Paano Masusuri ang High-Speed ​​Field-Weakening Capability ng Axial Flux Motors?

Sa nakalipas na mga taon, Ang mga axial flux motor ay nakakuha ng pagtaas ng traksyon sa komunidad ng electric drive. Itinuturing sila ng marami bilang isa sa mga kinatawan ng direksyon para sa mga susunod na henerasyong motor na may mataas na pagganap, lalo na sa mga application kung saan kritikal ang volume at bigat—gaya ng mga in-wheel na motor, drone, electric sports car, at hybrid system. Ang istraktura ng axial flux ay nag-aalok ng mga natatanging bentahe sa mga sitwasyong ito.

Gayunpaman, upang tunay na mailapat ang mga axial flux na motor sa mga high-speed electric drive system, isang teknikal na hamon ang hindi maiiwasan:  Sapat ba ang high-speed field-weakening na kakayahan? At paano ito dapat suriin?

I. Una, unawain: Bakit palaging kailangan ang 'paghina ng field' sa mataas na bilis?

Ang pangunahing katangian ng permanent magnet synchronous motors (PMSMs) ay ang pagtaas ng back EMF nang may bilis.

Ang back EMF ay maaaring maunawaan lamang bilang ang boltahe na 'binuo' ng motor mismo habang ito ay umiikot. Kapag ang bilis ay tumaas sa isang tiyak na punto, ang likod na EMF ay lumalapit o lumampas pa nga sa pinakamataas na boltahe na maibibigay ng controller—ibig sabihin, ang DC bus voltage. Sa puntong iyon, ang motor ay hindi na makapag-inject ng kasalukuyang o dagdagan ang bilis; ito ay epektibong hinaharangan ng isang 'boltahe na pader.'

Kaya ano ang maaaring gawin?

Ang pamamaraan ay:  aktibong bawasan ang flux linkage ng motor, ibig sabihin, gawin ang magnetic field na 'weaker' , sa gayon ay ibinababa ang likod na EMF at pinapalaya ang boltahe na headroom para sa mas mataas na bilis. Ito ang karaniwang tinatawag nating 'field-weakening control.'

Isang pagkakatulad:
Ang isang karaniwang bisikleta ay nangangailangan ng malaking ratio ng gear para sa pagsisimula at mataas na torque; kung panatilihin mo ang malaking ratio sa mataas na bilis, ang iyong mga binti ay hindi makakasabay sa indayog. Ang field-weakening control ay parang paglilipat sa mas maliit na gear ratio sa mataas na bilis, na nagpapahintulot sa bilis ng sasakyan na patuloy na tumaas habang ang iyong leg cadence ay nananatiling pareho.

II. Ang mga partikularidad ng axial flux motors sa pagpapahina ng field

Ang axial flux motors ay hindi isang solong nakapirming disenyo, ngunit sa halip ay isang malawak na kategorya ng mga topologies. Ang kanilang karaniwang tampok ay ang air-gap flux ay dumadaloy sa axial na direksyon, sa halip na radially tulad ng sa conventional radial flux motors.

Ang istrukturang ito ay nagdudulot ng mga pakinabang tulad ng mataas na torque density, flat form factor, at maikling haba ng ehe, ngunit nagpapakilala rin ng ilang katangiang nauugnay sa kakayahang magpapahina ng field.

Ang isa sa mga pinaka-maimpluwensyang kadahilanan ay:  maraming axial flux motors ay medyo mababa ang inductance.

Ang field-weakening na kakayahan ng isang motor ay malapit na nauugnay sa ratio ng direct-axis inductance  Ld  sa flux linkage  Ψm . Sa madaling salita, mas malaki ang direktang-axis inductance at mas maliit ang flux linkage, mas madali ang pagpapahina ng field sa teorya, at mas malakas ang high-speed extension na kakayahan.

