Wie lässt sich die Hochgeschwindigkeits-Feldschwächungsfähigkeit von Axialflussmotoren bewerten?

In den letzten Jahren Axialflussmotoren erfreuen sich in der Elektroantriebsbranche zunehmender Beliebtheit. Sie werden von vielen als eine der repräsentativen Richtungen für Hochleistungsmotoren der nächsten Generation angesehen, insbesondere in Anwendungen, bei denen Volumen und Gewicht entscheidend sind – wie Radnabenmotoren, Drohnen, elektrische Sportwagen und Hybridsysteme. Die Axialflussstruktur bietet in diesen Szenarien einzigartige Vorteile.

Um Axialflussmotoren jedoch tatsächlich in Hochgeschwindigkeits-Elektroantriebssystemen einzusetzen, ist eine technische Herausforderung unvermeidlich:  Ist die Fähigkeit zur Feldschwächung bei Hochgeschwindigkeit ausreichend? Und wie ist es zu bewerten?

I. Verstehen Sie zunächst: Warum ist bei hoher Geschwindigkeit immer eine „Feldschwächung“ erforderlich?

Ein grundlegendes Merkmal von Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSMs) ist, dass die Gegen-EMK mit der Drehzahl zunimmt.

Gegen-EMK kann einfach als die Spannung verstanden werden, die vom Motor selbst bei seiner Drehung „erzeugt“ wird. Wenn die Drehzahl auf einen bestimmten Punkt ansteigt, nähert sich die Gegen-EMK der maximalen Spannung, die der Controller liefern kann, also der DC-Busspannung, oder überschreitet diese sogar. Ab diesem Zeitpunkt kann der Motor keinen Strom mehr einspeisen oder die Drehzahl erhöhen; es wird effektiv durch eine „Spannungswand“ blockiert.

Was kann also getan werden?

Die Methode besteht darin,  die Flusskopplung des Motors aktiv zu reduzieren, dh das Magnetfeld „schwächer“ zu machen , wodurch die Gegen-EMK verringert und Spannungsspielraum für höhere Drehzahlen frei wird. Das nennen wir gemeinhin „Feldschwächungskontrolle“.

Eine Analogie:
Ein Standardfahrrad benötigt zum Anfahren eine große Übersetzung und ein hohes Drehmoment; Wenn Sie diese große Übersetzung bei hoher Geschwindigkeit beibehalten, können Ihre Beine nicht mit der Trittfrequenz mithalten. Die Feldschwächungssteuerung ist wie das Schalten in ein kleineres Übersetzungsverhältnis bei hoher Geschwindigkeit, wodurch die Fahrzeuggeschwindigkeit weiter ansteigen kann, während die Trittfrequenz Ihrer Beine gleich bleibt.

II. Die Besonderheiten von Axialflussmotoren in der Feldschwächung

Axialflussmotoren sind kein einzelnes festes Design, sondern eine breite Kategorie von Topologien. Ihr gemeinsames Merkmal ist, dass der Luftspaltfluss in axialer Richtung und nicht wie bei herkömmlichen Radialflussmotoren radial verläuft.

Diese Struktur bietet Vorteile wie eine hohe Drehmomentdichte, einen flachen Formfaktor und eine kurze axiale Länge, bringt aber auch einige Eigenschaften mit sich, die für die Feldschwächungsfähigkeit relevant sind.

Einer der einflussreichsten Faktoren ist:  Viele Axialflussmotoren haben eine relativ niedrige Induktivität.

Die Feldschwächfähigkeit eines Motors hängt eng mit dem Verhältnis der Längsinduktivität  Ld  zur Flussverkettung  Ψm zusammen . Vereinfacht gesagt gilt: Je größer die Längsinduktivität und je kleiner die Flusskopplung, desto einfacher wird theoretisch die Feldschwächung und desto stärker ist die Fähigkeit zur Hochgeschwindigkeitserweiterung.

