Hogyan értékelhető az axiális fluxusmotorok nagy sebességű térgyengítő képessége?

Az elmúlt években Az axiális fluxusmotorok egyre nagyobb vonóerőre tettek szert az elektromos hajtás közösségében. Sokan a következő generációs nagyteljesítményű motorok egyik reprezentatív irányának tekintik őket, különösen olyan alkalmazásokban, ahol a térfogat és a tömeg kritikus fontosságú – mint például a kerékbe épített motorok, drónok, elektromos sportautók és hibrid rendszerek. Az axiális fluxusstruktúra egyedülálló előnyöket kínál ezekben a forgatókönyvekben.

Az axiális fluxusmotorok nagy sebességű elektromos hajtásrendszerekben való tényleges alkalmazásához azonban egy technikai kihívás elkerülhetetlen:  elegendő-e a nagy sebességű térgyengítő képesség? És hogyan kell értékelni?

I. Először is értse meg: Miért van mindig szükség nagy sebességnél a 'mezőgyengítés'?

Az állandó mágneses szinkronmotorok (PMSM) alapvető jellemzője, hogy a hátsó EMF a sebességgel növekszik.

A hátsó EMF egyszerűen értelmezhető úgy, mint az a feszültség, amelyet maga a motor 'generál' forgás közben. Amikor a fordulatszám egy bizonyos pontra emelkedik, a hátsó EMF megközelíti, vagy akár meg is haladja azt a maximális feszültséget, amelyet a vezérlő képes szolgáltatni, azaz az egyenáramú busz feszültségét. Ezen a ponton a motor már nem tud áramot fecskendezni vagy növelni a sebességet; hatékonyan blokkolja egy 'feszültségfal'.

Szóval mit lehet tenni?

A módszer a következő:  aktívan csökkenteni kell a motor fluxusát, azaz 'gyengébbé' tenni a mágneses mezőt , ezáltal csökkentve a hátsó EMF-et és feszültségmagasságot szabadítani a nagyobb sebességekhez. Ezt szoktuk 'mezőgyengítő szabályozásnak' nevezni.

Egy analógia:
Egy szabványos kerékpárnak nagy áttételre van szüksége az indításhoz és nagy nyomatékra; Ha ezt a nagy arányt nagy sebességnél tartod, a lábaid nem tudnak lépést tartani a ritmussal. A terepgyengítő vezérlés olyan, mintha nagy sebességnél kisebb sebességfokozatra váltana, így a jármű sebessége tovább nőhet, miközben a láb üteme változatlan marad.

II. Az axiális fluxusmotorok sajátosságai mezőgyengítésben

Az axiális fluxusmotorok nem egyetlen rögzített kialakítást, hanem a topológiák széles kategóriáját alkotják. Közös jellemzőjük, hogy a légrés fluxus axiális irányban áramlik, nem pedig radiálisan, mint a hagyományos radiális fluxusmotoroknál.

Ez a szerkezet olyan előnyökkel jár, mint a nagy nyomatéksűrűség, a lapos alaktényező és a rövid axiális hossz, de bevezet néhány, a mezőgyengítési képességgel kapcsolatos jellemzőt is.

Az egyik leginkább befolyásoló tényező:  sok axiális fluxusmotor viszonylag alacsony induktivitású.

A motor térgyengítő képessége szorosan összefügg az  Ld közvetlen tengelyű induktivitás  és a fluxuskapcsolat  Ψm arányával . Egyszerűen fogalmazva, minél nagyobb a közvetlen tengelyes induktivitás és minél kisebb a fluxuskapcsolat, annál könnyebb a térgyengítés elméletileg, és annál erősebb a nagy sebességű kiterjesztési képesség.

Sok axiális fluxusmotor a nagy nyomatéksűrűség elérése érdekében rövid mágneses úttal és rövid tekercseléssel rendelkezik, ami természetesen alacsony induktivitást eredményez. Következésképpen nagyobb térgyengítő áramra van szükség a fluxuskapcsolat megszüntetéséhez, ami nagy sebességnél jelentős rézveszteség-növekedést, hatékonyságcsökkenést és esetleg elégtelen mezőgyengítő képességet eredményez.

