¿Cómo evaluar la capacidad de debilitamiento del campo de alta velocidad de los motores de flujo axial?

En los últimos años, Los motores de flujo axial han ganado cada vez más fuerza en la comunidad de propulsión eléctrica. Muchos los consideran una de las direcciones representativas de los motores de alto rendimiento de próxima generación, especialmente en aplicaciones donde el volumen y el peso son críticos, como motores en las ruedas, drones, autos deportivos eléctricos y sistemas híbridos. La estructura de flujo axial ofrece ventajas únicas en estos escenarios.

Sin embargo, para aplicar verdaderamente motores de flujo axial en sistemas de accionamiento eléctrico de alta velocidad, es inevitable un desafío técnico: ¿  es suficiente la capacidad de debilitamiento del campo de alta velocidad? ¿Y cómo se debe evaluar?

I. Primero, comprenda: ¿Por qué siempre es necesario el 'debilitamiento del campo' a alta velocidad?

Una característica fundamental de los motores síncronos de imanes permanentes (PMSM) es que la fuerza contraelectromotriz aumenta con la velocidad.

La fuerza electromagnética trasera puede entenderse simplemente como el voltaje 'generado' por el propio motor mientras gira. Cuando la velocidad aumenta hasta cierto punto, la fuerza contraelectromotriz se aproxima o incluso excede el voltaje máximo que el controlador puede suministrar, es decir, el voltaje del bus de CC. En ese momento, el motor ya no puede inyectar corriente ni aumentar la velocidad; está efectivamente bloqueado por una 'pared de voltaje'.

Entonces, ¿qué se puede hacer?

El método es:  reducir activamente la conexión de flujo del motor, es decir, hacer que el campo magnético sea 'más débil' , reduciendo así la EMF trasera y liberando margen de voltaje para velocidades más altas. Esto es lo que comúnmente llamamos 'control de debilitamiento del campo'.

Una analogía:
una bicicleta estándar necesita una gran relación de transmisión para arrancar y un par elevado; Si mantienes esa proporción grande a alta velocidad, tus piernas no podrán seguir el ritmo de la cadencia. El control de debilitamiento del campo es como cambiar a una relación de transmisión más pequeña a alta velocidad, lo que permite que la velocidad del vehículo continúe aumentando mientras la cadencia de las piernas permanece igual.

II. Las particularidades de los motores de flujo axial en el debilitamiento de campo.

Los motores de flujo axial no son un diseño fijo único, sino más bien una categoría amplia de topologías. Su característica común es que el flujo del entrehierro fluye en dirección axial, en lugar de radialmente como en los motores de flujo radial convencionales.

Esta estructura aporta ventajas como una alta densidad de par, un factor de forma plano y una longitud axial corta, pero también introduce algunas características relevantes para la capacidad de debilitamiento de campo.

Uno de los factores más influyentes es:  muchos motores de flujo axial tienen una inductancia relativamente baja.

La capacidad de debilitamiento de campo de un motor está estrechamente relacionada con la relación entre la inductancia del eje directo  Ld  y el enlace de flujo  Ψm . En pocas palabras, cuanto mayor es la inductancia del eje directo y menor el enlace de flujo, más fácil se vuelve en teoría el debilitamiento del campo y más fuerte es la capacidad de extensión a alta velocidad.

Muchos motores de flujo axial, en busca de una alta densidad de par, tienen trayectorias magnéticas cortas y devanados finales cortos, lo que da como resultado una inductancia naturalmente baja. En consecuencia, se requiere una corriente de debilitamiento de campo mayor para cancelar el enlace de flujo, lo que lleva a un aumento significativo en la pérdida de cobre a alta velocidad, una caída en la eficiencia y posiblemente incluso una capacidad de debilitamiento de campo insuficiente.

Pero tenga en cuenta:  no todos los motores de flujo axial tienen un rendimiento deficiente de debilitamiento de campo.
Depende del diseño específico. Por ejemplo, el uso de imanes multicapa, el aumento del número de pares de polos, la optimización de las configuraciones de los devanados o el aumento de la contribución del par de reluctancia pueden mejorar el rendimiento del debilitamiento del campo.