Um eine hohe Drehmomentdichte zu erreichen, verfügen viele Axialflussmotoren über kurze Magnetwege und kurze Endwicklungen, was zu einer von Natur aus niedrigen Induktivität führt. Folglich ist ein größerer Feldschwächstrom erforderlich, um die Flusskopplung aufzuheben, was zu einem erheblichen Anstieg des Kupferverlusts bei hoher Geschwindigkeit, einem Rückgang des Wirkungsgrads und möglicherweise sogar zu einer unzureichenden Feldschwächfähigkeit führt.

Beachten Sie jedoch:  Nicht alle Axialflussmotoren weisen eine schlechte Feldschwächleistung auf.
Es kommt auf das konkrete Design an. Beispielsweise können die Verwendung von Mehrschichtmagneten, die Erhöhung der Polpaarzahl, die Optimierung der Wicklungskonfigurationen oder die Erhöhung des Reluktanzdrehmomentbeitrags die Feldschwächleistung verbessern.

Daher kann man bei der Bewertung nicht einfach sagen „Axialflussmotoren haben immer eine schwache Feldschwächung“, sondern man kann sich auf die Aussage verlassen, dass die Feldschwächung bei Axialflussmotoren immer gering ist. Sie muss im Einzelfall für jedes konkrete Design beurteilt werden.

III. Was sind die Hauptindikatoren zur Bewertung der Feldschwächfähigkeit?

In der technischen Praxis umfasst die Bewertung der Hochgeschwindigkeits-Feldschwächungsfähigkeit eines Axialflussmotors typischerweise die folgenden Kernparameter und Kurven.

1. Charakteristischer Strom

Der charakteristische Strom ist definiert als:

 Dabei ist  Ψm  die Permanentmagnetflussverknüpfung und  Ld  die Längsinduktivität.

Wenn der charakteristische Strom kleiner als der maximale Ausgangsstrom des Reglers ist, kann der Motor theoretisch in den Bereich der „unendlichen Feldschwächung“ gelangen, was eine sehr hohe Geschwindigkeitserweiterung ermöglicht.
Wenn der charakteristische Strom größer als der Maximalstrom ist, bedeutet dies, dass selbst die Nutzung des gesamten Stroms zur Feldschwächung nicht ausreicht, um die Flusskopplung aufzuheben, wodurch die Hochgeschwindigkeitserweiterungsfähigkeit eingeschränkt wird.

Der charakteristische Strom ist der intuitivste Indikator zur Bewertung des Feldschwächungspotenzials.

2. Spannungsgrenzkreis und Stromgrenzkreis

Auf der aktuellen Vektorebene wird der Motorbetrieb durch zwei Kreise eingeschränkt:

• Stromgrenzkreis : bestimmt durch den maximalen Ausgangsstrom des Controllers;

• Spannungsgrenzkreis : bestimmt durch die DC-Busspannung und die aktuelle Drehzahl.

Mit zunehmender Geschwindigkeit verkleinert sich der Spannungsgrenzkreis. Der Betriebspunkt des Motors muss im Schnittpunkt dieser beiden Kreise liegen.

Ein Motor mit starker Feldschwächfähigkeit verfügt bei hoher Drehzahl immer noch über einen ausreichenden Schnittbereich, um ein nutzbares Drehmoment zu liefern.
Bei einem Motor mit schlechter Feldschwächfähigkeit schrumpft der Spannungsgrenzkreis zu schnell, wodurch der Arbeitspunkt in einen sehr kleinen Bereich gedrängt wird und die Leistungsfähigkeit stark abfällt.

3. Breite des Bereichs mit konstanter Leistung

In der Technik wird der „Konstantleistungsbereich“ häufig zur Bewertung der Hochgeschwindigkeitserweiterungsfähigkeit verwendet.
Ein breiterer Bereich konstanter Leistung weist darauf hin, dass der Motor bei hohen Drehzahlen eine relativ hohe Leistungsabgabe aufrechterhalten kann, anstatt einen klippenartigen Abfall des Drehmoments zu erleiden.

