چگونه می توان قابلیت تضعیف میدان با سرعت بالا موتورهای شار محوری را ارزیابی کرد؟

در سالهای اخیر، موتورهای شار محوری کشش فزاینده ای در جامعه محرکه الکتریکی به دست آورده اند. آنها توسط بسیاری به عنوان یکی از رهنمودهای نماینده نسل بعدی موتورهای با کارایی بالا، به ویژه در کاربردهایی که حجم و وزن حیاتی هستند - مانند موتورهای درون چرخ، هواپیماهای بدون سرنشین، خودروهای اسپرت الکتریکی و سیستم های هیبریدی، در نظر گرفته می شوند. ساختار شار محوری مزایای منحصر به فردی را در این سناریوها ارائه می دهد.

با این حال، برای اعمال واقعی موتورهای شار محوری در سیستم‌های محرک الکتریکی با سرعت بالا، یک چالش فنی اجتناب ناپذیر است:  آیا قابلیت تضعیف میدان با سرعت بالا کافی است؟ و چگونه باید ارزیابی شود؟

اول، درک کنید: چرا 'تضعیف میدان' همیشه در سرعت بالا ضروری است؟

یک ویژگی اساسی موتورهای سنکرون آهنربای دائم (PMSM) این است که EMF عقب با سرعت افزایش می یابد.

EMF برگشتی را می توان به سادگی به عنوان ولتاژ 'تولید شده' توسط خود موتور هنگام چرخش درک کرد. هنگامی که سرعت به یک نقطه خاص افزایش می‌یابد، EMF پشتی به حداکثر ولتاژی که کنترل‌کننده می‌تواند تامین کند، یعنی ولتاژ باس DC، نزدیک می‌شود یا حتی از آن فراتر می‌رود. در آن نقطه، موتور دیگر نمی تواند جریان تزریق کند یا سرعت را افزایش دهد. به طور موثر توسط 'دیوار ولتاژ' مسدود شده است.

پس چه می توان کرد؟

روش این است:  به طور فعال اتصال شار موتور را کاهش دهید، یعنی میدان مغناطیسی را «ضعیف‌تر» کنید ، در نتیجه EMF عقب را کاهش دهید و فضای سر ولتاژ را برای سرعت‌های بالاتر آزاد کنید. این چیزی است که ما معمولا 'کنترل تضعیف میدان' می نامیم.

یک قیاس:
یک دوچرخه استاندارد به نسبت دنده بزرگ برای راه اندازی و گشتاور بالا نیاز دارد. اگر این نسبت بزرگ را با سرعت بالا حفظ کنید، پاهای شما نمی توانند با آهنگ حرکت کنند. کنترل تضعیف میدان مانند تعویض دنده به نسبت دنده کوچکتر در سرعت بالا است که به سرعت خودرو اجازه می دهد در حالی که حرکت پای شما ثابت می ماند به افزایش سرعت خودرو ادامه دهد.

II. ویژگی های موتورهای شار محوری در تضعیف میدان

موتورهای شار محوری یک طرح ثابت واحد نیستند، بلکه دسته وسیعی از توپولوژی ها هستند. ویژگی مشترک آنها این است که شار شکاف هوا در جهت محوری جریان دارد، به جای شعاعی مانند موتورهای شار شعاعی معمولی.

این ساختار مزایایی مانند چگالی گشتاور بالا، ضریب فرم مسطح و طول محوری کوتاه را به همراه دارد، اما برخی از ویژگی‌های مرتبط با قابلیت تضعیف میدان را نیز معرفی می‌کند.

یکی از تأثیرگذارترین عوامل این است:  بسیاری از موتورهای شار محوری اندوکتانس نسبتاً کمی دارند.

قابلیت تضعیف میدان یک موتور ارتباط نزدیکی با نسبت القایی محور مستقیم  Ld  به پیوند شار  Ψm دارد . به بیان ساده، هرچه اندوکتانس محور مستقیم بزرگتر و پیوند شار کوچکتر باشد، تضعیف میدان در تئوری آسان تر می شود و قابلیت گسترش با سرعت بالا قوی تر می شود.