Maraming axial flux motors, sa pagtugis ng mataas na torque density, ay may maiikling magnetic path at short end windings, na nagreresulta sa natural na mababang inductance. Dahil dito, ang isang mas malaking field-weakening current ay kinakailangan upang kanselahin ang flux linkage, na humahantong sa isang makabuluhang pagtaas sa pagkawala ng tanso sa mataas na bilis, isang pagbaba sa kahusayan, at posibleng kahit na hindi sapat na field-weakening na kakayahan.

Ngunit tandaan:  hindi lahat ng axial flux motors ay may mahinang field-weakening performance.
Depende ito sa partikular na disenyo. Halimbawa, ang paggamit ng multi-layer magnets, pagtaas ng pole-pair number, pag-optimize ng winding configurations, o pagtaas ng reluctance torque na kontribusyon ay maaring mapabuti ng lahat ng field-weakening performance.

Samakatuwid, kapag nagsusuri, hindi basta-basta masasabing 'axial flux motors ay laging may mahinang field weakening'; dapat itong masuri sa isang case-by-case na batayan para sa bawat partikular na disenyo.

III. Ano ang mga pangunahing tagapagpahiwatig para sa pagsusuri ng kakayahan sa pagpapahina ng larangan?

Sa pagsasanay sa engineering, ang pagsusuri sa mataas na bilis ng field-weakening na kakayahan ng isang axial flux motor ay kadalasang kinabibilangan ng mga sumusunod na core parameter at curves.

1. Katangiang kasalukuyang

Ang kasalukuyang katangian ay tinukoy bilang:

 kung saan  ang Ψm  ay ang permanenteng magnet flux linkage, at  ang Ld  ay ang direct-axis inductance.

Kung ang kasalukuyang katangian ay mas mababa kaysa sa pinakamataas na kasalukuyang output ng controller, kung gayon ang motor ay maaaring theoretically pumasok sa rehiyon ng 'walang katapusan na field-weakening', na nagbibigay-daan para sa napakataas na bilis ng extension.
Kung ang kasalukuyang katangian ay mas malaki kaysa sa pinakamataas na kasalukuyang, nangangahulugan ito na kahit na ang paggamit ng lahat ng kasalukuyang para sa pagpapahina ng field ay hindi sapat upang kanselahin ang flux linkage, na nililimitahan ang mataas na bilis ng extension na kakayahan.

Ang kasalukuyang katangian ay ang pinaka-intuitive na tagapagpahiwatig para sa pagsusuri ng potensyal na nagpapahina sa larangan.

2. Lupon sa limitasyon ng boltahe at bilog sa kasalukuyang limitasyon

Sa kasalukuyang vector plane, ang pagpapatakbo ng motor ay pinipigilan ng dalawang bilog:

• Kasalukuyang limitasyon ng bilog : tinutukoy ng pinakamataas na kasalukuyang output ng controller;

• Lupon ng limitasyon ng boltahe : tinutukoy ng boltahe ng DC bus at ang kasalukuyang bilis.

Habang tumataas ang bilis, lumiliit ang bilog na limitasyon ng boltahe. Ang operating point ng motor ay dapat nasa loob ng intersection ng dalawang bilog na ito.

Ang isang motor na may malakas na field-weakening na kakayahan ay mayroon pa ring sapat na intersection area sa mataas na bilis upang makapaghatid ng kapaki-pakinabang na torque.
Nakikita ng motor na may mahinang field-weakening na kakayahan ang bilog na limitasyon ng boltahe na masyadong mabilis na lumiliit, pinipiga ang operating point sa isang napakaliit na rehiyon, at ang kakayahan sa output ay bumaba nang husto.

3. Constant-power na lapad ng rehiyon

Sa engineering, ang 'constant-power region' ay kadalasang ginagamit para suriin ang high-speed extension capability.
Ang isang mas malawak na rehiyon ng patuloy na kapangyarihan ay nagpapahiwatig na ang motor ay maaaring mapanatili ang medyo mataas na output ng kapangyarihan sa mataas na bilis, sa halip na makaranas ng isang tulad-cliff drop sa torque.

