Jak vyhodnotit schopnost vysokorychlostního zeslabování pole u axiálních motorů s tokem?

v posledních letech axiální tokové motory získaly rostoucí trakci v komunitě elektrických pohonů. Mnozí je považují za jeden z reprezentativních směrů pro vysoce výkonné motory nové generace, zejména v aplikacích, kde jsou kritické objem a hmotnost – jako jsou motory v kolech, drony, elektrická sportovní auta a hybridní systémy. Axiální struktura toku nabízí v těchto scénářích jedinečné výhody.

Aby však bylo možné skutečně použít motory s axiálním tokem ve vysokorychlostních elektrických pohonných systémech, je nevyhnutelná jedna technická výzva:  Je dostatečná schopnost vysokorychlostního zeslabování pole? A jak by se to mělo hodnotit?

I. Nejprve pochopte: Proč je 'zeslabování pole' vždy nutné při vysoké rychlosti?

Základní charakteristikou synchronních motorů s permanentními magnety (PMSM) je, že zadní EMF se zvyšuje s rychlostí.

Zpětné EMF lze jednoduše chápat jako napětí 'generované' samotným motorem, když se otáčí. Když rychlost stoupne do určitého bodu, zadní EMF se přiblíží nebo dokonce překročí maximální napětí, které může řídicí jednotka dodat – tj. napětí stejnosměrné sběrnice. V tomto okamžiku již motor nemůže vstřikovat proud nebo zvyšovat rychlost; je účinně blokován 'napěťovou stěnou.'

Co se tedy dá dělat?

Metoda je:  aktivně snižovat tok motoru, tj. učinit magnetické pole 'slabším' , čímž se sníží zpětné EMF a uvolní se prostor pro napětí pro vyšší rychlosti. To je to, co běžně nazýváme 'kontrola zeslabování pole.'

Analogie:
Standardní kolo potřebuje velký převodový poměr pro rozjezd a vysoký točivý moment; pokud udržíte tento velký poměr ve vysoké rychlosti, vaše nohy nemohou držet krok s kadencí. Ovládání zeslabování pole je jako přeřazení na nižší převodový poměr při vysoké rychlosti, což umožňuje, aby se rychlost vozidla dále zvyšovala, zatímco kadence nohou zůstává stejná.

II. Zvláštnosti axiálních motorů s tokem při odbuzení

Motory s axiálním tokem nejsou jedinou pevnou konstrukcí, ale spíše širokou kategorií topologií. Jejich společným znakem je, že tok vzduchové mezery proudí v axiálním směru, spíše než radiálně jako u konvenčních motorů s radiálním tokem.

Tato struktura přináší výhody, jako je vysoká hustota točivého momentu, plochý tvarový faktor a krátká axiální délka, ale také zavádí některé charakteristiky důležité pro schopnost zeslabit pole.

Jedním z nejvlivnějších faktorů je:  mnoho motorů s axiálním tokem má relativně nízkou indukčnost.

Schopnost motoru zeslabit pole úzce souvisí s poměrem indukčnosti  Ld v přímé ose  k vazbě toku  Ψm . Jednoduše řečeno, čím větší je indukčnost v přímé ose a čím menší je tok, tím snazší se teoreticky stává zeslabení pole a tím silnější je schopnost vysokorychlostního prodloužení.

Mnoho motorů s axiálním tokem ve snaze o vysokou hustotu točivého momentu má krátké magnetické dráhy a krátké koncové vinutí, což má za následek přirozeně nízkou indukčnost. V důsledku toho je zapotřebí větší proud zeslabující pole, aby se zrušilo propojení toku, což vede k významnému zvýšení ztrát mědi při vysoké rychlosti, poklesu účinnosti a možná dokonce nedostatečné schopnosti zeslabování pole.

Ale pozor:  ne všechny motory s axiálním tokem mají špatný výkon při zeslabování pole.
Záleží na konkrétním provedení. Například použití vícevrstvých magnetů, zvýšení počtu pólových párů, optimalizace konfigurací vinutí nebo zvýšení příspěvku reluktančního točivého momentu, to vše může zlepšit výkon při zeslabování pole.

