Viime vuosina, aksiaalivuomoottorit ovat saaneet yhä enemmän vetovoimaa sähkökäyttöjen yhteisössä. Monet pitävät niitä yhtenä edustavana suunnana seuraavan sukupolven korkean suorituskyvyn moottoreille, erityisesti sovelluksissa, joissa tilavuus ja paino ovat kriittisiä – kuten pyörämoottorit, droonit, sähköurheiluautot ja hybridijärjestelmät. Aksiaalinen vuorakenne tarjoaa ainutlaatuisia etuja näissä skenaarioissa.
Kuitenkin, jotta aksiaalivuomoottoreita todella voitaisiin käyttää nopeissa sähkökäyttöjärjestelmissä, yksi tekninen haaste on väistämätön: Onko nopea kentänheikennyskyky riittävä? Ja miten se pitäisi arvioida?
I. Ymmärrä ensin: Miksi 'kentän heikkeneminen' on aina tarpeen suurella nopeudella?
Kestomagneettisynkronimoottoreiden (PMSM) perusominaisuus on, että taka-EMF kasvaa nopeuden myötä.
Taka-EMF voidaan yksinkertaisesti ymmärtää jännitteeksi, jonka moottori itse pyöriessään 'generoi'. Kun nopeus nousee tiettyyn pisteeseen, taka-EMF lähestyy tai jopa ylittää maksimijännitteen, jonka säädin voi syöttää, eli DC-väylän jännitteen. Siinä vaiheessa moottori ei voi enää syöttää virtaa tai lisätä nopeutta; se on tehokkaasti estetty 'jänniteseinällä'.
Mitä voidaan tehdä?
Menetelmä on: vähennä aktiivisesti moottorin vuokytkentää, eli tee magneettikenttä 'heikommaksi' alentaen siten taka-EMF:ää ja vapauttaen jännitevaraa suurempia nopeuksia varten. Tätä kutsumme yleisesti 'kenttää heikentäväksi hallitukseksi'.
Analogia: tavallinen polkupyörä tarvitsee suuren välityssuhteen käynnistykseen ja suuren vääntömomentin; jos pidät tätä suurta suhdetta suurella nopeudella, jalkasi eivät pysy poljinnopeuden tahdissa. Kentän heikentävä hallinta on kuin vaihtamista pienemmälle välityssuhteelle suurella nopeudella, jolloin ajoneuvon nopeus voi jatkaa nousuaan jalkojen poljinnopeuden pysyessä samana.
II. Aksiaalivuomoottorien erityispiirteet kentän heikkenemisessä
Aksiaalivuomoottorit eivät ole yksittäinen kiinteä malli, vaan pikemminkin laaja topologioiden luokka. Niiden yhteinen piirre on, että ilmarakovuo virtaa aksiaalisuunnassa pikemminkin kuin säteittäisesti kuten tavanomaisissa säteittäisvuomoottoreissa.
Tämä rakenne tuo etuja, kuten korkean vääntömomenttitiheyden, tasaisen muotokertoimen ja lyhyen aksiaalisen pituuden, mutta tuo mukanaan myös joitain ominaisuuksia, jotka liittyvät kentän heikentämiskykyyn.
Yksi vaikuttavimmista tekijöistä on: monilla aksiaalivuomoottoreilla on suhteellisen alhainen induktanssi.
Moottorin kentänheikennyskyky liittyy läheisesti suoran akselin induktanssin Ld suhteeseen vuokytkimeen Ψm . Yksinkertaisesti sanottuna, mitä suurempi on suoraakselin induktanssi ja mitä pienempi vuon kytkentä, sitä helpompaa kentän heikkeneminen on teoriassa ja sitä vahvempi on nopea laajennuskyky.
Monilla aksiaalivuomoottoreilla, joilla pyritään korkeaan vääntömomenttitiheyteen, on lyhyet magneettireitit ja lyhyet päädyn käämit, mikä johtaa luonnollisesti alhaiseen induktanssiin. Tästä johtuen vaaditaan suurempaa kentänheikennysvirtaa vuokytkennän kumoamiseksi, mikä johtaa merkittävään kuparihäviön lisääntymiseen suurella nopeudella, tehokkuuden laskuun ja mahdollisesti jopa riittämättömään kentänheikennyskykyyn.
Mutta huomaa: kaikilla aksiaalivuomoottoreilla ei ole huonoa kenttää heikentävä suorituskyky. Se riippuu tietystä suunnittelusta. Esimerkiksi monikerroksisten magneettien käyttö, napaparien määrän lisääminen, käämityskonfiguraatioiden optimointi tai reluktanssin vääntömomentin lisäys voivat kaikki parantaa kentän heikentämistä.
