20 Мая 2026

Физические принципы работы моментных электродвигателей с постоянными магнитами

Моментные синхронные электродвигатели с постоянными магнитами на роторе относятся к классу бесколлекторных синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов (PMSM/BLAC). Отличительная особенность — формирование активной зоны в аксиальной или торцевой зоне магнитопровода, а не в традиционном радиальном зазоре. Такие двигатели применимы в областях, где критичны высокий момент при низкой скорости, компактность, высокий КПД и точное позиционирование: робототехника (в том числе антропоморфные и биоморфные системы), экзоскелеты, медицинская робототехника, станки с ЧПУ, опорно‑поворотные устройства, космическая робототехника и высокоточные промышленные системы.

Актуальность связана с ростом спроса на компактные, энергоэффективные и высокоточные приводы с высоким удельным моментом в условиях импортозамещения и развития отечественной робототехники и станкостроения. Переход от классических асинхронных и коллекторных машин к моментным PMSM‑двигателям позволяет снизить потери на возбуждение, уменьшить габариты и массу при сохранении высокого момента, а также повысить точность и надёжность в системах с числовым программным управлением и позиционированием.

Известны следующие подходы к построению моментных приводов:

• радиальные PMSM с обмотками на роторе и щёточно‑коллекторным возбуждением.
• классические асинхронные двигатели с внешними редукторами.
• коллекторные двигатели постоянного тока с механическим коммутатором.

Анализ показывает, что:

• радиальные PMSM дают высокий КПД, но при том же моменте требуют либо больших размеров, либо снижения плотности магнитного потока.
• асинхронные двигатели с редукторами уступают по КПД, компактности и быстродействию, а также имеют скольжение и механические потери в передаче.
• коллекторные машины обладают высокой пусковой моментностью, но имеют ограниченный ресурс, искрение и повышенный износ коллекторно‑щёточного узла.
• радиальные бесщёточные PMSM по эффективности близки предлагаемой топологии, однако их конструкция не обеспечивает столь высокой плотности момента в ограниченном по осевому размеру объёме.

Моментная (торцевая) конфигурация с постоянными магнитами на роторе позволяет наиболее полно реализовать требования к высокому удельному моменту, компактности и высокой энергоэффективности в рассматриваемых приложениях.

Концепция состоит в использовании аксиально‑ориентированного магнитного поля в относительно плоскопараллельном воздушном зазоре между статором и ротором, при котором вращающееся магнитное поле статора сцепляется с постоянным магнитным полем ротора, порождая высокий крутящий момент при низкой скорости.

Постоянные магниты на роторе выполняются в виде радиального набора сегментов или многополюсных кольцевых систем с чередованием N–S‑полюсов; материал магнитов (неодим‑бор‑железо, самарий‑кобальт, феррит) выбирается с учётом коэрцитивной силы и температуры эксплуатации. На роторе отсутствуют обмотки возбуждения, что исключает потери на возбуждение и повышает энергоэффективность.

Принцип работы основан на:

• законе Ампера и взаимодействии токов статорной обмотки с магнитным полем ротора;
• синхронном сцеплении вращающегося магнитного поля статора и постоянного поля ротора;
• поддержании оптимального угла между магнитными векторами с помощью векторного управления.

Используемые узлы и агрегаты:

• магнитопровод статора и ротора
• система постоянных магнитов на роторе.
• трёхфазная обмотка статора с аксиально‑ориентированными пазами.
• электронный преобразователь частоты и система управления (векторное управление, FOC).
• датчики положения (энкодеры, резольверы, датчики Холла) или бездатчиковые методы по обратной ЭДС.

Алгоритм проектирования и расчёта моментного двигателя включает:

1. определение требуемых момент‑скоростных характеристик и габаритов.
2. выбор топологии магнитопровода (односторонний/двусторонний аксиальный зазор, число полюсов).
3. расчёт магнитной цепи и плотности магнитной индукции BrBr​ в воздушном зазоре.
4. определение линейной поверхностной плотности тока JsJs​ в обмотке статора и активной площади зазора SS.
5. оценка коэффициента kk, зависящего от геометрии, типа обмотки и угла сдвига поля статора относительно ротора.

Электромагнитный момент описывается аналитическим соотношением:

где Te​ — электромагнитный момент, Br​ — магнитная индукция поля ротора, Js​ — поверхностная плотность тока статора, SS — активная площадь зазора, k — конструктивный коэффициент.