Proto při vyhodnocování nelze jednoduše říci, že 'motory s axiálním tokem mají vždy slabé zeslabení pole'; musí se posuzovat případ od případu pro každý konkrétní návrh.

III. Jaké jsou hlavní ukazatele pro hodnocení schopnosti oslabovat pole?

V technické praxi hodnocení schopnosti vysokorychlostního zeslabování pole axiálního motoru s tokem typicky zahrnuje následující základní parametry a křivky.

1. Charakteristický proud

Charakteristický proud je definován jako:

 kde  Ψm  je vazba toku permanentního magnetu a  Ld  je indukčnost v přímé ose.

Pokud je charakteristický proud menší než maximální výstupní proud regulátoru, pak se motor může teoreticky dostat do oblasti 'nekonečného zeslabování pole', což umožňuje velmi vysokou rychlost rozšíření.
Pokud je charakteristický proud větší než maximální proud, znamená to, že i použití veškerého proudu pro zeslabení pole je nedostatečné pro zrušení vazby toku, což omezuje schopnost vysokorychlostního rozšíření.

Charakteristický proud je nejintuitivnějším indikátorem pro vyhodnocení potenciálu zeslabení pole.

2. Kruh mezní hodnoty napětí a mezní hodnoty proudu

Na aktuální vektorové rovině je provoz motoru omezen dvěma kruhy:

• Proudový limitní kruh : určen maximálním výstupním proudem regulátoru;

• Mezní kružnice napětí : je určena napětím stejnosměrné sběrnice a aktuální rychlostí.

Jak se rychlost zvyšuje, kružnice limitu napětí se zmenšuje. Pracovní bod motoru musí ležet v průsečíku těchto dvou kružnic.

Motor se silnou schopností zeslabit pole má stále dostatečnou oblast průsečíku při vysokých otáčkách, aby poskytoval užitečný točivý moment.
Motor se špatnou schopností zeslabit pole vidí, že se kružnice limitu napětí příliš rychle zmenšuje, čímž se pracovní bod stlačí do velmi malé oblasti a výstupní kapacita prudce klesne.

3. Šířka oblasti konstantního výkonu

Ve strojírenství se 'oblast konstantního výkonu' často používá k hodnocení schopnosti vysokorychlostního rozšíření.
Širší oblast konstantního výkonu naznačuje, že motor může udržovat relativně vysoký výstupní výkon při vysokých rychlostech, spíše než zažívat pokles točivého momentu ve tvaru útesu.

Pokud je motor s axiálním tokem špatně navržen pro zeslabení pole, jeho oblast konstantního výkonu bude znatelně úzká a výkon na vysokorychlostním konci rychle klesne.

4. Poměr maximálních otáček k jmenovitým otáčkám

Tento poměr se také nazývá 'poměr expanze rychlosti zeslabování pole'.
U typických hnacích motorů osobních vozidel je požadován expanzní poměr 3 až 4krát nebo více – například při jmenovitém 4000 ot./min a maximálním při 15000–18000 ot./min.
Zda motor s axiálním tokem může dosáhnout této úrovně, závisí na kombinovaném vyhodnocení indukčnosti, propojení toku, počtu párů pólů a napěťové schopnosti regulátoru.

5. Vysokorychlostní účinnost a nárůst teploty

Zeslabení pole není jen o tom, „zda se může roztočit“, ale také o tom, „jak efektivní je, když se to stane.“
Pokud je proud zeslabující pole příliš velký, ztráta mědi se dramaticky zvýší, což vede k prudkému nárůstu teploty při vysoké rychlosti, což může dokonce způsobit nevratnou demagnetizaci permanentních magnetů.

Proto je při vyhodnocování schopnosti zeslabování pole nezbytné zkoumat také vysokorychlostní účinnost MAP a tepelný výkon – nejen čísla rychlosti.

IV. Jak hodnotit v praxi? Tři přístupy

Přístup 1: Elektromagnetická simulace

Během fáze návrhu inženýři obvykle sestaví elektromagnetický model motoru s axiálním tokem pomocí softwaru pro simulaci konečných prvků.