Kung ang isang axial flux motor ay hindi maganda ang disenyo para sa pagpapahina ng field, ang patuloy na kapangyarihan na rehiyon nito ay magiging kapansin-pansing makitid, at ang kapangyarihan sa high-speed na dulo ay mabilis na bababa.

4. Ratio ng maximum na bilis sa rate ng bilis

Ang ratio na ito ay tinatawag ding 'field-weakening speed expansion ratio.'
Para sa mga tipikal na pampasaherong sasakyan na nagmamaneho ng motor, isang expansion ratio na 3 hanggang 4 na beses o higit pa ang nais—halimbawa, na-rate sa 4000 rpm at maximum sa 15000–18000 rpm.
Kung ang isang axial flux motor ay makakamit ang antas na ito ay depende sa isang pinagsamang pagsusuri ng inductance, flux linkage, numero ng pole-pair, at kakayahan ng boltahe ng controller.

5. Mataas na bilis ng kahusayan at pagtaas ng temperatura

Ang pagpapahina ng field ay hindi lamang tungkol sa 'kung ito ay maaaring umikot,' kundi pati na rin sa 'kung gaano ito kahusay kapag ito ay nangyayari.'
Kung ang field-weakening current ay labis na malaki, ang pagkawala ng tanso ay tumataas nang husto, na humahantong sa matinding pagtaas ng temperatura sa mataas na bilis, na maaaring maging sanhi ng hindi maibabalik na demagnetization ng mga permanenteng magnet.

Samakatuwid, kapag sinusuri ang kakayahan sa pagpapahina ng field, mahalagang suriin din ang high-speed na kahusayan ng MAP at thermal performance—hindi lamang ang mga numero ng bilis.

IV. Paano suriin sa pagsasanay? Tatlong approach

Diskarte 1: Electromagnetic simulation

Sa yugto ng disenyo, karaniwang gumagawa ang mga inhinyero ng electromagnetic na modelo ng axial flux motor gamit ang software ng simulation na may hangganan ng elemento.

Sa pamamagitan ng pagwawalis ng iba't ibang bilis at kasalukuyang mga vector, ang mga sumusunod ay maaaring makuha:

• Balik EMF waveform;

• Direct-axis at quadrature-axis inductances  Ld , Lq;

• Pag-uugnay ng pagkilos ng bagay  Ψm;

• Katangian kasalukuyang  Ich;

• Intersection ng boltahe limitasyon ellipse at kasalukuyang limitasyon bilog;

• Theoretical maximum torque-speed curve;

• Efficiency MAP.

Ang mga data na ito ay maaaring komprehensibong sumasalamin sa potensyal na nagpapahina sa larangan ng motor.
Gayunpaman, para sa tumpak na mga resulta ng simulation, dapat na tapat na kinakatawan ng modelo ang axial flux end leakage flux, 3D magnetic circuit path, at mga katangian ng saturation. Bilang resulta, ang simulation ng axial flux motors ay higit na umaasa sa 3D finite element analysis kumpara sa conventional radial motors.

Diskarte 2: Bench testing

Ang simulation ay teoretikal lamang; sa huli, ang mga sukat ng bench ay kinakailangan.

Karaniwang kasama sa mga bench test ang:

• Pagsukat ng koepisyent ng EMF sa likod;

•  Pagsukat ng inductance sa iba't ibang temperatura;

• Peak torque-speed panlabas na katangian curve;

• Patuloy na na-rate na kakayahan sa output ng kapangyarihan;

• Sustained operation time at maximum speed;

• Kahusayan at pagtaas ng temperatura sa rehiyon ng high-speed field-weakening;

• Pagsubok sa pagkasira ng pagganap pagkatapos ng demagnetization ng magnet.

