Hvordan evaluerer man aksialfluxmotorers højhastigheds-feltsvækkende evne?

I de senere år har aksialfluxmotorer har fået stigende trækkraft i det elektriske drevsamfund. De betragtes af mange som en af ​​de repræsentative retninger for næste generations højtydende motorer, især i applikationer, hvor volumen og vægt er kritiske – såsom in-wheel-motorer, droner, elektriske sportsvogne og hybridsystemer. Den aksiale fluxstruktur tilbyder unikke fordele i disse scenarier.

Men for virkelig at anvende aksialfluxmotorer i højhastigheds elektriske drivsystemer, er en teknisk udfordring uundgåelig:  Er højhastigheds-feltsvækningsevnen tilstrækkelig? Og hvordan skal det vurderes?

I. Forstå først: Hvorfor er 'feltsvækkelse' altid nødvendigt ved høj hastighed?

Et grundlæggende kendetegn ved permanentmagnet synkronmotorer (PMSM'er) er, at den bageste EMF stiger med hastigheden.

Tilbage EMF kan ganske enkelt forstås som spændingen 'genereret' af motoren selv, når den roterer. Når hastigheden stiger til et bestemt punkt, nærmer eller overskrider den bageste EMF sig den maksimale spænding, som controlleren kan levere – dvs. DC-busspændingen. På det tidspunkt kan motoren ikke længere indsprøjte strøm eller øge hastigheden; det er effektivt blokeret af en 'spændingsvæg'.

Så hvad kan man gøre?

Metoden er:  aktivt reducere motorens fluxforbindelse, dvs. gøre magnetfeltet 'svagere' , derved sænke den bageste EMF og frigøre spændingshøjde til højere hastigheder. Dette er, hvad vi almindeligvis kalder 'feltsvækkende kontrol.'

En analogi:
En standardcykel har brug for et stort gearforhold til start og højt drejningsmoment; hvis du holder det store forhold ved høj hastighed, kan dine ben ikke følge med kadencen. Feltsvækkende kontrol er som at skifte til et mindre gearforhold ved høj hastighed, hvilket tillader køretøjets hastighed at fortsætte med at stige, mens din benkadence forbliver den samme.

II. Det særlige ved aksialfluxmotorer i feltsvækkelse

Aksiale fluxmotorer er ikke et enkelt fast design, men snarere en bred kategori af topologier. Deres fælles træk er, at luftspaltefluxen flyder i aksial retning, snarere end radialt som i konventionelle radialfluxmotorer.

Denne struktur medfører fordele såsom høj drejningsmomenttæthed, flad formfaktor og kort aksial længde, men introducerer også nogle egenskaber, der er relevante for feltsvækkelsesevne.

En af de mest indflydelsesrige faktorer er:  mange aksiale fluxmotorer har relativt lav induktans.

En motors feltsvækkelsesevne er tæt forbundet med forholdet mellem den direkte akse induktans  Ld  og fluxforbindelsen  Ψm . Enkelt sagt, jo større induktansen på den direkte akse og jo mindre fluxforbindelsen er, jo lettere bliver feltsvækkelsen i teorien, og jo stærkere er højhastighedsudvidelsesevnen.

Mange aksiale fluxmotorer, i jagten på høj momenttæthed, har korte magnetiske baner og korte endeviklinger, hvilket resulterer i naturligt lav induktans. Som følge heraf kræves en større feltsvækkelsesstrøm for at annullere fluxforbindelsen, hvilket fører til en betydelig stigning i kobbertab ved høj hastighed, et fald i effektivitet og muligvis endda utilstrækkelig feltsvækkelsesevne.

Men bemærk:  ikke alle aksialfluxmotorer har dårlige feltsvækkende ydeevne.
Det afhænger af det specifikke design. For eksempel kan brug af flerlagsmagneter, forøgelse af polpartallet, optimering af viklingskonfigurationer eller forøgelse af reluktansens drejningsmomentbidrag alt sammen forbedre feltsvækkende ydeevne.