Rozmítáním různých rychlostí a proudových vektorů lze získat následující:

• Zpětný průběh EMF;

• Přímé a kvadraturní indukčnosti  Ld , Lq;

• Vazba toku  Ψm;

• Charakteristický proud  Ich;

• Průsečík mezní elipsy napětí a mezní kružnice proudu;

• Teoretická křivka maximálního točivého momentu-otáčky;

• Mapa účinnosti.

Tato data mohou komplexně odrážet potenciál motoru zeslabovat pole.
Pro přesné výsledky simulace však musí model věrně reprezentovat axiální tok a tok úniku, 3D dráhy magnetického obvodu a charakteristiky saturace. V důsledku toho se simulace motorů s axiálním tokem více spoléhá na 3D analýzu konečných prvků ve srovnání s konvenčními radiálními motory.

Přístup 2: Testování na zkušebním stavu

Simulace je pouze teoretická; nakonec jsou nutná měření na lavici.

Bench testy obvykle zahrnují:

• Měření koeficientu zpětného EMF;

•  Měření indukčnosti při různých teplotách;

• Externí charakteristika špičkového momentu-otáčky;

• Schopnost trvalého jmenovitého výkonu;

• Trvalá doba provozu při maximální rychlosti;

• Zvýšení účinnosti a teploty v oblasti vysokorychlostního zeslabování pole;

• Test degradace výkonu po demagnetizaci magnetu.

Nejkritičtější je  nárůst teploty v oblasti vysokorychlostního zeslabování pole  a  schopnost nepřetržitého provozu .
Mnoho prototypů s axiálním tokem může dosáhnout velmi vysokých rychlostí v krátkodobých špičkových testech, ale pokud se přehřejí a po několika minutách nepřetržitého provozu se sníží, nelze je považovat za skutečně kvalifikované se schopností zeslabovat pole.

Přístup 3: Hodnocení shody kontrolní strategie

Schopnost zeslabení pole závisí nejen na samotném motoru, ale také na regulátoru a řídicích algoritmech.

Mezi běžné kontrolní strategie patří:

• MTPA (maximální točivý moment na ampér);

• Kontrola zeslabení pole;

• MTPV (maximální točivý moment na napětí);

• Napěťová dopředná vazba a oddělení proudu při hlubokém zeslabování pole.

Hodnocení by mělo prověřit, zda strategie řízení může plně využít napěťové a proudové limity motoru s axiálním tokem.
Pokud má tělo motoru dobrý potenciál zeslabit pole, ale řídicí algoritmus je nedostatečný, mohou se při vysokých rychlostech vyskytnout problémy, jako je jitter, ztráta kontroly nebo příliš nízká účinnost.

V. Která konstrukční vylepšení mohou zlepšit schopnost vysokorychlostních motorů s axiálním tokem zeslabit pole?

Pokud hodnocení odhalí nedostatečnou schopnost zeslabit pole, běžné pokyny ke zlepšení zahrnují:

1. Optimalizujte indukčnost přímé osy

Vhodné zvýšení indukčnosti v přímé ose může snížit charakteristický proud a zvýšit schopnost zeslabování pole.
Toho lze dosáhnout zvýšením počtu pólových párů, úpravou geometrie štěrbiny, optimalizací uspořádání vinutí, zvětšením šířky magnetického můstku atd.

Zvýšení indukčnosti v přímé ose je však často v rozporu s hustotou točivého momentu, takže je nutná vícecílová optimalizace.

2. Mírně snižte propojení toku

Použití magnetů s mírně nižší remanencí, ale vyšší teplotní tolerancí nebo snížení tloušťky magnetu může snížit EMF a charakteristický proud.
Kompromisem je snížení točivého momentu při nízkých otáčkách, které je třeba zvážit s ohledem na celkové systémové požadavky.

