской техники – ричтраков, штабелёров, узкопроходных штабелеров, где каждый сантиметр на счету. Так, в новой серии XE (80 В) от Hangcha используется сдвоенный PMSM-привод, позволивший добиться более высокой плотности мощности, и в сочетании с остальными улучшениями это дало сокращение энергопотребления на 15–20% по сравнению с традиционными асинхронными моделями аналогичной грузоподъёмности. Иными словами, более мощный и эффективный PMSM-мотор позволяет получить ту же производительность при меньших энергозатратах и габаритах агрегатов.
Минимальное обслуживание и высокая надёжность. В PMSM отсутствуют узлы, подверженные быстрому износу: щётки, коллекторы или контактные кольца возбуждения не нужны, поскольку ротор не требует подачи тока – магнитное поле создаётся постоянными магнитами. Также нет трущихся электрических контактов, как в коллекторных двигателях, а обмотки статора мало подвержены деградации при правильном терморежиме. Все это позитивно сказывается на ресурсе и простоте обслуживания. Синхронные двигатели на магнитах обладают более простой, «замкнутой» конструкцией – фактически, единственными элементами, требующими регламентного осмотра, остаются подшипники да кабельные соединения. Отсутствие потерь на роторе улучшает тепловой режим, снижая нагрузку на систему охлаждения и уменьшая риск перегрева изоляции. В результате ресурс PMSM выше, а потребность в плановом техобслуживании ниже, чем у традиционных приводов. По оценкам, исключение узлов типа щёток и скользящих контактов делает двигатель более лёгким, эффективным и надёжным. Для владельца склада это означает: меньше простоев на сервис, меньше затрат на замену расходников (щёток, фильтров и т. п.) и более стабильную работу техники между ТО. Практика применения PMSM-погрузчиков показывает, что они могут безотказно работать длительный период, требуя лишь минимальных проверок, и сохраняют паспортные характеристики на всём сроке службы без «просадок» мощности.
Улучшенная динамика и контроль тяги. Высокоточный электронный контроль PMSM открывает возможности для реализации интеллектуальных функций, повышающих проходимость и безопасность погрузчика. Например, благодаря быстрому отклику привода можно внедрить антипробуксовочную логику – при проскальзывании ведущих колёс на скользком полу электроника мгновенно снизит крутящий момент, предотвращая буксование. Это особенно актуально для мощных электропогрузчиков на мокром или пыльном покрытии склада. Аналогично, система может оптимизировать распределение тяги между приводными колесами (например, в полноприводных моделях) и тем самым улучшать устойчивость на неровной поверхности. PMSM хорошо поддаются тонкому управлению, поэтому на их базе реализуют функции ползучего хода и миллиметрового позиционирования – это упрощает работу с высокими стеллажами, где требуется очень плавно двигать вилы. Кроме того, возможно адаптивное изменение характеристик: контроллер отслеживает, насколько нагружена мачта, и может ограничивать скорость движения или ускорение для предотвращения потери стабильности. Совокупно эти меры делают погрузчик «умнее» и безопаснее в эксплуатации. Производители активно внедряют такие возможности: например, современные ричтраки оснащаются anti-slip системами против пробуксовки на пандусах, режимами энергоэффективной/стандартной/силовой работы, автоматическим снижением скорости поворота с поднятым грузом и т. д. Благодаря PMSM и электронике складываются условия для гибкого управления тягой в любых ситуациях, чего трудно было достичь с прежними типами приводов.
