Kuidas hinnata aksiaalvoomootorite kiiret välja nõrgendavat võimet?

Viimastel aastatel aksiaalvoomootorid on saanud elektriajamite kogukonnas üha suurema veojõu. Paljud peavad neid järgmise põlvkonna suure jõudlusega mootorite üheks esinduslikuks suunaks, eriti rakendustes, kus maht ja kaal on kriitilise tähtsusega – näiteks rataste mootorid, droonid, elektrilised sportautod ja hübriidsüsteemid. Aksiaalne voo struktuur pakub nendes stsenaariumides ainulaadseid eeliseid.

Aksiaalvoomootorite tõeliseks rakendamiseks kiiretes elektriajamite süsteemides on aga vältimatu üks tehniline väljakutse:  kas kiire välja nõrgendamise võime on piisav? Ja kuidas seda hinnata?

I. Esiteks mõista: miks on 'välja nõrgenemine' alati vajalik suurel kiirusel?

Püsimagnetitega sünkroonmootorite (PMSM) põhiomadus on see, et tagumine EMF suureneb koos kiirusega.

Tagumine EMF-i võib lihtsalt mõista kui pinget, mille mootor ise pöörlemisel 'genereerib'. Kui kiirus tõuseb teatud punktini, läheneb tagumine EMF maksimaalsele pingele, mida kontroller suudab anda, st alalisvoolu siini pingele või isegi ületab selle. Sel hetkel ei saa mootor enam voolu süstida ega kiirust suurendada; see on tõhusalt blokeeritud 'pingeseinaga'.

Mida siis teha saab?

Meetod on järgmine:  vähendage aktiivselt mootori vooühendust, st muutke magnetväli 'nõrgemaks' , vähendades seeläbi tagumist EMF-i ja vabastades pingekõrguse suuremate kiiruste jaoks. Seda nimetame tavaliselt 'välja nõrgendavaks kontrolliks'.

Analoogia:
tavaline jalgratas vajab käivitamiseks suurt ülekandearvu ja suurt pöördemomenti; kui hoiate seda suurt suhet suurel kiirusel, ei suuda teie jalad sammuga sammu pidada. Põllu nõrgendav juhtimine on nagu suurel kiirusel väiksemale ülekandearvule lülitumine, mis võimaldab sõiduki kiirusel jätkuvalt suureneda, samal ajal kui teie jalgade kadents jääb samaks.

II. Aksiaalvoomootorite iseärasused välja nõrgenemisel

Aksiaalvoomootorid ei ole üks fikseeritud konstruktsioon, vaid pigem lai topoloogiate kategooria. Nende ühine joon on see, et õhupilu voog voolab aksiaalsuunas, mitte radiaalselt nagu tavalistes radiaalvoomootorites.

Sellel struktuuril on eelised, nagu suur pöördemomendi tihedus, tasane kujutegur ja lühike teljesuunaline pikkus, kuid see toob kaasa ka mõned omadused, mis on olulised välja nõrgendamise võime jaoks.

Üks mõjukamaid tegureid on:  paljudel aksiaalvoomootoritel on suhteliselt madal induktiivsus.

Mootori välja nõrgendamise võime on tihedalt seotud otsetelje induktiivsuse  Ld  ja vooühenduse  Ψm suhtega . Lihtsamalt öeldes, mida suurem on otsetelje induktiivsus ja väiksem vooühendus, seda lihtsam on välja nõrgenemine teoreetiliselt ja seda tugevam on kiire laiendusvõime.

Paljudel aksiaalsetel voomootoritel on kõrge pöördemomendi tiheduse saavutamiseks lühikesed magnetteed ja lühikesed otsamähised, mille tulemuseks on loomulikult madal induktiivsus. Järelikult on vooühenduse tühistamiseks vaja suuremat välja nõrgendavat voolu, mis toob kaasa suurel kiirusel vase kadu olulise suurenemise, efektiivsuse languse ja võib-olla isegi ebapiisava välja nõrgendamise võime.

Kuid pange tähele:  mitte kõigil aksiaalvoomootoritel ei ole välja nõrgenev jõudlus.
See sõltub konkreetsest disainist. Näiteks mitmekihiliste magnetite kasutamine, pooluste paaride arvu suurendamine, mähiste konfiguratsioonide optimeerimine või reluktantsi pöördemomendi suurendamine võivad kõik parandada välja nõrgendamist.