3. Zvyšte příspěvek reluktančního momentu

Zvýšením poměru výběžků (rozdíl mezi kvadraturní a přímou osou indukčností) může reluktanční moment převzít větší podíl výstupu, čímž se sníží závislost na toku permanentního magnetu.
Tímto způsobem při vysokorychlostním zeslabení pole zabírá propojení toku menší napěťovou výšku, což usnadňuje prodloužení rychlosti.

4. Přijměte hybridní buzení nebo proměnný tok

Toto je pokročilejší přístup.
Začlenění budících vinutí nebo magnetů s proměnným tokem do struktury axiálního toku umožňuje aktivní snížení toku vzduchovou mezerou při vysoké rychlosti, čímž se 'pasivní zeslabování pole' přemění na 'zeslabení aktivního pole.''

Tato konstrukce může výrazně zlepšit vysokorychlostní účinnost a šířku oblasti konstantního výkonu, ale zvyšuje strukturální složitost a náklady.

5. Zlepšete využití napětí stejnosměrné sběrnice

Pokud má motor sám o sobě mírnou schopnost zeslabit pole, je také možné zatlačit zpět 'napěťovou stěnu' zvýšením úrovně napětí regulátoru, použitím SiC invertorů, optimalizací modulačních strategií atd., aby bylo možné dodávat efektivnější napětí ze stejného napětí sběrnice.

To ponechává větší prostor pro oslabení pole.

VI. Běžné mylné představy

Při hodnocení schopnosti vysokorychlostního zeslabování pole axiálních motorů s tokem stojí za zmínku několik mylných představ.

Mylná představa 1: Pouze pohled na maximální rychlost.

Vysoká maximální rychlost nemusí nutně znamenat silnou schopnost zeslabit pole – může to být jen krátkodobý výpadek rychlosti bez trvalého užitečného výkonu.

Mylná představa 2: Domnívat se, že motory s axiálním tokem mají vždy špatné zeslabení pole.

Jak již bylo zmíněno dříve, axiální tok je topologický koncept a specifický výkon při zeslabování pole se velmi liší. Některé vysoce výkonné motory s axiálním tokem mohou dokonce překonat srovnatelné motory s radiálním tokem ve schopnosti zeslabovat pole.

Mylná představa 3: Ignorování teplotních vlivů.

Jak spojení toku permanentního magnetu, tak odpor vinutí se mění s teplotou. Při vysokých teplotách se vazba toku snižuje, což mění požadavky na proud zeslabující pole. Hodnocení by mělo používat parametry horkého stavu, nikoli pouze data studeného stavu.

Mylná představa 4: Zacházení s maximální rychlostí simulace jako se skutečnou použitelnou rychlostí.

Simulace často probíhají za ideálních podmínek napětí, proudu a teploty. Při skutečném testování na stolici omezí nelinearita regulátoru a tepelná ochrana praktickou oblast zeslabování pole.

VII. Závěr

Schopnost vysokorychlostního zeslabování pole u motoru s axiálním tokem je v podstatě inženýrským problémem na systémové úrovni.

Závisí to nejen na elektromagnetickém provedení těla motoru, ale také na strategii řízení, schopnostech měniče a tepelném managementu.
Hodnocení by se nemělo spoléhat pouze na jeden nebo dva parametry; místo toho vyžaduje komplexní posouzení založené na charakteristickém proudu, napěťových/proudových limitních kružnicích, šířce oblasti konstantního výkonu, vysokorychlostní účinnosti, nárůstu teploty a schopnosti nepřetržitého provozu.

Pro konstruktéry, kteří chtějí skutečně prosadit motory s axiálním tokem do aplikací s vysokorychlostním elektrickým pohonem,  není schopnost zeslabování pole otázkou 'zda existuje', ale spíše 'zda může motor zvyšovat rychlost udržitelně a efektivně.''

V budoucnu, s pokroky v nových materiálech, nových topologiích a multifyzikálních optimalizačních technikách, se bude výkon motorů s axiálním tokem v oblasti vysokorychlostního zeslabování pole nadále zlepšovat.
A přesné a systematické vyhodnocování jejich schopnosti zeslabovat pole se bude stále více stávat kritickým článkem ve vývoji elektrických pohonů.