Derfor kan man, når man evaluerer, ikke bare sige 'aksialfluxmotorer har altid svag feltsvækkelse'; det skal vurderes fra sag til sag for hvert enkelt design.

III. Hvad er de vigtigste indikatorer for evaluering af feltsvækkende kapacitet?

I ingeniørpraksis involverer evaluering af højhastigheds-feltsvækkelsesevnen for en aksial fluxmotor typisk følgende kerneparametre og kurver.

1. Karakteristisk strøm

Karakteristisk strøm er defineret som:

 hvor  Ψm  er den permanente magnetfluxforbindelse, og  Ld  er den direkte akse induktans.

Hvis den karakteristiske strøm er mindre end controllerens maksimale udgangsstrøm, så kan motoren teoretisk gå ind i 'uendelig feltsvækkelse'-området, hvilket giver mulighed for forlængelse af meget høj hastighed.
Hvis den karakteristiske strøm er større end den maksimale strøm, betyder det, at selv brug af al strøm til feltsvækkelse er utilstrækkelig til at annullere fluxforbindelsen, hvilket begrænser højhastighedsudvidelseskapaciteten.

Karakteristisk strøm er den mest intuitive indikator til evaluering af feltsvækkelsespotentiale.

2. Spændingsgrænsecirkel og strømgrænsecirkel

På det aktuelle vektorplan er motordrift begrænset af to cirkler:

• Strømgrænsecirkel : bestemmes af regulatorens maksimale udgangsstrøm;

• Spændingsgrænsecirkel : bestemmes af DC-busspændingen og den aktuelle hastighed.

Når hastigheden stiger, krymper spændingsgrænsecirklen. Motorens driftspunkt skal ligge inden for skæringspunktet mellem disse to cirkler.

En motor med stærk feltsvækkelsesevne har stadig et tilstrækkeligt skæringsareal ved høj hastighed til at levere nyttigt drejningsmoment.
En motor med dårlig feltsvækkelsesevne ser spændingsgrænsecirklen krympe for hurtigt, hvorved driftspunktet presses ind i et meget lille område, og udgangsevnen falder kraftigt.

3. Konstant-effekt område bredde

Inden for teknik bruges 'konstant-effektregionen' ofte til at evaluere højhastighedsudvidelseskapacitet.
Et bredere område med konstant effekt indikerer, at motoren kan opretholde relativt høj effekt ved høje hastigheder i stedet for at opleve et klippelignende fald i drejningsmomentet.

Hvis en aksial fluxmotor er dårligt designet til feltsvækkelse, vil dens område med konstant effekt være mærkbart snævert, og effekten i højhastighedsenden vil falde hurtigt.

4. Forholdet mellem maksimal hastighed og nominel hastighed

Dette forhold kaldes også 'feltsvækkende hastighedsudvidelsesforhold'.
For typiske personkøretøjers drivmotorer ønskes et udvidelsesforhold på 3 til 4 gange eller mere - for eksempel vurderet til 4000 rpm og maksimum ved 15000-18000 rpm.
Hvorvidt en aksial fluxmotor kan opnå dette niveau, afhænger af en kombineret evaluering af induktans, fluxforbindelse, pol-parnummer og controllerspændingskapacitet.

5. Højhastighedseffektivitet og temperaturstigning

Feltsvækkelse handler ikke kun om 'om det kan spinne op', men også 'hvor effektivt det er, når det gør det.'
Hvis feltsvækkelsesstrømmen er for stor, øges kobbertabet dramatisk, hvilket fører til alvorlig temperaturstigning ved høj hastighed, hvilket endda kan forårsage irreversibel afmagnetisering af de permanente magneter.

Derfor er det vigtigt, når man evaluerer feltsvækkelsesevnen, også at undersøge højhastighedseffektiviteten MAP og termisk ydeevne – ikke kun hastighedstallene.

IV. Hvordan evaluerer man i praksis? Tre tilgange

Fremgangsmåde 1: Elektromagnetisk simulering

Under designfasen bygger ingeniører typisk en elektromagnetisk model af den aksiale fluxmotor ved hjælp af finite element simuleringssoftware.