Seetõttu ei saa hindamisel lihtsalt öelda 'aksiaalvoomootoritel on alati nõrk välja nõrgenemine'; seda tuleb iga konkreetse projekti puhul hinnata iga juhtumi puhul eraldi.

III. Millised on peamised näitajad välja nõrgenemise võime hindamiseks?

Inseneripraktikas hõlmab aksiaalvoomootori kiire välja nõrgendamise võime hindamine tavaliselt järgmisi põhiparameetreid ja kõveraid.

1. Iseloomulik vool

Iseloomulik vool on määratletud järgmiselt:

 kus  Ψm  on püsimagnetvoo ühendus ja  Ld  on otsetelje induktiivsus.

Kui iseloomulik vool on väiksem kui kontrolleri maksimaalne väljundvool, võib mootor teoreetiliselt siseneda 'lõpmatu välja nõrgenemise' piirkonda, võimaldades väga suure kiiruse pikendamist.
Kui iseloomulik vool on suurem kui maksimaalne vool, tähendab see, et isegi kogu voolu kasutamine välja nõrgendamiseks ei ole vooühenduse tühistamiseks piisav, piirates kiiret laiendusvõimalust.

Iseloomulik vool on kõige intuitiivsem näitaja välja nõrgenemise potentsiaali hindamiseks.

2. Pinge piirring ja voolu piirring

Praegusel vektoritasandil piiravad mootori tööd kaks ringi:

• Voolu piiriring : määratakse kontrolleri maksimaalse väljundvoolu järgi;

• Pinge piirring : määratakse alalisvoolu siini pinge ja voolukiiruse järgi.

Kiiruse kasvades pinge piirring kahaneb. Mootori tööpunkt peab asuma nende kahe ringi ristumiskohas.

Tugeva välja nõrgendamise võimega mootoril on suurel kiirusel siiski piisav ristmikuala kasuliku pöördemomendi andmiseks.
Halva välja nõrgendamise võimega mootoril väheneb pinge piirring liiga kiiresti, surudes tööpunkti väga väikesesse piirkonda ja väljundvõimsus langeb järsult.

3. Konstantse võimsusega piirkonna laius

Inseneritöös kasutatakse 'konstantse võimsusega piirkonda' sageli kiire laiendusvõime hindamiseks.
Laiem konstantse võimsusega piirkond näitab, et mootor suudab säilitada suhteliselt suure väljundvõimsuse suurtel kiirustel, selle asemel, et kogeda pöördemomendi kaljulaadset langust.

Kui aksiaalvoo mootor on välja nõrgendamiseks halvasti konstrueeritud, on selle konstantse võimsusega piirkond märgatavalt kitsas ja võimsus kiirel otsal langeb kiiresti.

4. Maksimaalse kiiruse ja nimikiiruse suhe

Seda suhet nimetatakse ka 'välja nõrgendava kiiruse paisumissuhteks'.
Tavaliste sõiduautode mootorite puhul on soovitav paisumissuhe 3–4 korda või rohkem – näiteks nimiväärtus 4000 p/min ja maksimaalne 15 000–18 000 p/min.
See, kas aksiaalvoomootor suudab seda taset saavutada, sõltub induktiivsuse, vooühenduse, pooluste paaride arvu ja kontrolleri pingevõime kombineeritud hindamisest.

5. Kiire efektiivsus ja temperatuuri tõus

Välja nõrgenemine ei seisne ainult selles, 'kas see võib üles pöörelda', vaid ka 'kui tõhus see on, kui seda teeb.'
Kui välja nõrgendav vool on liiga suur, suureneb vase kadu järsult, mis põhjustab suurel kiirusel tugeva temperatuuri tõusu, mis võib isegi põhjustada püsimagnetite pöördumatut demagnetiseerumist.

Seetõttu on välja nõrgendamise võime hindamisel oluline uurida ka kiiret tõhusust MAP-i ja termilist jõudlust, mitte ainult kiiruse numbreid.

IV. Kuidas praktikas hinnata? Kolm lähenemist

1. lähenemisviis: elektromagnetiline simulatsioon

Projekteerimisetapis loovad insenerid tavaliselt lõplike elementide simulatsioonitarkvara abil aksiaalvoomootori elektromagnetilise mudeli.