بسیاری از موتورهای شار محوری، به دنبال چگالی گشتاور بالا، دارای مسیرهای مغناطیسی کوتاه و سیم‌پیچ‌های انتهایی کوتاه هستند که به طور طبیعی اندوکتانس پایینی دارند. در نتیجه، جریان ضعیف‌کننده میدان بزرگ‌تری برای لغو اتصال شار مورد نیاز است، که منجر به افزایش قابل‌توجه در تلفات مس در سرعت بالا، کاهش بازده و احتمالاً حتی ناکافی بودن قابلیت تضعیف میدان می‌شود.

اما توجه داشته باشید:  همه موتورهای شار محوری عملکرد ضعیفی در تضعیف میدان ندارند.
این بستگی به طراحی خاص دارد. به عنوان مثال، استفاده از آهنرباهای چندلایه، افزایش تعداد جفت قطب، بهینه سازی پیکربندی سیم پیچی، یا افزایش سهم گشتاور بی میلی همگی می توانند عملکرد تضعیف میدان را بهبود بخشند.

بنابراین، هنگام ارزیابی، نمی توان به سادگی گفت: 'موتورهای شار محوری همیشه دارای ضعف میدان ضعیف هستند'. باید به صورت موردی برای هر طرح خاص ارزیابی شود.

III. شاخص های اصلی برای ارزیابی قابلیت تضعیف میدان چیست؟

در عمل مهندسی، ارزیابی قابلیت تضعیف میدان با سرعت بالا یک موتور شار محوری معمولاً شامل پارامترها و منحنی های اصلی زیر است.

1. جریان مشخصه

جریان مشخصه به صورت زیر تعریف می شود:

 که در آن  Ψm  پیوند شار آهنربایی دائمی است و  Ld  اندوکتانس محور مستقیم است.

اگر جریان مشخصه کمتر از حداکثر جریان خروجی کنترل‌کننده باشد، موتور از نظر تئوری می‌تواند وارد منطقه «تضعیف میدان بی‌نهایت» شود و امکان گسترش سرعت بسیار بالا را فراهم کند.
اگر جریان مشخصه از حداکثر جریان بیشتر باشد، به این معنی است که حتی استفاده از تمام جریان برای تضعیف میدان برای لغو اتصال شار کافی نیست و قابلیت گسترش با سرعت بالا را محدود می‌کند.

جریان مشخصه بصری ترین شاخص برای ارزیابی پتانسیل تضعیف میدان است.

2. دایره حد ولتاژ و دایره حد جریان

در صفحه بردار فعلی، عملکرد موتور توسط دو دایره محدود می شود:

• دایره حد فعلی : توسط حداکثر جریان خروجی کنترلر تعیین می شود.

• دایره حد ولتاژ : توسط ولتاژ باس DC و سرعت جریان تعیین می شود.

با افزایش سرعت، دایره حد ولتاژ کوچک می شود. نقطه کار موتور باید در محل تلاقی این دو دایره قرار گیرد.

موتوری با قابلیت تضعیف میدان قوی همچنان دارای سطح تقاطع کافی در سرعت بالا برای ارائه گشتاور مفید است.
موتوری با قابلیت ضعیف سازی میدان ضعیف، می بیند که دایره حد ولتاژ خیلی سریع کوچک می شود، نقطه کار را در یک منطقه بسیار کوچک فشرده می کند، و قابلیت خروجی به شدت کاهش می یابد.

3. عرض منطقه با توان ثابت

در مهندسی، 'منطقه با توان ثابت' اغلب برای ارزیابی قابلیت گسترش سریع استفاده می شود.
یک منطقه با قدرت ثابت گسترده تر نشان می دهد که موتور می تواند قدرت خروجی نسبتا بالایی را در سرعت های بالا حفظ کند، به جای اینکه گشتاور افت صخره ای را تجربه کند.