Por lo tanto, al evaluar, no se puede decir simplemente 'los motores de flujo axial siempre tienen un debilitamiento de campo débil'; debe evaluarse caso por caso para cada diseño específico.

III. ¿Cuáles son los principales indicadores para evaluar la capacidad de debilitamiento del terreno?

En la práctica de la ingeniería, la evaluación de la capacidad de debilitamiento del campo de alta velocidad de un motor de flujo axial generalmente implica los siguientes parámetros y curvas centrales.

1. Corriente característica

La corriente característica se define como:

 donde  Ψm  es el enlace de flujo del imán permanente y  Ld  es la inductancia del eje directo.

Si la corriente característica es menor que la corriente de salida máxima del controlador, entonces, en teoría, el motor puede entrar en la región de 'debilitamiento de campo infinito', lo que permite una extensión de velocidad muy alta.
Si la corriente característica es mayor que la corriente máxima, significa que incluso usar toda la corriente para debilitar el campo es insuficiente para cancelar el enlace de flujo, lo que limita la capacidad de extensión de alta velocidad.

La corriente característica es el indicador más intuitivo para evaluar el potencial de debilitamiento del campo.

2. Círculo de límite de voltaje y círculo de límite de corriente

En el plano vectorial actual, el funcionamiento del motor está limitado por dos círculos:

• Círculo límite de corriente : determinado por la corriente de salida máxima del controlador;

• Círculo límite de tensión : determinado por la tensión del bus CC y la velocidad actual.

A medida que aumenta la velocidad, el círculo límite de voltaje se reduce. El punto de funcionamiento del motor debe encontrarse dentro de la intersección de estos dos círculos.

Un motor con una fuerte capacidad de debilitamiento del campo todavía tiene un área de intersección suficiente a alta velocidad para entregar un par útil.
Un motor con poca capacidad de debilitamiento de campo ve que el círculo límite de voltaje se reduce demasiado rápido, comprimiendo el punto de operación en una región muy pequeña, y la capacidad de salida cae drásticamente.

3. Ancho de la región de potencia constante

En ingeniería, la 'región de potencia constante' se utiliza a menudo para evaluar la capacidad de extensión de alta velocidad.
Una región más amplia de potencia constante indica que el motor puede mantener una potencia de salida relativamente alta a altas velocidades, en lugar de experimentar una caída abrupta del par.

Si un motor de flujo axial está mal diseñado para el debilitamiento del campo, su región de potencia constante será notablemente estrecha y la potencia en el extremo de alta velocidad caerá rápidamente.

4. Relación entre velocidad máxima y velocidad nominal

Esta relación también se denomina 'relación de expansión de velocidad de debilitamiento del campo'.
Para los motores de tracción típicos de vehículos de pasajeros, se desea una relación de expansión de 3 a 4 veces o más; por ejemplo, nominal a 4000 rpm y máximo a 15000-18000 rpm.
Que un motor de flujo axial pueda alcanzar este nivel depende de una evaluación combinada de la inductancia, el enlace de flujo, el número de pares de polos y la capacidad de voltaje del controlador.

5. Eficiencia de alta velocidad y aumento de temperatura

El debilitamiento del campo no se trata sólo de 'si puede girar', sino también de 'qué tan eficiente es cuando lo hace'.
Si la corriente de debilitamiento del campo es excesivamente grande, la pérdida de cobre aumenta dramáticamente, lo que lleva a un aumento severo de la temperatura a alta velocidad, lo que puede incluso causar una desmagnetización irreversible de los imanes permanentes.

Por lo tanto, al evaluar la capacidad de debilitamiento del campo, es esencial examinar también la eficiencia MAP y el rendimiento térmico de alta velocidad, no solo las cifras de velocidad.

IV. ¿Cómo evaluar en la práctica? Tres enfoques

Enfoque 1: simulación electromagnética

Durante la fase de diseño, los ingenieros suelen construir un modelo electromagnético del motor de flujo axial utilizando un software de simulación de elementos finitos.

