Kako procijeniti sposobnost slabljenja polja velike brzine motora s aksijalnim fluksom?

Posljednjih godina, motori s aksijalnim fluksom stekli su sve veću popularnost u zajednici električnih pogona. Mnogi ih smatraju jednim od reprezentativnih pravaca za novu generaciju motora visokih performansi, posebno u primjenama gdje su volumen i težina kritični — kao što su motori na kotačima, dronovi, električni sportski automobili i hibridni sustavi. Struktura aksijalnog fluksa nudi jedinstvene prednosti u ovim scenarijima.

Međutim, za istinsku primjenu motora s aksijalnim fluksom u brzim električnim pogonskim sustavima, jedan tehnički izazov je neizbježan:  Je li sposobnost slabljenja polja velike brzine dovoljna? A kako to treba ocijeniti?

I. Prvo, shvatite: Zašto je 'slabljenje polja' uvijek potrebno pri velikoj brzini?

Temeljna karakteristika sinkronih motora s trajnim magnetima (PMSM) je da povratni EMF raste s brzinom.

Povratni EMF može se jednostavno shvatiti kao napon koji 'generira' sam motor dok se okreće. Kada brzina poraste do određene točke, povratni EMF se približava ili čak premašuje maksimalni napon koji regulator može dati—tj. napon istosmjerne sabirnice. U tom trenutku motor više ne može ubrizgavati struju niti povećavati brzinu; učinkovito je blokiran 'naponskim zidom'.

Dakle, što se može učiniti?

Metoda je:  aktivno smanjite vezu toka motora, tj. učinite magnetsko polje 'slabim' , čime se smanjuje povratni EMF i oslobađa naponski prostor za veće brzine. To je ono što obično nazivamo 'kontrola slabljenja polja'.

Analogija:
standardni bicikl treba veliki prijenosni omjer za pokretanje i veliki okretni moment; ako zadržite taj veliki omjer pri velikoj brzini, vaše noge ne mogu pratiti kadencu. Kontrola slabljenja polja je poput prebacivanja na niži omjer prijenosa pri velikoj brzini, dopuštajući da se brzina vozila nastavi povećavati dok ritam vaše noge ostaje isti.

II. Osobitosti motora s aksijalnim fluksom u slabljenju polja

Motori s aksijalnim fluksom nisu jedinstveni fiksni dizajn, već široka kategorija topologija. Njihovo zajedničko obilježje je da tok zračnog raspora teče u aksijalnom smjeru, a ne radijalno kao kod konvencionalnih motora s radijalnim tokom.

Ova struktura donosi prednosti kao što su velika gustoća zakretnog momenta, ravni faktor oblika i kratka aksijalna duljina, ali također uvodi neke značajke relevantne za sposobnost slabljenja polja.

Jedan od najutjecajnijih čimbenika je:  mnogi motori s aksijalnim fluksom imaju relativno nizak induktivitet.

Sposobnost motora za slabljenje polja usko je povezana s omjerom induktiviteta izravne osi  Ld  i veze toka  Ψm . Jednostavno rečeno, što je veća induktivnost izravne osi i što je manja veza toka, teoretski postaje lakše slabljenje polja i jača je mogućnost proširenja velike brzine.

Mnogi motori s aksijalnim fluksom, u potrazi za velikom gustoćom momenta, imaju kratke magnetske staze i kratke krajeve namota, što rezultira prirodno niskim induktivitetom. Posljedično, potrebna je veća struja slabljenja polja da se poništi veza toka, što dovodi do značajnog povećanja gubitka bakra pri velikoj brzini, pada učinkovitosti i moguće čak i nedovoljne sposobnosti slabljenja polja.

Ali imajte na umu:  nemaju svi motori s aksijalnim fluksom loše performanse slabljenja polja.
Ovisi o specifičnom dizajnu. Na primjer, korištenjem višeslojnih magneta, povećanjem broja pari polova, optimiziranjem konfiguracija namota ili povećanjem doprinosa otpornog momenta, sve to može poboljšati izvedbu slabljenja polja.