Ved at feje forskellige hastigheder og strømvektorer kan følgende opnås:

• Tilbage EMF-bølgeform;

• Direkte-akse og kvadratur-akse induktanser  Ld , Lq;

• Fluxforbindelse  Ψm;

• Karakteristisk strøm  Ich;

• Skæring af spændingsgrænseellipse og strømgrænsecirkel;

• Teoretisk maksimalt drejningsmoment-hastighedskurve;

• Effektivitetskort.

Disse data kan udførligt afspejle motorens feltsvækkelsespotentiale.
For nøjagtige simuleringsresultater skal modellen dog trofast repræsentere aksial flux-endelækageflux, 3D-magnetiske kredsløbsveje og mætningskarakteristika. Som et resultat er simulering af aksialfluxmotorer mere afhængig af 3D finite element-analyse sammenlignet med konventionelle radiale motorer.

Fremgangsmåde 2: Bænktest

Simulering er kun teoretisk; i sidste ende kræves bænkmålinger.

Bænktest omfatter typisk:

• Tilbage EMF-koefficientmåling;

•  Induktansmåling ved forskellige temperaturer;

• Maksimal drejningsmoment-hastighed ekstern karakteristikkurve;

• Kontinuerlig nominel udgangseffekt;

• Vedvarende driftstid ved maksimal hastighed;

• Effektivitet og temperaturstigning i højhastighedsområdet med svækkelse af felter;

• Ydeevnenedbrydningstest efter magnetafmagnetisering.

De mest kritiske er  temperaturstigninger i området med højhastighedsfeltsvækkelse  og  kontinuerlig drift. .
Mange prototyper af aksial flux kan nå meget høje hastigheder i kortvarige spidstests, men hvis de overophedes og reduceres efter et par minutters kontinuerlig drift, kan de ikke anses for at have en virkelig kvalificeret feltsvækningsevne.

Fremgangsmåde 3: Evaluering af matchende kontrolstrategi

Feltsvækkelsesevne afhænger ikke kun af selve motoren, men også af controlleren og kontrolalgoritmerne.

Fælles kontrolstrategier omfatter:

• MTPA (Maximum Torque pr Ampere);

• Feltsvækkende kontrol;

• MTPV (maksimalt drejningsmoment pr. spænding);

• Spændingsfremkobling og strømafkobling ved dyb feltsvækkelse.

Evalueringen bør undersøge, om styrestrategien fuldt ud kan udnytte spændings- og strømgrænserne for den aksiale fluxmotor.
Hvis motorlegemet har et godt feltsvækkelsespotentiale, men kontrolalgoritmen er utilstrækkelig, kan der opstå problemer som jitter, tab af kontrol eller for lav effektivitet ved høje hastigheder.

V. Hvilke designforbedringer kan forbedre aksialfluxmotorers højhastigheds-feltsvækningsevne?

Hvis evaluering afslører utilstrækkelig feltsvækkelsesevne, omfatter almindelige forbedringsretninger:

1. Optimer den direkte akse induktans

En passende forøgelse af den direkte akse-induktans kan sænke den karakteristiske strøm og forbedre feltsvækkelsesevnen.
Dette kan opnås ved at øge pol-partallet, justere spaltegeometrien, optimere viklingslayoutet, øge den magnetiske brobredde osv.

Imidlertid er stigende direkte-akse-induktans ofte i konflikt med momenttæthed, så multi-objektiv optimering er påkrævet.

2. Reducer moderat fluxbinding

Brug af magneter med lidt lavere remanens, men højere temperaturtolerance, eller reducerende magnettykkelse, kan sænke EMF og karakteristisk strøm tilbage.
Afvejningen er en reduktion af drejningsmomentet ved lav hastighed, som skal afvejes i forhold til de overordnede systemkrav.