Кинематически система представляет собой:

• ротор, связанный с нагрузкой;
• статор в корпусе;
• вращающееся магнитное поле, синхронно вращающееся вместе с ротором под управлением электронного преобразователя.

На структурной схеме можно выделить:

• источник питания → инвертор → статорная обмотка → воздушный зазор → магниты ротора → вал нагрузки;
• контур управления (измерение токов, положения, обратная связь по скорости и моменту).

Работоспособность и адекватность основной идеи подтверждаются:

• магнитостатическими и квазистационарными расчётами поля (МКЭ‑моделирование), которые показывают высокую плотность магнитного потока в торцевой зоне и удовлетворительное распределение насыщения в магнитопроводе.
• экспериментальными испытаниями натурных образцов, демонстрирующими высокий КПД, стабильный момент‑скоростной характер и малую пульсацию при корректной настройке контуров тока и скорости.
• сопоставлением с серийными решениями на базе Moments + BLDC‑архитектур, где реализованы высокая динамика, стабильность в замкнутых контурах и близость момент‑скоростных характеристик к «идеальным» для приводов высокой точности.

Практический опыт более чем 15 лет проектирования и внедрения таких машин показывает, что при корректной балансировке, выборе материала магнитов и оптимизации топологии обмоток достигается достаточный уровень энергоэффективности и надёжности.

Область применения:

• приводы высокой точности (робототехника, экзоскелеты, медицинские устройства, станки с ЧПУ).
• опорно‑поворотные устройства, космическая робототехника, компактные позиционные модули.
• применения, где критичны высокий удельный момент, компактность по осевому размеру и отсутствие скольжения.

Основные ограничения:

• повышенная чувствительность к насыщению магнитопровода при высоких токах, что требует тщательной оптимизации геометрии и выбора стали.
• необходимость внешнего электронного преобразователя и системы управления; невозможность прямого включения в сеть без пусковых устройств.
• риск частичного размагничивания при высоких температурах и перегрузках, особенно при использовании магнитов с низкой коэрцитивной силой.
• ограничения по максимальной скорости из‑за электрических и магнитных ограничений (ЭДС, насыщение, потери в стали).

Таким образом, моментные электродвигатели с постоянными магнитами на базе аксиальной/торцевой топологии обеспечивают высокий удельный момент, КПД, что делает их предпочтительными в робототехнике, станках с ЧПУ и медицинских устройствах. Отсутствие обмоток возбуждения на роторе и щёточно‑коллекторного узла не только снижает потери и повышает энергоэффективность, но и существенно повышает надёжность и ресурс машины. При этом основная физическая идея — синхронное взаимодействие вращающегося магнитного поля статора и постоянного магнитного поля ротора в торцевой зоне зазора — подтверждена многолетним практическим опытом проектирования, моделирования и испытаний, что позволяет уверенно применять такую топологию в промышленных и высокоточных системах.

Для дальнейшего повышения удельных характеристик моментных электродвигателей рекомендуется развивать оптимизацию топологии обмоток и совершенствовать алгоритмы векторного управления, уделяя приоритет фильтрации и снижению пульсаций момента, особенно при трапециевидной коммутации, а также уменьшению влияния нелинейных эффектов насыщения и магнитного рассеяния. На этапе проектирования следует активно использовать 3D‑МКЭ‑моделирование и испытания прототипов, закрепляя полученные результаты в единой методике расчёта и диагностики моментных приводов.

АО «НПО «Андроидная техника» (входит в АО «Корпорация Робототехники») имеет многолетний опыт производства электродвигателей. Предприятие серийно выпускает высокомоментные синхронные бесколлекторные электродвигатели с постоянными магнитами серии АТ Drive в корпусном и бескорпусном исполнении мощностью от 60 Вт до 10,7 кВт. Технические характеристики электродвигателей позволяют в определенных случаях проектировать безредукторные схемы, что значительно увеличивает срок службы изделия. Электродвигатели серии АТ Drive отличаются высокой энергоэффективностью и способствуют снижению энергозатрат конечного продукта.

С 2024 года на предприятии серийно производятся синхронные бесколлекторные электродвигатели с постоянными магнитами ATМ 675х126Т для станков мощностью 16 кВт, которые высоко оценили профильные организации-потребители.

В 2025 году АО «ПК НПО «Андроидная техника» выпущена новая линейка сервоприводов ATDS, аналоги которых российского производства на сегодняшний день отсутствуют. Высокоточные приводные системы подходят для широкого спектра применения.

317