Siksi arvioitaessa ei voi yksinkertaisesti sanoa, että 'aksiaalisilla vuomoottoreilla on aina heikko kentänheikennys'; se on arvioitava tapauskohtaisesti kunkin mallin osalta.
III. Mitkä ovat tärkeimmät indikaattorit kentän heikentämiskyvyn arvioimiseksi?
Suunnittelukäytännössä aksiaalivuomoottorin nopean kentänheikennyskyvyn arviointiin liittyy tyypillisesti seuraavat ydinparametrit ja -käyrät.
1. Ominainen virta
Ominainen virta määritellään seuraavasti:
missä Ψm on kestomagneettivuon kytkentä ja Ld on suoran akselin induktanssi.
Jos ominaisvirta on pienempi kuin ohjaimen suurin lähtövirta, moottori voi teoriassa siirtyä 'äärettömän kentänheikennyksen' alueelle, mikä mahdollistaa erittäin suuren nopeuden laajentamisen. Jos ominaisvirta on suurempi kuin maksimivirta, se tarkoittaa, että edes kaiken virran käyttäminen kentänheikennykseen ei riitä kumoamaan vuokytkentää, mikä rajoittaa nopeaa laajennuskykyä.
Ominainen virta on intuitiivisin indikaattori kentän heikentämispotentiaalin arvioimiseksi.
2. Jänniterajan ympyrä ja virtarajapiiri
Nykyisellä vektoritasolla moottorin toimintaa rajoittaa kaksi ympyrää:
Virtaraja ympyrä : määräytyy ohjaimen suurimman lähtövirran mukaan;
Jänniterajoitusympyrä : määräytyy DC-väylän jännitteen ja virrannopeuden mukaan.
Nopeuden kasvaessa jänniterajaympyrä kutistuu. Moottorin toimintapisteen tulee sijaita näiden kahden ympyrän leikkauskohdassa.
Moottorilla, jolla on vahva kentänheikennyskyky, on edelleen riittävä leikkausalue suurella nopeudella hyödyllisen vääntömomentin tuottamiseksi. Moottori, jolla on huono kentänheikennyskyky, näkee jänniterajaympyrän kutistuvan liian nopeasti, mikä puristaa toimintapisteen hyvin pienelle alueelle ja lähtökyky laskee jyrkästi.
3. Vakiotehoalueen leveys
Suunnittelussa 'vakiotehoaluetta' käytetään usein arvioimaan nopeaa laajennuskykyä. Laajempi vakiotehoalue osoittaa, että moottori voi ylläpitää suhteellisen suurta tehoa suurilla nopeuksilla sen sijaan, että se kokisi jyrkänteisen vääntömomentin laskun.
Jos aksiaalivuomoottori on huonosti suunniteltu kentänheikennykseen, sen vakiotehoalue on huomattavasti kapea ja teho nopeassa päässä laskee nopeasti.
4. Suurimman nopeuden suhde nimellisnopeuteen
Tätä suhdetta kutsutaan myös 'kenttää heikentävän nopeuden laajennussuhteeksi'. Tyypillisissä henkilöajoneuvomoottoreissa laajennussuhde on vähintään 3-4-kertainen – esimerkiksi nimellisnopeudella 4000 rpm ja maksiminopeudella 15000-18000 rpm. Se, pystyykö aksiaalivuomoottori saavuttamaan tämän tason, riippuu induktanssin, vuokytkennän, napaparien lukumäärän ja ohjaimen jännitteen yhteisarvioinnista.
5. Nopea hyötysuhde ja lämpötilan nousu
Kentän heikkeneminen ei tarkoita vain 'voiko se pyöriä ylös', vaan myös 'kuinka tehokas se on, kun se tekee.' Jos kenttää heikentävä virta on liian suuri, kuparihäviö kasvaa dramaattisesti, mikä johtaa voimakkaaseen lämpötilan nousuun suurella nopeudella, mikä voi jopa aiheuttaa kestomagneettien peruuttamattoman demagnetoitumisen.
Siksi kentänheikennyskykyä arvioitaessa on olennaista tarkastella myös korkean nopeuden tehokkuutta MAP:ia ja lämpötehoa – ei vain nopeuslukuja.
IV. Kuinka arvioida käytännössä? Kolme lähestymistapaa
Lähestymistapa 1: Sähkömagneettinen simulointi
Suunnitteluvaiheessa insinöörit tyypillisesti rakentavat sähkömagneettisen mallin aksiaalivuomoottorista käyttämällä elementtisimulaatioohjelmistoa.