3. Øg bidrag til modviljemoment

Ved at øge saliency-forholdet (forskel mellem kvadratur- og direkte-akse-induktanser) kan reluktansmomentet antage en større andel af output, hvilket reducerer afhængigheden af ​​permanent magnetfluxforbindelse.
På denne måde, ved højhastighedsfeltsvækkelse, optager fluxforbindelsen mindre spændingshøjde, hvilket gør hastighedsforlængelsen lettere.

4. Adopter hybrid excitation eller variabel flux

Dette er en mere avanceret tilgang.
Inkorporering af feltviklinger eller magneter med variabel flux i den aksiale fluxstruktur muliggør aktiv reduktion af luftgab-flux ved høj hastighed, hvilket transformerer 'passiv feltsvækkelse' til 'aktiv feltsvækkelse'.

Dette design kan forbedre højhastighedseffektiviteten og områdets bredde med konstant effekt markant, men øger den strukturelle kompleksitet og omkostninger.

5. Forbedre DC-busspændingsudnyttelsen

Hvis motoren i sig selv har en beskeden feltsvækkelsesevne, er det også muligt at skubbe 'spændingsvæggen' tilbage ved at hæve regulatorens spændingsniveau, bruge SiC-invertere, optimere modulationsstrategier osv., for at levere mere effektiv spænding fra samme busspænding.

Dette giver mere frihøjde til feltsvækkelse.

VI. Almindelige misforståelser

Når man vurderer aksialfluxmotorers højhastigheds-feltsvækkende evne, er flere misforståelser værd at bemærke.

Misforståelse 1: Ser kun på den maksimale hastighed.

En høj maksimal hastighed betyder ikke nødvendigvis stærk feltsvækkelsesevne - det kan bare være et kortvarigt hastighedsudbrud uden vedvarende nyttig effekt.

Misforståelse 2: At tro, at aksialfluxmotorer altid har dårlig feltsvækkelse.

Som tidligere nævnt er aksial flux et topologisk koncept, og specifik feltsvækkende ydeevne varierer meget. Nogle højtydende aksialfluxmotorer kan endda udkonkurrere sammenlignelige radialfluxmotorer i feltsvækkende evne.

Misforståelse 3: Ignorer temperatureffekter.

Både permanent magnetfluxforbindelse og viklingsmodstand varierer med temperaturen. Ved høje temperaturer falder fluxforbindelsen, hvilket ændrer kravene til feltsvækkende strøm. Evaluering bør bruge hot-state-parametre, ikke kun kold-state-data.

Misforståelse 4: Behandling af simuleringsmaksimumhastighed som faktisk brugbar hastighed.

Simuleringer køres ofte under ideelle spændings-, strøm- og temperaturforhold. Ved egentlig prøvebænk vil controller-ulineariteter og termisk beskyttelse begrænse den praktiske feltsvækkende region.

VII. Konklusion

En aksial fluxmotors højhastighedsfeltsvækkende evne er i bund og grund et teknisk problem på systemniveau.

Det afhænger ikke kun af motorlegemets elektromagnetiske design, men også af styrestrategien, inverterkapaciteten og termisk styring.
Evaluering bør ikke kun basere sig på en eller to parametre; i stedet kræver det en omfattende bedømmelse baseret på karakteristisk strøm, spændings-/strømgrænsecirkler, konstant effektområdebredde, højhastighedseffektivitet, temperaturstigning og kontinuerlig drift.

For ingeniører, der virkelig ønsker at skubbe aksialfluxmotorer ind i højhastigheds-elektriske drevapplikationer,  er feltsvækkelsesevnen ikke et spørgsmål om 'om den eksisterer', men snarere 'om motoren kan forlænge hastigheden bæredygtigt og effektivt.'

I fremtiden, med fremskridt inden for nye materialer, nye topologier og multi-fysiske optimeringsteknikker, vil ydeevnen af ​​aksiale fluxmotorer i højhastighedsfeltsvækkende region fortsætte med at forbedres.
Og nøjagtig og systematisk evaluering af deres feltsvækkende evne vil i stigende grad blive et kritisk led i udviklingen af ​​elektriske drev.