اگر یک موتور شار محوری برای تضعیف میدان ضعیف طراحی شده باشد، ناحیه توان ثابت آن به طور محسوسی باریک می شود و قدرت در انتهای پرسرعت به سرعت کاهش می یابد.

4. نسبت حداکثر سرعت به سرعت نامی

این نسبت «نسبت انبساط سرعت تضعیف میدان» نیز نامیده می‌شود.
برای موتورهای معمولی خودروهای سواری، نسبت انبساط 3 تا 4 برابر یا بیشتر مورد نظر است - برای مثال، در 4000 دور در دقیقه و حداکثر در 15000-18000 دور در دقیقه.
اینکه آیا یک موتور شار محوری می تواند به این سطح برسد یا خیر بستگی به ارزیابی ترکیبی از اندوکتانس، پیوند شار، شماره جفت قطب و قابلیت ولتاژ کنترل کننده دارد.

5. راندمان با سرعت بالا و افزایش دما

تضعیف میدان فقط به «اینکه آیا می‌تواند بچرخد» نیست، بلکه «چقدر کارآمد می‌شود.»
اگر جریان ضعیف‌کننده میدان بیش از حد زیاد باشد، تلفات مس به‌طور چشمگیری افزایش می‌یابد که منجر به افزایش شدید دما در سرعت بالا می‌شود، که حتی ممکن است باعث مغناطیس‌زدایی غیرقابل برگشت آهن‌رباهای دائمی شود.

بنابراین، هنگام ارزیابی قابلیت تضعیف میدان، ضروری است که MAP راندمان با سرعت بالا و عملکرد حرارتی را نیز بررسی کنیم - نه فقط اعداد سرعت.

IV. چگونه در عمل ارزشیابی کنیم؟ سه رویکرد

رویکرد 1: شبیه سازی الکترومغناطیسی

در طول مرحله طراحی، مهندسان معمولاً یک مدل الکترومغناطیسی از موتور شار محوری با استفاده از نرم‌افزار شبیه‌سازی المان محدود می‌سازند.

با جارو کردن سرعت ها و بردارهای جریان مختلف می توان موارد زیر را به دست آورد:

• شکل موج EMF پشت.

• اندوکتانس های محور مستقیم و چهارگانه محور  Ld , Lq;

• پیوند شار  Ψm;

• جریان مشخصه  Ich;

• تقاطع حد ولتاژ بیضی و دایره حد جریان.

• منحنی حداکثر گشتاور-سرعت نظری.

• نقشه کارایی

این داده ها می توانند به طور جامع پتانسیل تضعیف میدان موتور را منعکس کنند.
با این حال، برای نتایج شبیه‌سازی دقیق، مدل باید به طور صادقانه شار نشتی انتهای شار محوری، مسیرهای مدار مغناطیسی سه بعدی و ویژگی‌های اشباع را نشان دهد. در نتیجه، شبیه‌سازی موتورهای شار محوری در مقایسه با موتورهای شعاعی معمولی به شدت بر تحلیل المان محدود سه بعدی متکی است.

رویکرد 2: تست نیمکت

شبیه سازی فقط تئوری است. در نهایت، اندازه گیری های نیمکت مورد نیاز است.

تست های نیمکت معمولاً شامل موارد زیر است:

• اندازه گیری ضریب EMF پشت;

•  اندازه گیری اندوکتانس در دماهای مختلف؛

• منحنی مشخصه خارجی حداکثر گشتاور-سرعت.

• قابلیت خروجی توان نامی پیوسته؛

• زمان عملیات پایدار در حداکثر سرعت؛

• راندمان و افزایش دما در منطقه تضعیف میدان با سرعت بالا.

• تست تخریب عملکرد پس از مغناطیس زدایی با آهنربا.