Pyyhkäisemällä eri nopeuksia ja virtavektoreita voidaan saada seuraavaa:
Takaisin EMF-aaltomuoto;
Suoraakselin ja kvadratuuriakselin induktanssit Ld , Lq;
Vuon kytkentä Ψm;
Ominaisuusvirta Ich;
Jänniterajan ellipsin ja virtarajaympyrän leikkauspiste;
Teoreettinen suurin vääntömomentti-nopeuskäyrä;
Tehokkuuskartta.
Nämä tiedot voivat heijastaa kattavasti moottorin kentän heikentämispotentiaalia. Tarkkojen simulointitulosten saamiseksi mallin on kuitenkin esitettävä todenmukaisesti aksiaalivuon päätevuotovuo, 3D-magneettiset piirireitit ja kyllästysominaisuudet. Tämän seurauksena aksiaalivuomoottorien simulointi perustuu enemmän 3D-elementtianalyysiin verrattuna perinteisiin radiaalimoottoriin.
Lähestymistapa 2: Bench-testaus
Simulointi on vain teoreettista; viime kädessä vaaditaan pöytämittauksia.
Tehokkuus ja lämpötilan nousu nopeilla kentillä heikentävällä alueella;
Suorituskyvyn heikkenemistesti magneetin demagnetoinnin jälkeen.
Kriittisimmät ovat lämpötilan nousu nopealla kentänheikennysalueella ja jatkuva toiminta. . Monet aksiaalivuon prototyypit voivat saavuttaa erittäin suuria nopeuksia lyhytkestoisissa huipputesteissä, mutta jos ne ylikuumenevat ja heikkenevät muutaman minuutin jatkuvan käytön jälkeen, niillä ei voida katsoa olevan todella pätevää kentänheikennyskykyä.
Kentänheikennyskyky ei riipu vain itse moottorista, vaan myös säätimestä ja ohjausalgoritmeista.
Yleisiä ohjausstrategioita ovat:
MTPA (Maximum Torque per Ampere);
Kentän heikentävä ohjaus;
MTPV (Maximum Torque per Voltage);
Jännitteen myötäkytkentä ja virran irrotus syväkentän heikennyksissä.
Arvioinnissa tulee tutkia, pystyykö ohjausstrategia hyödyntämään täysin aksiaalivuomoottorin jännite- ja virtarajat. Jos moottorin rungossa on hyvä kentänheikennyspotentiaali, mutta ohjausalgoritmi on riittämätön, suurilla nopeuksilla voi ilmetä ongelmia, kuten värinää, hallinnan menetystä tai liian alhaista tehoa.
V. Mitkä suunnitteluparannukset voivat parantaa aksiaalivuomoottorien nopeaa kenttäheikennyskykyä?
Jos arviointi paljastaa riittämättömän kentän heikentämisen, yleisiä parannussuuntia ovat:
1. Optimoi suoran akselin induktanssi
Oikean akselin induktanssin sopiva lisääminen voi alentaa ominaisvirtaa ja parantaa kentän heikennyskykyä. Tämä voidaan saavuttaa lisäämällä napaparien määrää, säätämällä raon geometriaa, optimoimalla käämitysjärjestelyä, lisäämällä magneettisillan leveyttä jne.
Suoran akselin induktanssin lisääminen on kuitenkin usein ristiriidassa vääntömomenttiheyden kanssa, joten usean tavoitteen optimointi on tarpeen.
2. Vähennä vuonkytkentää kohtalaisesti
Hieman pienemmän remanenssin, mutta korkeamman lämpötilan sietokyvyn omaavien magneettien käyttö tai magneetin paksuuden pienentäminen voi vähentää EMF:ää ja ominaisvirtaa. Kompromissi on alhaisen nopeuden vääntömomentin pienentäminen, jota on punnittava järjestelmän yleisiin vaatimuksiin nähden.
3. Lisää reluktanssin vääntömomentin osuutta
Kasvattamalla näkyvyyssuhdetta (ero kvadratuuri- ja suoraakseliinduktanssien välillä), reluktanssimomentti voi ottaa suuremman osuuden ulostulosta, mikä vähentää riippuvuutta kestomagneettivuon kytkennästä. Tällä tavalla nopean kentän heikkenemisen yhteydessä vuon kytkentä vie vähemmän jännitevaraa, mikä tekee nopeuden pidentämisestä helpompaa.