Stoga, kada se procjenjuje, ne može se jednostavno reći 'motori s aksijalnim fluksom uvijek imaju slabo slabljenje polja'; mora se procijeniti od slučaja do slučaja za svaki konkretan dizajn.

III. Koji su glavni pokazatelji za procjenu sposobnosti slabljenja polja?

U inženjerskoj praksi, procjena sposobnosti slabljenja polja velike brzine motora s aksijalnim fluksom obično uključuje sljedeće osnovne parametre i krivulje.

1. Karakteristična struja

Karakteristična struja se definira kao:

 gdje je  Ψm  veza toka trajnog magneta, a  Ld  je induktivitet izravne osi.

Ako je karakteristična struja manja od maksimalne izlazne struje regulatora, tada motor teoretski može ući u područje 'beskonačnog slabljenja polja', dopuštajući proširenje vrlo velike brzine.
Ako je karakteristična struja veća od maksimalne struje, to znači da čak i korištenje cijele struje za slabljenje polja nije dovoljno za poništavanje spoja toka, ograničavajući mogućnost proširenja velike brzine.

Karakteristična struja je najintuitivniji pokazatelj za procjenu potencijala slabljenja polja.

2. Granični krug napona i granični krug struje

Na trenutnoj vektorskoj ravnini rad motora je ograničen s dva kruga:

• Strujni granični krug : određen maksimalnom izlaznom strujom regulatora;

• Krug ograničenja napona : određen naponom istosmjerne sabirnice i trenutnom brzinom.

Kako se brzina povećava, krug ograničenja napona se smanjuje. Radna točka motora mora biti unutar sjecišta ova dva kruga.

Motor sa snažnom sposobnošću slabljenja polja i dalje ima dovoljno površine presjeka pri velikoj brzini da isporuči koristan moment.
Motor sa slabom sposobnošću slabljenja polja vidi prebrzo smanjenje kruga ograničenja napona, sabijajući radnu točku u vrlo malo područje, a izlazna sposobnost naglo pada.

3. Širina područja konstantne snage

U inženjerstvu se 'područje konstantne snage' često koristi za procjenu sposobnosti proširenja velike brzine.
Šire područje konstantne snage ukazuje na to da motor može održati relativno visoku izlaznu snagu pri velikim brzinama, umjesto da doživi pad okretnog momenta poput strmine.

Ako je motor s aksijalnim fluksom loše dizajniran za slabljenje polja, njegovo područje konstantne snage bit će primjetno usko, a snaga na kraju velike brzine brzo će pasti.

4. Omjer najveće brzine i nazivne brzine

Ovaj omjer se također naziva 'omjer ekspanzije brzine slabljenja polja'.
Za tipične pogonske motore osobnih vozila, poželjan je omjer ekspanzije od 3 do 4 puta ili više—na primjer, nominalno na 4000 o/min i maksimalno na 15000–18000 o/min.
Može li motor s aksijalnim fluksom postići ovu razinu ovisi o kombiniranoj procjeni induktiviteta, spoja fluksa, broja para polova i mogućnosti napona regulatora.

5. Učinkovitost velike brzine i porast temperature

Slabljenje polja se ne odnosi samo na 'može li se vrtjeti', već i na 'koliko je učinkovito kada se vrti'.
Ako je struja slabljenja polja pretjerano velika, gubitak bakra se dramatično povećava, što dovodi do ozbiljnog porasta temperature pri velikoj brzini, što čak može uzrokovati ireverzibilnu demagnetizaciju trajnih magneta.

Stoga, kada se procjenjuje sposobnost slabljenja polja, bitno je također ispitati MAP učinkovitosti velike brzine i toplinske performanse—ne samo brojke brzine.

IV. Kako ocjenjivati ​​u praksi? Tri pristupa

Pristup 1: Elektromagnetska simulacija

Tijekom faze dizajna, inženjeri obično izgrade elektromagnetski model motora s aksijalnim fluksom pomoću softvera za simulaciju konačnih elemenata.