Erinevate kiiruste ja vooluvektorite pühkimisel on võimalik saada järgmist:

• Tagasi EMF lainekuju;

• Otsetelje ja kvadratuurtelje induktiivsused  Ld , Lq;

• Vooluühendus  Ψm;

• Iseloomulik vool  Ich;

• Pinge piirellipsi ja voolu piirringi ristumiskoht;

• Teoreetiline maksimaalse pöördemomendi-kiiruse kõver;

• Tõhususe KAART.

Need andmed võivad põhjalikult kajastada mootori välja nõrgenemise potentsiaali.
Täpsete simulatsioonitulemuste saamiseks peab mudel aga täpselt esindama aksiaalse voo otsa lekkevoogu, 3D-magnetahelateid ja küllastusomadusi. Selle tulemusena tugineb aksiaalvoomootorite simuleerimine tavapäraste radiaalmootoritega võrreldes rohkem 3D lõplike elementide analüüsile.

2. lähenemisviis: stendi testimine

Simulatsioon on ainult teoreetiline; lõpuks on nõutavad mõõtmised pingil.

Katsetestid hõlmavad tavaliselt järgmist:

• Tagasi EMF koefitsiendi mõõtmine;

•  Induktiivsuse mõõtmine erinevatel temperatuuridel;

• tipppöördemomendi-kiiruse väliskarakteristiku kõver;

• Pidev nimivõimsuse väljundvõimsus;

• Pidev tööaeg maksimaalsel kiirusel;

• Tõhusus ja temperatuuri tõus kiirvälja nõrgendavas piirkonnas;

• Toimivuse halvenemise test pärast magneti demagnetiseerimist.

Kõige kriitilisemad on  temperatuuri tõus kiire välja nõrgenemise piirkonnas  ja  pidev töövõime .
Paljud aksiaalvoo prototüübid võivad lühiajaliste tippkatsete käigus saavutada väga suure kiiruse, kuid kui need pärast mõneminutilist pidevat töötamist üle kuumenevad ja vähenevad, ei saa neid pidada tõeliselt kvalifitseeritud välja nõrgendamisvõimega.

3. lähenemisviis: kontrollistrateegia sobivuse hindamine

Välja nõrgendamise võime ei sõltu ainult mootorist endast, vaid ka kontrollerist ja juhtimisalgoritmidest.

Ühised kontrollistrateegiad hõlmavad järgmist:

• MTPA (maksimaalne pöördemoment ampri kohta);

• Põllu nõrgestav kontroll;

• MTPV (maksimaalne pöördemoment pinge kohta);

• Pinge edasisuunamine ja voolu lahtisidumine sügava välja nõrgenemise korral.

Hindamisel tuleks uurida, kas juhtimisstrateegiaga saab täielikult ära kasutada aksiaalvoomootori pinge- ja voolupiire.
Kui mootori kerel on hea välja nõrgendamise potentsiaal, kuid juhtimisalgoritm on ebapiisav, võivad suurtel kiirustel tekkida sellised probleemid nagu värin, juhitavuse kaotus või liiga madal efektiivsus.

V. Millised disaini täiustused võivad suurendada aksiaalvoomootorite kiiret välja nõrgendamise võimet?

Kui hindamine näitab ebapiisavat välja nõrgendamisvõimet, on levinumad parendusjuhised järgmised:

1. Optimeerige otsetelje induktiivsus

Otsese telje induktiivsuse sobiv suurendamine võib alandada iseloomulikku voolu ja suurendada välja nõrgenemise võimet.
Seda saab saavutada pooluste paaride arvu suurendamise, pilu geomeetria reguleerimise, mähiste paigutuse optimeerimise, magnetsilla laiuse suurendamise jne abil.

Otsetelje induktiivsuse suurendamine on aga sageli vastuolus pöördemomendi tihedusega, mistõttu on vaja mitme eesmärgiga optimeerimist.

2. Vähendage mõõdukalt vooluühendust

Veidi väiksema remanentsiga, kuid kõrgema temperatuuritaluvusega magnetite kasutamine või magneti paksuse vähendamine võib alandada tagasi EMF-i ja iseloomulikku voolu.
Kompromiss on väikese kiirusega pöördemomendi vähendamine, mida tuleb võrrelda süsteemi üldiste nõuetega.