مهمترین آنها  افزایش دما در ناحیه تضعیف میدان با سرعت بالا  و  قابلیت عملیات مداوم است .
بسیاری از نمونه های اولیه شار محوری می توانند در آزمایش های پیک کوتاه مدت به سرعت های بسیار بالایی برسند، اما اگر پس از چند دقیقه کارکرد مداوم بیش از حد گرم شوند و کاهش پیدا کنند، نمی توان آنها را به عنوان دارای قابلیت تضعیف میدان واقعا واجد شرایط در نظر گرفت.

رویکرد 3: ارزیابی تطابق استراتژی کنترل

قابلیت تضعیف میدان نه تنها به خود موتور، بلکه به کنترل کننده و الگوریتم های کنترل نیز بستگی دارد.

استراتژی های کنترل رایج عبارتند از:

• MTPA (حداکثر گشتاور در آمپر)؛

• کنترل تضعیف میدان؛

• MTPV (حداکثر گشتاور در هر ولتاژ)؛

• پیش‌خور ولتاژ و جداسازی جریان در تضعیف میدان عمیق.

ارزیابی باید بررسی کند که آیا استراتژی کنترل می تواند به طور کامل از محدودیت های ولتاژ و جریان موتور شار محوری استفاده کند یا خیر.
اگر بدنه موتور پتانسیل تضعیف میدان خوبی داشته باشد اما الگوریتم کنترل ناکافی باشد، مسائلی مانند لرزش، از دست دادن کنترل یا راندمان بیش از حد پایین ممکن است در سرعت های بالا رخ دهد.

V. کدام بهبود طراحی می تواند قابلیت تضعیف میدان با سرعت بالا را در موتورهای شار محوری افزایش دهد؟

اگر ارزیابی نشان داد که قابلیت تضعیف میدان کافی نیست، جهت‌های بهبود رایج عبارتند از:

1. اندوکتانس محور مستقیم را بهینه کنید

افزایش مناسب اندوکتانس محور مستقیم می تواند جریان مشخصه را کاهش دهد و قابلیت تضعیف میدان را افزایش دهد.
این را می توان با افزایش تعداد جفت قطب، تنظیم هندسه شکاف، بهینه سازی طرح سیم پیچ، افزایش عرض پل مغناطیسی و غیره به دست آورد.

با این حال، افزایش اندوکتانس محور مستقیم اغلب با چگالی گشتاور در تضاد است، بنابراین بهینه سازی چند هدفه مورد نیاز است.

2. پیوند شار را به طور متوسط ​​کاهش دهید

استفاده از آهنرباهایی با ماندگاری کمی کمتر اما تحمل دمای بالاتر، یا کاهش ضخامت آهنربا، می تواند EMF و جریان مشخصه را کاهش دهد.
مبادله کاهش گشتاور در سرعت کم است که باید با نیازهای کلی سیستم سنجیده شود.

3. سهم گشتاور ریلانس را افزایش دهید

با افزایش نسبت برجستگی (تفاوت بین القای مربعات و محور مستقیم)، گشتاور رلوکتانسی می‌تواند سهم بیشتری از خروجی را به خود اختصاص دهد و وابستگی به اتصال شار مغناطیسی دائمی را کاهش دهد.
به این ترتیب، در تضعیف میدان با سرعت بالا، اتصال شار فضای سر ولتاژ کمتری را اشغال می‌کند و افزایش سرعت را آسان‌تر می‌کند.

4. برانگیختگی هیبریدی یا شار متغیر را اتخاذ کنید

این یک رویکرد پیشرفته تر است.
استفاده از سیم‌پیچ‌های میدان یا آهن‌رباهای شار متغیر در ساختار شار محوری باعث کاهش فعال شار شکاف هوا با سرعت بالا می‌شود و «تضعیف میدان غیرفعال» را به «تضعیف میدان فعال» تبدیل می‌کند.

این طراحی می تواند راندمان سرعت بالا و عرض منطقه با توان ثابت را به طور قابل توجهی بهبود بخشد، اما پیچیدگی و هزینه سازه را افزایش می دهد.