Pretragom različitih brzina i strujnih vektora može se dobiti sljedeće:

• Povratni EMF valni oblik;

• Induktivitet u ravnoj i kvadraturnoj osi  Ld , Lq;

• Veza fluksa  Ψm;

• Karakteristična struja  Ich;

• Sjecište granične elipse napona i strujne granične kružnice;

• Teoretska krivulja maksimalnog zakretnog momenta i brzine;

• Učinkovitost MAP.

Ovi podaci mogu sveobuhvatno odražavati potencijal slabljenja polja motora.
Međutim, za točne rezultate simulacije, model mora vjerno predstavljati aksijalni tok i tok curenja, 3D putanje magnetskog kruga i karakteristike zasićenja. Kao rezultat toga, simulacija motora s aksijalnim fluksom više se oslanja na 3D analizu konačnih elemenata u usporedbi s konvencionalnim radijalnim motorima.

Pristup 2: Ispitivanje na stolu

Simulacija je samo teoretska; u konačnici, potrebna su mjerenja na stolu.

Bend testovi obično uključuju:

• Mjerenje koeficijenta povratne EMF;

•  Mjerenje induktiviteta pri različitim temperaturama;

• Krivulja vanjske karakteristike vršnog momenta i brzine;

• Kontinuirana nazivna izlazna snaga;

• Trajno vrijeme rada pri maksimalnoj brzini;

• Učinkovitost i porast temperature u području slabljenja polja velike brzine;

• Ispitivanje degradacije performansi nakon demagnetizacije magneta.

Najkritičniji su  porast temperature u području slabljenja polja velike brzine  i  sposobnost kontinuiranog rada. .
Mnogi prototipovi aksijalnog toka mogu postići vrlo velike brzine u kratkotrajnim vršnim testovima, ali ako se pregriju i padnu nakon nekoliko minuta neprekidnog rada, ne može se smatrati da imaju stvarno kvalificiranu sposobnost slabljenja polja.

Pristup 3: Procjena podudaranja strategije kontrole

Sposobnost slabljenja polja ne ovisi samo o samom motoru, već i o upravljaču i upravljačkim algoritmima.

Uobičajene strategije kontrole uključuju:

• MTPA (Maksimalni moment po amperu);

• Kontrola slabljenja polja;

• MTPV (Maksimalni moment po naponu);

• Unaprijed napona i razdvajanje struje u dubokom slabljenju polja.

Procjena treba ispitati može li strategija upravljanja u potpunosti iskoristiti ograničenja napona i struje motora s aksijalnim fluksom.
Ako tijelo motora ima dobar potencijal slabljenja polja, ali je kontrolni algoritam neadekvatan, pri velikim brzinama mogu se pojaviti problemi poput podrhtavanja, gubitka kontrole ili preniske učinkovitosti.

V. Koja poboljšanja dizajna mogu poboljšati sposobnost slabljenja polja velike brzine motora s aksijalnim fluksom?

Ako procjena otkrije nedovoljnu sposobnost slabljenja polja, uobičajeni smjerovi poboljšanja uključuju:

1. Optimizirajte induktivitet izravne osi

Odgovarajuće povećanje induktiviteta izravne osi može smanjiti karakterističnu struju i poboljšati sposobnost slabljenja polja.
To se može postići povećanjem broja para polova, podešavanjem geometrije utora, optimiziranjem rasporeda namota, povećanjem širine magnetskog mosta itd.

Međutim, povećanje induktiviteta izravne osi često je u sukobu s gustoćom momenta, pa je potrebna višestruka optimizacija.

2. Umjereno smanjite vezu toka

Korištenje magneta s nešto nižom remanentnošću, ali višom temperaturnom tolerancijom, ili smanjenjem debljine magneta, može smanjiti EMF i karakterističnu struju.
Kompromis je smanjenje okretnog momenta pri malim brzinama, što treba odvagnuti u odnosu na ukupne zahtjeve sustava.