Wenn ein Axialflussmotor schlecht für die Feldschwächung ausgelegt ist, wird sein Bereich konstanter Leistung deutlich schmaler und die Leistung am Hochgeschwindigkeitsende sinkt schnell.

4. Verhältnis von Höchstgeschwindigkeit zu Nenngeschwindigkeit

Dieses Verhältnis wird auch als „feldschwächendes Geschwindigkeitsexpansionsverhältnis“ bezeichnet.
Für typische Pkw-Antriebsmotoren ist ein Expansionsverhältnis von 3 bis 4 oder mehr erwünscht – beispielsweise bei 4000 U/min und maximal bei 15000–18000 U/min.
Ob ein Axialflussmotor dieses Niveau erreichen kann, hängt von einer kombinierten Bewertung der Induktivität, der Flussverknüpfung, der Polpaarzahl und der Spannungsfähigkeit des Controllers ab.

5. Hochgeschwindigkeitseffizienz und Temperaturanstieg

Bei der Feldschwächung kommt es nicht nur darauf an, „ob es hochdrehen kann“, sondern auch darauf, „wie effizient es dabei ist“.
Wenn der Feldschwächungsstrom zu groß ist, steigt der Kupferverlust dramatisch an, was zu einem starken Temperaturanstieg bei hoher Geschwindigkeit führt, der sogar zu einer irreversiblen Entmagnetisierung der Permanentmagnete führen kann.

Daher ist es bei der Bewertung der Feldschwächungsfähigkeit wichtig, auch den Hochgeschwindigkeitswirkungsgrad (MAP) und die thermische Leistung zu untersuchen – und nicht nur die Geschwindigkeitswerte.

IV. Wie wird in der Praxis bewertet? Drei Ansätze

Ansatz 1: Elektromagnetische Simulation

Während der Entwurfsphase erstellen Ingenieure in der Regel mithilfe einer Finite-Elemente-Simulationssoftware ein elektromagnetisches Modell des Axialflussmotors.

Durch Durchlaufen verschiedener Geschwindigkeiten und Stromvektoren kann Folgendes erreicht werden:

• Gegen-EMF-Wellenform;

• Längs- und Querinduktivitäten  Ld , Lq;

• Flussverknüpfung  Ψm;

• Charakteristischer Strom  Ich;

• Schnittpunkt von Spannungsgrenzellipse und Stromgrenzkreis;

• Theoretische maximale Drehmoment-Drehzahl-Kurve;

• Effizienz-MAP.

Diese Daten können das Feldschwächpotenzial des Motors umfassend widerspiegeln.
Für genaue Simulationsergebnisse muss das Modell jedoch den axialen Streufluss am Ende des Flusses, die 3D-Magnetkreispfade und die Sättigungseigenschaften getreu wiedergeben. Daher stützt sich die Simulation von Axialflussmotoren im Vergleich zu herkömmlichen Radialmotoren stärker auf die 3D-Finite-Elemente-Analyse.

Ansatz 2: Prüfstandstests

Simulation ist nur theoretisch; Letztendlich sind Tischmessungen erforderlich.

Prüfstandstests umfassen typischerweise:

• Messung des Gegen-EMF-Koeffizienten;

•  Induktivitätsmessung bei verschiedenen Temperaturen;

• Äußere Spitzendrehmoment-Drehzahl-Kennlinie;

• Kontinuierliche Nennleistungsfähigkeit;

• Dauerbetrieb bei maximaler Geschwindigkeit;

• Wirkungsgrad und Temperaturanstieg im Hochgeschwindigkeits-Feldschwächbereich;

• Leistungsabfalltest nach der Entmagnetisierung des Magneten.