5. بهبود استفاده از ولتاژ باس DC

اگر خود موتور دارای قابلیت ضعیف‌سازی میدان باشد، می‌توان با افزایش سطح ولتاژ کنترل‌کننده، استفاده از اینورترهای SiC، بهینه‌سازی استراتژی‌های مدولاسیون و غیره، 'دیوار ولتاژ' را به عقب براند تا ولتاژ مؤثرتری از همان ولتاژ شین ارائه شود.

این امر فضای بیشتری برای تضعیف میدان ایجاد می کند.

VI. باورهای غلط رایج

هنگام ارزیابی قابلیت تضعیف میدان با سرعت بالا در موتورهای شار محوری، چندین تصور اشتباه قابل توجه است.

تصور اشتباه 1: فقط به حداکثر سرعت نگاه کنید.

حداکثر سرعت بالا لزوماً به معنای توانایی قوی در تضعیف میدان نیست - ممکن است فقط یک انفجار کوتاه مدت سرعت بدون خروجی توان مفید پایدار باشد.

تصور اشتباه 2: اعتقاد به اینکه موتورهای شار محوری همیشه ضعیف شدن میدان ضعیفی دارند.

همانطور که قبلا ذکر شد، شار محوری یک مفهوم توپولوژیکی است و عملکرد تضعیف میدان خاص به طور گسترده ای متفاوت است. برخی از موتورهای شار محوری با کارایی بالا حتی می توانند در قابلیت تضعیف میدان از موتورهای شار شعاعی قابل مقایسه بهتر عمل کنند.

تصور اشتباه 3: نادیده گرفتن اثرات دما.

هم اتصال شار مغناطیسی دائمی و هم مقاومت سیم پیچ با دما متفاوت است. در دماهای بالا، اتصال شار کاهش می‌یابد و نیاز جریان تضعیف میدان را تغییر می‌دهد. ارزیابی باید از پارامترهای حالت داغ استفاده کند، نه فقط از داده های حالت سرد.

تصور غلط 4: در نظر گرفتن حداکثر سرعت شبیه سازی به عنوان سرعت قابل استفاده واقعی.

شبیه سازی ها اغلب تحت شرایط ولتاژ، جریان و دمای ایده آل اجرا می شوند. در آزمایش نیمکت واقعی، غیرخطی بودن کنترلر و حفاظت حرارتی، ناحیه عملی تضعیف میدان را محدود می کند.

VII. نتیجه گیری

قابلیت تضعیف میدان با سرعت بالا در یک موتور شار محوری، در اصل، یک مشکل مهندسی در سطح سیستم است.

نه تنها به طراحی الکترومغناطیسی بدنه موتور، بلکه به استراتژی کنترل، قابلیت اینورتر و مدیریت حرارتی نیز بستگی دارد.
ارزشیابی نباید تنها بر یک یا دو پارامتر متکی باشد. در عوض، به قضاوت جامعی بر اساس جریان مشخصه، دایره های حد ولتاژ/جریان، عرض منطقه با توان ثابت، راندمان با سرعت بالا، افزایش دما، و قابلیت عملکرد مداوم نیاز دارد.

برای مهندسانی که قصد دارند واقعاً موتورهای شار محوری را به سمت برنامه‌های درایو الکتریکی پرسرعت سوق دهند،  قابلیت تضعیف میدان به «وجود آن» نیست، بلکه «این است که آیا موتور می‌تواند به طور پایدار و کارآمد سرعت را افزایش دهد یا خیر».

در آینده، با پیشرفت در مواد جدید، توپولوژی‌های جدید و تکنیک‌های بهینه‌سازی چند فیزیک، عملکرد موتورهای شار محوری در ناحیه تضعیف میدان با سرعت بالا همچنان بهبود خواهد یافت.
و ارزیابی دقیق و سیستماتیک قابلیت تضعیف میدان آنها به طور فزاینده ای به یک پیوند مهم در توسعه درایو الکتریکی تبدیل خواهد شد.