Ang pinaka-kritikal ay  ang pagtaas ng temperatura sa high-speed field-weakening region  at  tuluy-tuloy na kakayahan sa pagpapatakbo .
Maraming axial flux prototype ang maaaring umabot sa napakataas na bilis sa mga short-duration peak test, ngunit kung sila ay mag-overheat at bumaba pagkatapos ng ilang minuto ng tuluy-tuloy na operasyon, hindi sila maaaring ituring na may tunay na kwalipikadong field-weakening capability.

Diskarte 3: Pagsusuri sa pagtutugma ng diskarte sa pagkontrol

Ang kakayahan sa pagpapahina ng field ay nakasalalay hindi lamang sa motor mismo, kundi pati na rin sa mga algorithm ng controller at control.

Kasama sa mga karaniwang diskarte sa pagkontrol ang:

• MTPA (Maximum Torque per Ampere);

• Kontrol sa pagpapahina ng larangan;

• MTPV (Maximum Torque per Voltage);

• Voltage feedforward at kasalukuyang decoupling sa malalim na field-weakening.

Dapat suriin ng pagsusuri kung ang diskarte sa pagkontrol ay maaaring ganap na samantalahin ang boltahe at kasalukuyang mga limitasyon ng axial flux motor.
Kung ang katawan ng motor ay may magandang potensyal na magpapahina sa field ngunit hindi sapat ang control algorithm, ang mga isyu tulad ng jitter, pagkawala ng kontrol, o sobrang mababang kahusayan ay maaaring mangyari sa mataas na bilis.

V. Aling mga pagpapahusay sa disenyo ang maaaring mapahusay ang mataas na bilis ng field-weakening na kakayahan ng axial flux motors?

Kung ang pagsusuri ay nagpapakita ng hindi sapat na kakayahan sa pagpapahina sa larangan, ang mga karaniwang direksyon sa pagpapabuti ay kinabibilangan ng:

1. I-optimize ang direct-axis inductance

Ang naaangkop na pagtaas ng inductance ng direktang axis ay maaaring magpababa sa kasalukuyang katangian at mapahusay ang kakayahan sa pagpapahina ng field.
Ito ay maaaring makamit sa pamamagitan ng pagtaas ng numero ng pole-pair, pagsasaayos ng geometry ng slot, pag-optimize ng paikot-ikot na layout, pagtaas ng lapad ng magnetic bridge, atbp.

Gayunpaman, ang pagtaas ng direct-axis inductance ay madalas na sumasalungat sa torque density, kaya kinakailangan ang multi-objective optimization.

2. Katamtamang bawasan ang flux linkage

Ang paggamit ng mga magnet na may bahagyang mas mababang remanence ngunit mas mataas na temperatura tolerance, o pagbabawas ng magnet kapal, ay maaaring magpababa ng likod ng EMF at katangian ng kasalukuyang.
Ang trade-off ay isang pagbawas sa low-speed torque, na kailangang timbangin laban sa pangkalahatang mga kinakailangan ng system.

3. Dagdagan ang pag-aatubili na kontribusyon ng metalikang kuwintas

Sa pamamagitan ng pagtaas ng saliency ratio (pagkakaiba sa pagitan ng quadrature at direct-axis inductances), ang reluctance torque ay maaaring magkaroon ng mas malaking bahagi ng output, na binabawasan ang pag-asa sa permanenteng magnet flux linkage.
Sa ganitong paraan, sa high-speed field weakening, ang flux linkage ay sumasakop sa mas kaunting boltahe na headroom, na ginagawang mas madali ang extension ng bilis.

4. Magpatibay ng hybrid excitation o variable flux

Ito ay isang mas advanced na diskarte.
Ang pagsasama ng field windings o variable-flux magnets sa axial flux structure ay nagbibigay-daan sa aktibong pagbawas ng air-gap flux sa mataas na bilis, na ginagawang 'aktibong field weakening' ang 'passive field weakening.'

Ang disenyo na ito ay maaaring makabuluhang mapabuti ang mataas na bilis ng kahusayan at patuloy na kapangyarihan na lapad ng rehiyon, ngunit pinapataas ang pagiging kumplikado at gastos sa istruktura.