Am kritischsten sind  der Temperaturanstieg im Bereich der Hochgeschwindigkeits-Feldschwächung  und  die Fähigkeit zum Dauerbetrieb. .
Viele Axialfluss-Prototypen können in kurzzeitigen Spitzentests sehr hohe Geschwindigkeiten erreichen. Wenn sie jedoch nach einigen Minuten Dauerbetrieb überhitzen und ihre Leistungsfähigkeit verlieren, kann nicht davon ausgegangen werden, dass sie über eine wirklich qualifizierte Fähigkeit zur Feldschwächung verfügen.

Ansatz 3: Bewertung der Kontrollstrategieanpassung

Die Fähigkeit zur Feldschwächung hängt nicht nur vom Motor selbst ab, sondern auch von der Steuerung und den Regelalgorithmen.

Zu den gängigen Kontrollstrategien gehören:

• MTPA (Maximales Drehmoment pro Ampere);

• Feldschwächungskontrolle;

• MTPV (Maximales Drehmoment pro Spannung);

• Spannungsvorsteuerung und Stromentkopplung bei tiefer Feldschwächung.

Bei der Bewertung sollte untersucht werden, ob die Regelungsstrategie die Spannungs- und Stromgrenzen des Axialflussmotors vollständig ausnutzen kann.
Wenn der Motorkörper über ein gutes Feldschwächungspotenzial verfügt, der Regelalgorithmus jedoch unzureichend ist, können bei hohen Geschwindigkeiten Probleme wie Jitter, Kontrollverlust oder ein zu geringer Wirkungsgrad auftreten.

V. Welche Konstruktionsverbesserungen können die Fähigkeit von Axialflussmotoren zur Feldschwächung bei hohen Drehzahlen verbessern?

Wenn sich bei der Auswertung herausstellt, dass die Feldschwächungsfähigkeit nicht ausreicht, sind folgende allgemeine Verbesserungsmaßnahmen zu empfehlen:

1. Optimieren Sie die Längsinduktivität

Eine entsprechende Erhöhung der Längsinduktivität kann den charakteristischen Strom senken und die Feldschwächungsfähigkeit verbessern.
Dies kann durch Erhöhen der Polpaarzahl, Anpassen der Nutgeometrie, Optimieren des Wicklungslayouts, Erhöhen der Magnetbrückenbreite usw. erreicht werden.

Eine Erhöhung der Längsinduktivität steht jedoch häufig im Widerspruch zur Drehmomentdichte, sodass eine Optimierung mit mehreren Zielen erforderlich ist.

2. Flusskopplung moderat reduzieren

Die Verwendung von Magneten mit etwas geringerer Remanenz, aber höherer Temperaturtoleranz oder eine Verringerung der Magnetdicke kann die Gegen-EMF und den charakteristischen Strom verringern.
Der Kompromiss besteht in einer Verringerung des Drehmoments bei niedriger Drehzahl, was gegen die Gesamtsystemanforderungen abgewogen werden muss.

3. Erhöhen Sie den Beitrag des Reluktanzdrehmoments

Durch die Erhöhung des Ausprägungsverhältnisses (Differenz zwischen Quadratur- und Längsinduktivität) kann das Reluktanzdrehmoment einen größeren Anteil der Leistung übernehmen, wodurch die Abhängigkeit von der Permanentmagnetflussverknüpfung verringert wird.
Auf diese Weise belegt die Flussverkettung bei einer Feldschwächung bei hoher Geschwindigkeit weniger Spannungsspielraum, was die Geschwindigkeitserweiterung erleichtert.

4. Hybridanregung oder variabler Fluss anwenden

Dies ist ein fortgeschrittenerer Ansatz.
Der Einbau von Feldwicklungen oder Magneten mit variablem Fluss in die axiale Flussstruktur ermöglicht eine aktive Reduzierung des Luftspaltflusses bei hoher Geschwindigkeit, wodurch eine „passive Feldschwächung“ in eine „aktive Feldschwächung“ umgewandelt wird.

Dieses Design kann die Hochgeschwindigkeitseffizienz und die Breite des Bereichs mit konstanter Leistung erheblich verbessern, erhöht jedoch die strukturelle Komplexität und die Kosten.