Al barrer diferentes velocidades y vectores de corriente, se puede obtener lo siguiente:

• Forma de onda trasera EMF;

• Inductancias de eje directo y de cuadratura  Ld , Lq;

• Enlace de flujo  Ψm;

• Corriente característica  Ich;

• Intersección de la elipse del límite de voltaje y el círculo del límite de corriente;

• Curva teórica par-velocidad máxima;

• MAPA de eficiencia.

Estos datos pueden reflejar de forma exhaustiva el potencial de debilitamiento del campo del motor.
Sin embargo, para obtener resultados de simulación precisos, el modelo debe representar fielmente el flujo de fuga del extremo del flujo axial, las rutas del circuito magnético 3D y las características de saturación. Como resultado, la simulación de motores de flujo axial se basa más en el análisis de elementos finitos en 3D en comparación con los motores radiales convencionales.

Enfoque 2: pruebas de banco

La simulación es sólo teórica; en última instancia, se requieren mediciones de banco.

Las pruebas de banco suelen incluir:

• Medición del coeficiente EMF posterior;

•  Medición de inductancia a diferentes temperaturas;

• Curva característica externa par-velocidad máxima;

• Capacidad de salida de potencia nominal continua;

• Tiempo de operación sostenido a máxima velocidad;

• Aumento de la eficiencia y la temperatura en la región de debilitamiento del campo de alta velocidad;

• Prueba de degradación del rendimiento después de la desmagnetización del imán.

Los más críticos son  el aumento de temperatura en la región de debilitamiento del campo de alta velocidad  y  la capacidad de operación continua. .
Muchos prototipos de flujo axial pueden alcanzar velocidades muy altas en pruebas máximas de corta duración, pero si se sobrecalientan y reducen su potencia después de unos minutos de operación continua, no se puede considerar que tengan una capacidad de debilitamiento de campo verdaderamente calificada.

Enfoque 3: Evaluación de coincidencia de estrategias de control

La capacidad de debilitamiento del campo depende no sólo del motor en sí, sino también del controlador y los algoritmos de control.

Las estrategias de control comunes incluyen:

• MTPA (par máximo por amperio);

• Control de debilitamiento del campo;

• MTPV (Par Máximo por Voltaje);

• Feedforward de voltaje y desacoplamiento de corriente en el debilitamiento profundo del campo.

La evaluación debe examinar si la estrategia de control puede aprovechar plenamente los límites de voltaje y corriente del motor de flujo axial.
Si el cuerpo del motor tiene un buen potencial de debilitamiento de campo pero el algoritmo de control es inadecuado, pueden ocurrir problemas como fluctuaciones, pérdida de control o eficiencia excesivamente baja a altas velocidades.

V. ¿Qué mejoras de diseño pueden mejorar la capacidad de debilitamiento del campo de alta velocidad de los motores de flujo axial?

Si la evaluación revela una capacidad insuficiente para debilitar el campo, las direcciones de mejora comunes incluyen:

1. Optimizar la inductancia del eje directo

Aumentar adecuadamente la inductancia del eje directo puede reducir la corriente característica y mejorar la capacidad de debilitamiento del campo.
Esto se puede lograr aumentando el número de pares de polos, ajustando la geometría de la ranura, optimizando la disposición del devanado, aumentando el ancho del puente magnético, etc.

Sin embargo, el aumento de la inductancia del eje directo a menudo entra en conflicto con la densidad de par, por lo que se requiere una optimización multiobjetivo.

2. Reducir moderadamente el enlace de flujo

El uso de imanes con una remanencia ligeramente menor pero una mayor tolerancia a la temperatura, o la reducción del espesor del imán, puede reducir la EMF y la corriente característica.
La contrapartida es una reducción del par a baja velocidad, que debe sopesarse frente a los requisitos generales del sistema.