3. Suurendage reluktantsi pöördemomendi panust

Suurendades silmapaistvuse suhet (erinevus kvadratuursete ja otsetelje induktiivsuste vahel), võib vastumeelsusmoment võtta suurema osa väljundist, vähendades sõltuvust püsimagnetvoo ühendusest.
Sel viisil võtab vooühendus kiirel välja nõrgenemisel vähem pingeruumi, muutes kiiruse pikendamise lihtsamaks.

4. Võtke kasutusele hübriidne ergutus või muutuv voog

See on arenenum lähenemisviis.
Väljamähiste või muutuva vooga magnetite kaasamine aksiaalsesse voostruktuuri võimaldab õhupilu voogu suurel kiirusel aktiivselt vähendada, muutes 'passiivse välja nõrgenemise' 'aktiivse välja nõrgenemiseks'.

See disain võib märkimisväärselt parandada suure kiiruse tõhusust ja konstantse võimsusega piirkonna laiust, kuid suurendab struktuuri keerukust ja kulusid.

5. Parandada alalisvoolu siini pinge kasutamist

Kui mootoril endal on tagasihoidlik väljanõrgendamisvõime, on võimalik ka 'pingeseina' tagasi lükata, tõstes kontrolleri pingetaset, kasutades SiC invertereid, optimeerides modulatsioonistrateegiaid jne, et anda samast siinipingest efektiivsem pinge.

See jätab rohkem ruumi välja nõrgenemiseks.

VI. Levinud väärarusaamad

Aksiaalvoomootorite kiire välja nõrgendamise võime hindamisel väärivad märkimist mitmed väärarusaamad.

1. eksiarvamus: ainult maksimaalset kiirust vaadates.

Kõrge maksimaalne kiirus ei pruugi tähendada tugevat välja nõrgendamise võimet – see võib olla lihtsalt lühiajaline kiiruspurske ilma püsiva kasuliku väljundita.

2. eksiarvamus: uskumine, et aksiaalvoomootorite välja nõrgenemine on alati halb.

Nagu varem mainitud, on aksiaalne voog topoloogiline mõiste ja spetsiifiline välja nõrgenemise jõudlus on väga erinev. Mõned suure jõudlusega aksiaalvoomootorid võivad välja nõrgendamise võime poolest isegi ületada võrreldavaid radiaalvoomootoreid.

3. eksiarvamus: temperatuurimõjude ignoreerimine.

Nii püsimagnetvoo ühendus kui ka mähise takistus varieeruvad sõltuvalt temperatuurist. Kõrgetel temperatuuridel vooluühendus väheneb, muutes välja nõrgendava voolu nõudeid. Hindamisel tuleks kasutada kuuma oleku parameetreid, mitte ainult külma oleku andmeid.

4. eksiarvamus: simulatsiooni maksimaalse kiiruse käsitlemine tegeliku kasutatava kiirusena.

Simulatsioone tehakse sageli ideaalsete pinge, voolu ja temperatuuri tingimustes. Tegeliku katsestendi puhul piiravad kontrolleri mittelineaarsused ja termiline kaitse praktilist välja nõrgendavat piirkonda.

VII. Järeldus

Aksiaalvoomootori kiire välja nõrgendamise võime on sisuliselt süsteemitasandi inseneriprobleem.

See ei sõltu ainult mootori korpuse elektromagnetilisest konstruktsioonist, vaid ka juhtimisstrateegiast, inverteri võimekusest ja soojusjuhtimisest.
Hindamine ei tohiks tugineda ainult ühele või kahele parameetrile; selle asemel nõuab see põhjalikku hinnangut, mis põhineb iseloomulikul voolul, pinge/voolu piiri ringidel, konstantse võimsusega piirkonna laiusel, suurel kiirusel, temperatuuri tõusul ja pideval töövõimel.

Inseneride jaoks, kelle eesmärk on aksiaalvoomootorid tõeliselt kiirete elektriajamite rakendustesse suruda,  ei ole välja nõrgendamise võime küsimus 'kas see on olemas', vaid pigem 'kas mootor suudab kiirust säästvalt ja tõhusalt suurendada.'.

Tulevikus, uute materjalide, uute topoloogiate ja mitme füüsikaga optimeerimise tehnikate edenedes, paraneb aksiaalvoomootorite jõudlus kiirete väljade nõrgenemise piirkonnas jätkuvalt.
Ja nende välja nõrgendamise võime täpne ja süstemaatiline hindamine muutub üha enam elektriajamite arendamise kriitiliseks lüliks.