Эффективная рекуперация энергии. Одно из преимуществ PMSM – высокий КПД не только в моторном, но и в генераторном режиме. То есть, когда погрузчик замедляется или опускает груз, PMSM может работать как генератор, возвращая энергию обратно в аккумулятор. В отличие от некоторых старых систем, современные контроллеры PMSM способны рекуперировать значительную долю кинетической и потенциальной энергии. При торможении электропогрузчика с полной скоростью значительная часть энергии вращения превращается в электричество, а не в тепло тормозных дисков. Аналогично, спуск с пандуса или опускание тяжёлого груза позволяет «вернуть» энергию батарее. На практике внедрение рекуперативного торможения снижает общее энергопотребление техники примерно на 15–20% по сравнению с моделями без такой функции. Согласно отраслевым данным, современные электрические погрузчики способны утилизировать до 20–30% энергии, которая обычно терялась бы при торможении, направляя её обратно в батарею. В условиях склада с частыми цикличными операциями (разгон-движение-торможение, подъём-опускание) это даёт прирост продолжительности работы на одном заряде порядка 10–25%. К тому же снижается износ тормозных колодок и механизмов, так как часть функций торможения берёт на себя электродвигатель. Для оператора рекуперация обычно почти незаметна и осуществляется автоматически – разве что можно почувствовать легкий эффект «двигательного тормоза» при сбросе педали хода. В целом же, эффективная рекуперация в PMSM-приводах делает работу погрузчика более экономичной: энергия не тратится впустую, а возвращается в дело.
Стабильность характеристик под нагрузкой. Синхронный привод обладает ценным свойством – он держит обороты даже при изменении нагрузки (до определённого предела, обусловленного максимальным моментом). Если у асинхронного мотора при возрастании нагрузки неминуемо падают обороты (ему нужен «проскальзывающий» запас, чтобы увеличить момент), то PMSM старается сохранять скорость вращения благодаря жёсткой связи поля статора и ротора. Проще говоря, пока требуемый момент не превысил максимальный, скорость электродвигателя практически не изменится. Это крайне важно в ряде ситуаций. Например, при заезде на крутой пандус с тяжёлым грузом погрузчик с асинхронным мотором может заметно замедлиться, тогда как PMSM-машина поднимется наверх с почти постоянной скоростью. Аналогично, при использовании навесного оборудования (зажимов, ротаторов и т.п.) нагрузка на привод может резко меняться – синхронный мотор лучше выдерживает такие броски без «проседания» по оборотам. Это повышает производительность и безопасность: машина предсказуемо ведёт себя даже в тяжёлом цикле. Синхронные электродвигатели поэтому считаются отличным выбором для задач, требующих высокой стабильности скорости и точности, они способны вращаться с фиксированной синхронной скоростью независимо от колебаний нагрузки или напряжения. Разумеется, любой двигатель имеет предел по моменту, и при его достижении обороты начнут падать, однако в рабочем диапазоне PMSM очень устойчивы. В условиях склада это означает более плавную работу без рывков, отсутствие «вялости» при перегрузках и общее повышение надёжности рабочих циклов (двигатель не перегревается от постоянных перегрузок и не теряет характеристики).