3. Aumentar la contribución del par de reluctancia

Al aumentar la relación de prominencia (diferencia entre las inductancias de cuadratura y de eje directo), el par de reluctancia puede asumir una mayor proporción de la producción, lo que reduce la dependencia del enlace de flujo de imán permanente.
De esta manera, cuando el campo se debilita a alta velocidad, el enlace de flujo ocupa menos espacio libre de voltaje, lo que facilita la extensión de la velocidad.

4. Adoptar excitación híbrida o flujo variable

Este es un enfoque más avanzado.
La incorporación de devanados de campo o imanes de flujo variable en la estructura de flujo axial permite la reducción activa del flujo del entrehierro a alta velocidad, transformando el 'debilitamiento pasivo del campo' en 'debilitamiento activo del campo'.

Este diseño puede mejorar significativamente la eficiencia de alta velocidad y el ancho de la región de potencia constante, pero aumenta la complejidad estructural y el costo.

5. Mejorar la utilización del voltaje del bus de CC

Si el motor en sí tiene una modesta capacidad de debilitamiento de campo, también es posible hacer retroceder la 'pared de voltaje' elevando el nivel de voltaje del controlador, usando inversores de SiC, optimizando estrategias de modulación, etc., para entregar un voltaje más efectivo desde el mismo voltaje del bus.

Esto deja más margen para el debilitamiento del campo.

VI. Conceptos erróneos comunes

Al evaluar la capacidad de debilitamiento del campo de alta velocidad de los motores de flujo axial, vale la pena señalar varios conceptos erróneos.

Concepto erróneo 1: mirar únicamente la velocidad máxima.

Una velocidad máxima alta no significa necesariamente una fuerte capacidad de debilitamiento del campo; puede ser simplemente una ráfaga de velocidad a corto plazo sin una producción de energía útil sostenida.

Concepto erróneo 2: Creer que los motores de flujo axial siempre tienen un debilitamiento de campo deficiente.

Como se mencionó anteriormente, el flujo axial es un concepto topológico y el rendimiento específico del debilitamiento de campo varía ampliamente. Algunos motores de flujo axial de alto rendimiento pueden incluso superar a motores de flujo radial comparables en capacidad de debilitamiento de campo.

Concepto erróneo 3: Ignorar los efectos de la temperatura.

Tanto el enlace de flujo de imán permanente como la resistencia del devanado varían con la temperatura. A altas temperaturas, el enlace de flujo disminuye, alterando los requisitos actuales que debilitan el campo. La evaluación debe utilizar parámetros de estado caliente, no sólo datos de estado frío.

Concepto erróneo 4: Tratar la velocidad máxima de la simulación como velocidad utilizable real.

Las simulaciones a menudo se ejecutan en condiciones ideales de voltaje, corriente y temperatura. En las pruebas de banco reales, las no linealidades del controlador y la protección térmica limitarán la región práctica de debilitamiento del campo.

VII. Conclusión

La capacidad de debilitamiento del campo de alta velocidad de un motor de flujo axial es, en esencia, un problema de ingeniería a nivel de sistema.

Depende no sólo del diseño electromagnético del cuerpo del motor, sino también de la estrategia de control, la capacidad del inversor y la gestión térmica.
La evaluación no debe basarse únicamente en uno o dos parámetros; en cambio, requiere un juicio integral basado en la corriente característica, los círculos límite de voltaje/corriente, el ancho de la región de potencia constante, la eficiencia de alta velocidad, el aumento de temperatura y la capacidad de operación continua.

Para los ingenieros que buscan impulsar verdaderamente los motores de flujo axial hacia aplicaciones de accionamiento eléctrico de alta velocidad,  la capacidad de debilitamiento del campo no es una cuestión de 'si existe', sino más bien de 'si el motor puede extender la velocidad de manera sostenible y eficiente'.

En el futuro, con avances en nuevos materiales, nuevas topologías y técnicas de optimización multifísica, el rendimiento de los motores de flujo axial en la región de debilitamiento del campo de alta velocidad seguirá mejorando.
Y la evaluación precisa y sistemática de su capacidad de debilitar el campo se convertirá cada vez más en un eslabón crítico en el desarrollo de propulsión eléctrica.