5. Verbessern Sie die Ausnutzung der DC-Busspannung

Wenn der Motor selbst über eine bescheidene Fähigkeit zur Feldschwächung verfügt, ist es auch möglich, die „Spannungswand“ zurückzudrängen, indem man den Spannungspegel des Controllers erhöht, SiC-Wechselrichter verwendet, Modulationsstrategien optimiert usw., um aus derselben Busspannung eine effektivere Spannung zu liefern.

Dadurch bleibt mehr Spielraum für die Feldschwächung.

VI. Häufige Missverständnisse

Bei der Bewertung der Hochgeschwindigkeits-Feldschwächungsfähigkeit von Axialflussmotoren sind mehrere Missverständnisse erwähnenswert.

Irrtum 1: Nur auf die Höchstgeschwindigkeit achten.

Eine hohe Höchstgeschwindigkeit bedeutet nicht unbedingt eine starke Feldschwächungsfähigkeit – es kann sich lediglich um einen kurzfristigen Geschwindigkeitsschub ohne nachhaltige Nutzleistungsabgabe handeln.

Irrtum 2: Man glaubt, dass Axialflussmotoren immer eine schlechte Feldschwächung haben.

Wie bereits erwähnt, ist der axiale Fluss ein topologisches Konzept und die spezifische Feldschwächungsleistung variiert stark. Einige Hochleistungs-Axialflussmotoren können vergleichbare Radialflussmotoren bei der Feldschwächfähigkeit sogar übertreffen.

Missverständnis 3: Temperatureffekte ignorieren.

Sowohl die Permanentmagnetflussverknüpfung als auch der Wicklungswiderstand variieren mit der Temperatur. Bei hohen Temperaturen nimmt die Flusskopplung ab, wodurch sich die Anforderungen an den feldschwächenden Strom ändern. Die Auswertung sollte Parameter des heißen Zustands verwenden, nicht nur Daten des kalten Zustands.

Missverständnis 4: Simulationsmaximalgeschwindigkeit wird als tatsächlich nutzbare Geschwindigkeit behandelt.

Simulationen werden oft unter idealen Spannungs-, Strom- und Temperaturbedingungen durchgeführt. Bei tatsächlichen Prüfstandstests begrenzen Nichtlinearitäten des Reglers und thermischer Schutz den praktischen Feldschwächungsbereich.

VII. Abschluss

Die Hochgeschwindigkeitsfeldschwächungsfähigkeit eines Axialflussmotors ist im Wesentlichen ein technisches Problem auf Systemebene.

Dies hängt nicht nur vom elektromagnetischen Design des Motorkörpers ab, sondern auch von der Steuerungsstrategie, der Wechselrichterfähigkeit und dem Wärmemanagement.
Die Bewertung sollte sich nicht nur auf einen oder zwei Parameter stützen; Stattdessen ist eine umfassende Beurteilung auf der Grundlage des charakteristischen Stroms, der Spannungs-/Stromgrenzkreise, der Breite des Konstantleistungsbereichs, des Hochgeschwindigkeitswirkungsgrads, des Temperaturanstiegs und der Dauerbetriebsfähigkeit erforderlich.

Für Ingenieure, die darauf abzielen, Axialflussmotoren wirklich in Hochgeschwindigkeits-Elektroantriebsanwendungen voranzutreiben,  kommt es bei der Fähigkeit zur Feldschwächung nicht darauf an, „ob sie vorhanden ist“, sondern eher darauf, „ob der Motor die Geschwindigkeit nachhaltig und effizient erhöhen kann“.

Mit Fortschritten bei neuen Materialien, neuen Topologien und Multiphysik-Optimierungstechniken wird sich die Leistung von Axialflussmotoren im Hochgeschwindigkeits-Feldschwächungsbereich in Zukunft weiter verbessern.
Und die genaue und systematische Bewertung ihrer Feldschwächungsfähigkeit wird zunehmend zu einem entscheidenden Faktor bei der Entwicklung elektrischer Antriebe werden.