5. Pagbutihin ang paggamit ng boltahe ng DC bus

Kung ang motor mismo ay may katamtamang kakayahan sa pagpapahina ng field, posible ring itulak pabalik ang 'voltage wall' sa pamamagitan ng pagtaas ng antas ng boltahe ng controller, gamit ang mga SiC inverters, pag-optimize ng mga diskarte sa modulasyon, atbp., upang makapaghatid ng mas epektibong boltahe mula sa parehong boltahe ng bus.

Nag-iiwan ito ng mas maraming headroom para sa pagpapahina ng field.

VI. Mga karaniwang maling akala

Kapag sinusuri ang mataas na bilis ng field-weakening na kakayahan ng axial flux motors, maraming maling kuru-kuro ang dapat tandaan.

Maling kuru-kuro 1: Tinitingnan lamang ang pinakamataas na bilis.

Ang isang mataas na pinakamataas na bilis ay hindi nangangahulugang malakas na kakayahan na nagpapahina sa larangan—maaaring ito ay isang panandaliang pagputok ng bilis nang walang napapanatiling kapaki-pakinabang na output ng kuryente.

Maling kuru-kuro 2: Ang paniniwalang ang axial flux motor ay palaging may mahinang field weakening.

Gaya ng nabanggit kanina, ang axial flux ay isang topological na konsepto, at ang partikular na field-weakening performance ay malawak na nag-iiba. Ang ilang mga high-performance na axial flux motors ay maaari pang daigin ang maihahambing na radial flux motor sa field-weakening na kakayahan.

Maling kuru-kuro 3: Hindi pinapansin ang mga epekto sa temperatura.

Ang parehong permanenteng magnet flux linkage at winding resistance ay nag-iiba sa temperatura. Sa mataas na temperatura, bumababa ang pagkakaugnay ng flux, na binabago ang kasalukuyang mga kinakailangan sa pagpapahina ng field. Ang pagsusuri ay dapat gumamit ng mga parameter ng hot-state, hindi lamang ang cold-state na data.

Maling kuru-kuro 4: Pagtuturing ng maximum na bilis ng simulation bilang aktwal na bilis na magagamit.

Ang mga simulation ay madalas na pinapatakbo sa ilalim ng perpektong kondisyon ng boltahe, kasalukuyang, at temperatura. Sa aktwal na bench testing, ang controller nonlinearities at thermal protection ay maglilimita sa praktikal na field-weakening region.

VII. Konklusyon

Ang high-speed field-weakening na kakayahan ng isang axial flux motor ay, sa esensya, isang problema sa inhinyero sa antas ng system.

Ito ay nakasalalay hindi lamang sa electromagnetic na disenyo ng katawan ng motor, kundi pati na rin sa diskarte sa kontrol, kakayahan ng inverter, at pamamahala ng thermal.
Ang pagsusuri ay hindi dapat umasa sa isa o dalawang parameter lamang; sa halip, nangangailangan ito ng komprehensibong paghuhusga batay sa katangian ng kasalukuyang, boltahe/kasalukuyang limitasyon ng mga bilog, patuloy na kapangyarihan na lapad ng rehiyon, mataas na bilis na kahusayan, pagtaas ng temperatura, at patuloy na kakayahan sa pagpapatakbo.

Para sa mga inhinyero na naglalayong tunay na itulak ang mga axial flux na motor sa mga high-speed electric drive application,  ang field-weakening capability ay hindi isang usapin ng 'kung mayroon man ito,' ngunit sa halip ay 'kung ang motor ay maaaring palawigin ang bilis nang sustainable at mahusay.'

Sa hinaharap, sa mga pagsulong sa mga bagong materyales, bagong topologies, at multi-physics optimization techniques, ang performance ng axial flux motors sa high-speed field-weakening region ay patuloy na bubuti.
At ang tumpak at sistematikong pagsusuri sa kanilang kakayahan sa pagpapahina sa larangan ay lalong magiging isang kritikal na link sa pagbuo ng electric drive.