3. Povećajte doprinos otpornog momenta

Povećanjem omjera istaknutosti (razlika između induktiviteta kvadrature i induktiviteta izravne osi), okretni moment nevoljkosti može preuzeti veći udio u izlazu, smanjujući oslanjanje na povezivanje stalnog magnetskog toka.
Na taj način, pri slabljenju polja velike brzine, fluksna veza zauzima manje prostora za napon, što olakšava povećanje brzine.

4. Usvojite hibridnu pobudu ili promjenjivi tok

Ovo je napredniji pristup.
Uključivanje namota polja ili magneta s promjenjivim fluksom u strukturu aksijalnog fluksa omogućuje aktivno smanjenje fluksa zračnog raspora pri velikoj brzini, pretvarajući 'pasivno slabljenje polja' u 'aktivno slabljenje polja'.

Ovaj dizajn može značajno poboljšati učinkovitost velike brzine i širinu područja konstantne snage, ali povećava strukturnu složenost i cijenu.

5. Poboljšajte iskorištenje napona istosmjerne sabirnice

Ako sam motor ima skromnu sposobnost slabljenja polja, također je moguće gurnuti 'naponski zid' podizanjem razine napona regulatora, korištenjem SiC pretvarača, optimizacijom modulacijskih strategija itd., kako bi se isporučio učinkovitiji napon iz istog napona sabirnice.

To ostavlja više prostora za slabljenje polja.

VI. Uobičajene zablude

Pri procjeni sposobnosti slabljenja polja velike brzine kod motora s aksijalnim fluksom, vrijedno je pažnje nekoliko zabluda.

Zabluda 1: gleda se samo maksimalna brzina.

Visoka maksimalna brzina ne mora nužno značiti snažnu sposobnost slabljenja polja—to može biti samo kratkoročni nalet brzine bez održive korisne izlazne snage.

Zabluda 2: Vjerovanje da motori s aksijalnim fluksom uvijek imaju slabo slabljenje polja.

Kao što je ranije spomenuto, aksijalni tok je topološki koncept, a specifična izvedba slabljenja polja uvelike varira. Neki visokoučinkoviti motori s aksijalnim fluksom mogu čak nadmašiti usporedive motore s radijalnim fluksom u sposobnosti slabljenja polja.

Zabluda 3: Zanemarivanje utjecaja temperature.

Veza fluksa trajnog magneta i otpor namota variraju s temperaturom. Na visokim temperaturama, veza toka se smanjuje, mijenjajući zahtjeve za strujom koja slabi polje. Evaluacija bi trebala koristiti parametre vrućeg stanja, a ne samo podatke o hladnom stanju.

Zabluda 4: Tretiranje maksimalne brzine simulacije kao stvarne upotrebljive brzine.

Simulacije se često izvode pod idealnim uvjetima napona, struje i temperature. U stvarnom laboratorijskom ispitivanju, nelinearnosti regulatora i toplinska zaštita ograničit će praktično područje slabljenja polja.

VII. Zaključak

Sposobnost aksijalnog fluksnog motora pri velikoj brzini slabljenja polja je, u biti, inženjerski problem na razini sustava.

To ne ovisi samo o elektromagnetskom dizajnu kućišta motora, već i o upravljačkoj strategiji, sposobnosti pretvarača i toplinskom upravljanju.
Evaluacija se ne bi trebala oslanjati samo na jedan ili dva parametra; umjesto toga, zahtijeva sveobuhvatnu prosudbu temeljenu na karakterističnoj struji, graničnim krugovima napona/struje, širini područja konstantne snage, učinkovitosti velike brzine, porastu temperature i sposobnosti kontinuiranog rada.

Za inženjere koji imaju za cilj istinski gurnuti motore s aksijalnim fluksom u aplikacije električnih pogona velike brzine,  sposobnost slabljenja polja nije pitanje 'postoji li', već prije 'može li motor povećati brzinu na održiv i učinkovit način'.

U budućnosti, s napretkom u novim materijalima, novim topologijama i tehnikama višefizičke optimizacije, izvedba motora s aksijalnim fluksom u području slabljenja polja velike brzine nastavit će se poboljšavati.
A točna i sustavna procjena njihove sposobnosti slabljenja polja postat će sve više kritična karika u razvoju električnih pogona.