Применение PMSM в компактной складской технике

Внедрение синхронных двигателей на постоянных магнитах дало ощутимые преимущества не только в крупных погрузчиках, но и в компактной складской технике. Компания Hangcha, реализуя стратегию перехода на PMSM, оснащает ими не только вилочные погрузчики, но и ряд малогабаритных машин: штабелёры, ричтраки, электрические тележки (рохли). Рассмотрим, как проявляют себя преимущества PMSM в этих видах оборудования:

Электрические штабелёры. Для самоходных штабелёров, предназначенных для подъёма и штабелирования палет на стеллажи, критично точное и плавное управление. Применение PMSM в приводе гидронасоса подъёма обеспечивает тонкую регулировку скорости подъёма/опускания вил, что позволяет оператору аккуратно ставить груз на высокие полки без толчков. Кроме того, высокий момент PMSM на малых скоростях полезен при ювелирном маневрировании в узких проходах: штабелёр может медленно, но уверенно подтолкнуть тяжёлый поддон точно на нужное место. В приводе хода штабелёра PMSM даёт плавный старт даже с нагрузкой и экономичное потребление энергии при частых остановках и запусках. В сравнении с традиционными схемами (например, со щёточными DC-моторами) такие штабелёры выигрывают в ресурсе и требуемом обслуживании – отсутствует износ щёток, меньше тепловыделение. Для складов с интенсивным грузооборотом PMSM-штабелёры позволяют ускорить работу (за счёт быстрого подъёма/спуска без задержек) и сократить простои на зарядку, так как электроэнергия расходуется эффективнее.
Ричтраки. Ричтрак – это узкооснованный вилочный погрузчик с выдвижными вилами для работы в высокостеллажных складах. В таких машинах PMSM стал важным элементом повышения продуктивности. Синхронный тяговый двигатель обеспечивает высокую динамику разгона даже при больших высотах подъёма, позволяя быстро перемещаться между стеллажами. Одновременно PMSM более устойчив к перегрузкам, поэтому при подъёме груза на максимальную высоту скорость движения ричтрака проседает минимально. Ещё один плюс – снижение нагрева тягового узла: в циклах «подъём – спуск – перемещение» двигатель не перегревается, что исключает срабатывание защит и паузы на остывание. Кроме того, во многих ричтраках применяются бортовые системы бокового сдвига (reach-функция) для точного выставления палеты на полке. PMSM в приводе гидравлики такого механизма даёт плавность и экономию энергии, ведь движением можно управлять прецизионно, возвращая избыточную энергию обратно в сеть при торможении. В целом, переход на PMSM позволил повысить скорость операций на высоких складах: машина тратит меньше времени на набор высоты и перемещение, меньше стоит без дела из-за охлаждения моторов. Для оператора ричтрака это проявляется в более отзывчивом управлении и стабильной работе, а для владельца – в большем количестве циклов перемещения палет в час без увеличения энергопотребления.
Электрические тележки (рохли с приводом). Компактные электротележки для перевозки палет на небольшие расстояния (так называемые рохли с электроприводом) также выигрывают от применения PMSM. Во-первых, такие тележки работают тихо – постоянные магниты не вызывают шумного гудения, а плавность хода выше благодаря точному контролю. Во-вторых, при старте с тяжелой палетой PMSM развивает нужное тяговое усилие без рывков, что важно для безопасной перевозки груза на весу. В-третьих, экономичность PMSM продлевает время работы тележки без подзарядки: в условиях, где тележка целый день развозит товары по складу, это заметно снижает количество остановок для зарядки. Даже при небольшом аккумуляторе высокое КПД означает больше пройденных километров на одном заряде. Дополнительный плюс – рекуперация при торможении: частые разгоны и остановки меньше «съедают» заряд батареи, поскольку часть энергии возвращается обратно. С точки зрения обслуживания, такие тележки практически не требуют вмешательства: нет щёточного узла, нечему искрить или заедать, поэтому техника более надёжна в пыльной и влажной среде. Всё это делает PMSM-рохли оптимальными для супермаркетов, дистрибуционных центров и производства, где нужна манёвренная, долговечная и недорогая в эксплуатации техника.

Можно сказать, что применение PMSM меняет облик компактной складской техники. Машины становятся более производительными, манёвренными и энергоэффективными, а затраты на их эксплуатацию снижаются за счёт отсутствия частых регламентных работ и экономии электроэнергии. В условиях современных складов с высокими требованиями к точности, скорости и экологии такая техника позволяет повысить общий грузооборот без увеличения штата и затрат.

Синхронные электродвигатели с постоянными магнитами (PMSM) по праву можно назвать ключевой технологией в современном электропогрузочном оборудовании. Их внедрение позволило объединить в одной машине мощность и производительность, ранее свойственные ДВС-технике, с экономичностью и экологичностью электропривода. На примере погрузчиков Hangcha видно, что переход на PMSM-приводы в сочетании с высоковольтными литиевыми батареями дал электрическим моделям возможность полностью заменить аналогичные дизельные машины по всем параметрам работы. Фактически, для большинства задач внутри склада (и даже на открытых площадках) больше нет необходимости использовать дизельные или газовые погрузчики – электрические PMSM-модели справляются не хуже, при гораздо меньших затратах на топливо и обслуживание.

Кроме того, PMSM устанавливает новый стандарт и среди самой электротехники: постепенно эти моторы вытесняют прежние асинхронные приводы в сегменте средне- и крупнотоннажных машин. Уже сегодня в классе до 10 тонн грузоподъёмности ведущие производители предлагают модели на PMSM, мотивируя это запросом на энергоэффективность и высокую отдачу. Для складов с интенсивными циклами работы выбор PMSM-погрузчика означает более длинные смены без подзарядки, меньше простоя на ремонты, больший ресурс и безопасность. Ожидается, что в ближайшие годы синхронные электромоторы с постоянными магнитами станут де-факто стандартом в складской технике нового поколения, обеспечивая отрасли дальнейший рост производительности при снижении эксплуатационных издержек и влияния на окружающую среду.