4. Ota käyttöön hybridiviritys tai muuttuva vuo
Tämä on edistyneempi lähestymistapa. Kenttäkäämien tai säädettävän vuon magneettien sisällyttäminen aksiaalivuon rakenteeseen mahdollistaa ilmavälivuon aktiivisen pienentämisen suurella nopeudella, jolloin 'passiivisen kentän heikkeneminen' muutetaan 'aktiivisen kentän heikennykseksi'.
Tämä rakenne voi parantaa merkittävästi nopean tehokkuutta ja tasaisen tehon alueen leveyttä, mutta lisää rakenteellista monimutkaisuutta ja kustannuksia.
5. Paranna DC-väylän jännitteen käyttöä
Jos itse moottorilla on vaatimaton kentänheikennyskyky, on myös mahdollista työntää 'jänniteseinä' taaksepäin nostamalla säätimen jännitetasoa, käyttämällä SiC-inverttereitä, optimoimalla modulaatiostrategioita jne. tehokkaamman jännitteen tuottamiseksi samasta väyläjännitteestä.
Tämä jättää enemmän tilaa kentän heikkenemiselle.
VI. Yleisiä väärinkäsityksiä
Arvioitaessa aksiaalivuomoottorien nopeaa kenttäheikennyskykyä, on syytä huomioida useita väärinkäsityksiä.
Väärinkäsitys 1: Tarkastellaan vain enimmäisnopeutta.
Suuri maksiminopeus ei välttämättä tarkoita voimakasta kentän heikentämiskykyä – se voi olla vain lyhytaikainen nopeuspurske ilman jatkuvaa hyödyllistä tehoa.
Väärinkäsitys 2: Uskotaan, että aksiaalivuomoottoreilla on aina huono kentän heikkeneminen.
Kuten aiemmin mainittiin, aksiaalivuo on topologinen käsite, ja spesifinen kentänheikennyskyky vaihtelee suuresti. Jotkut tehokkaat aksiaalivuomoottorit voivat jopa ylittää vertailukelpoiset radiaalivuomoottorit kentän heikentämiskyvyssä.
Sekä kestomagneettivuon kytkentä että käämitysvastus vaihtelevat lämpötilan mukaan. Korkeissa lämpötiloissa vuon kytkentä heikkenee, mikä muuttaa kenttää heikentävän virran vaatimuksia. Arvioinnissa tulisi käyttää kuuman tilan parametreja, ei vain kylmän tilan tietoja.
Simulaatiot suoritetaan usein ihanteellisissa jännite-, virta- ja lämpötilaolosuhteissa. Varsinaisessa penkkitestauksessa säätimen epälineaarisuus ja lämpösuojaus rajoittavat käytännön kentän heikennysaluetta.
VII. Johtopäätös
Aksiaalivuomoottorin nopea kenttäheikennyskyky on pohjimmiltaan järjestelmätason tekninen ongelma.
Se ei riipu vain moottorin rungon sähkömagneettisesta rakenteesta, vaan myös ohjausstrategiasta, invertterin kyvystä ja lämmönhallinnasta. Arvioinnin ei pitäisi perustua vain yhteen tai kahteen parametriin; Sen sijaan se vaatii kattavan arvioinnin, joka perustuu ominaisvirtaan, jännite-/virtarajaympyrään, vakiotehoalueen leveyteen, nopeaan hyötysuhteeseen, lämpötilan nousuun ja jatkuvaan toimintakykyyn.
Insinööreille, jotka pyrkivät todella työntämään aksiaalivuomoottorit nopeisiin sähkökäyttösovelluksiin, kentänheikennyskyky ei ole 'onko se olemassa', vaan pikemminkin 'pystyykö moottori lisäämään nopeutta kestävästi ja tehokkaasti'.
Tulevaisuudessa uusien materiaalien, uusien topologioiden ja usean fysiikan optimointitekniikoiden kehittyessä aksiaalivuomoottorien suorituskyky nopeiden kenttien heikkenemisalueella paranee edelleen. Ja niiden kentän heikentämiskyvyn tarkka ja systemaattinen arviointi tulee yhä tärkeämmäksi lenkkiksi sähkökäyttöjen kehittämisessä.
SDM Magnetics on yksi Kiinan integratiivisimmista magneettivalmistajista. Tärkeimmät tuotteet: Kestomagneetti, Neodyymimagneetit, Moottorin staattori ja roottori, Anturiresolvert ja magneettiset kokoonpanot.
Lisätä
108 North Shixin Road, Hangzhou, Zhejiang 311200 PRChina