De ne feledje:  nem minden axiális fluxusmotornak gyenge a térgyengítő teljesítménye.
Ez a konkrét tervezéstől függ. Például a többrétegű mágnesek használata, a póluspárok számának növelése, a tekercskonfigurációk optimalizálása vagy a reluktancia nyomaték hozzájárulásának növelése mind javíthatja a térgyengítő teljesítményt.

Ezért az értékelés során nem lehet egyszerűen azt mondani, hogy 'az axiális fluxusmotoroknál mindig gyenge a térgyengülés'; azt minden egyes konkrét terv esetében eseti alapon kell értékelni.

III. Melyek a főbb mutatók a mezőgyengítő képesség értékeléséhez?

A mérnöki gyakorlatban az axiális fluxusmotorok nagy sebességű térgyengítő képességének értékelése jellemzően a következő alapvető paramétereket és görbéket foglalja magában.

1. Jellegzetes áram

A karakterisztikus áram meghatározása a következő:

 ahol  Ψm  az állandó mágnes fluxuskapcsolata, és  Ld  a közvetlen tengelyű induktivitás.

Ha a karakterisztikus áram kisebb, mint a vezérlő maximális kimeneti árama, akkor a motor elméletileg beléphet a 'végtelen mezőgyengítő' tartományba, ami nagyon nagy fordulatszám-kiterjesztést tesz lehetővé.
Ha a karakterisztikus áram nagyobb, mint a maximális áramerősség, az azt jelenti, hogy még a teljes áramerősség mezőgyengítésre való felhasználása sem elegendő a fluxuskapcsolat megszüntetéséhez, ami korlátozza a nagy sebességű kiterjesztési képességet.

A karakterisztikus áram a legintuitívabb mutató a mezőgyengítési potenciál értékelésére.

2. Feszültséghatár kör és áramkorlát kör

Az aktuális vektorsíkon a motor működését két kör korlátozza:

• Áramkorlát kör : a vezérlő maximális kimeneti árama határozza meg;

• Feszültség határkör : az egyenáramú busz feszültsége és az áram sebessége határozza meg.

A sebesség növekedésével a feszültséghatár köre csökken. A motor működési pontjának e két kör metszéspontjában kell lennie.

Az erős térgyengítési képességgel rendelkező motor nagy fordulatszámon még elegendő metszésfelülettel rendelkezik a hasznos nyomaték biztosításához.
A gyenge térgyengítési képességgel rendelkező motor azt látja, hogy a feszültséghatár-kör túl gyorsan zsugorodik, így a működési pont egy nagyon kis tartományba esik, és a kimeneti képesség meredeken csökken.

3. Állandó teljesítményű régiószélesség

A mérnöki munkában az 'állandó teljesítményű régió' gyakran használatos a nagy sebességű bővítési képesség értékelésére.
A szélesebb állandó teljesítménytartomány azt jelzi, hogy a motor viszonylag nagy teljesítményt tud fenntartani nagy fordulatszámon, ahelyett, hogy a nyomatékban sziklaszerű csökkenést tapasztalna.

Ha egy axiális fluxusmotort rosszul terveztek a térgyengítéshez, akkor az állandó teljesítményű tartomány észrevehetően szűk lesz, és a nagy sebességű végén a teljesítmény gyorsan csökken.

4. A maximális sebesség és a névleges fordulatszám aránya

Ezt az arányt 'mezőgyengítő fordulatszám-tágulási aránynak' is nevezik.
A tipikus személygépjármű-hajtású motoroknál legalább 3-4-szeres tágulási arány kívánatos – például 4000-es fordulatszámon, maximum 15000-18000 ford./percnél.
Az, hogy egy axiális fluxusmotor el tudja-e érni ezt a szintet, az induktivitás, a fluxuskapcsolat, a póluspár szám és a vezérlő feszültségének együttes értékelésétől függ.

5. Nagy sebességű hatékonyság és hőmérséklet-emelkedés

A térgyengülés nem csak arról szól, 'fel tud-e pörögni', hanem arról is, hogy mennyire hatékony, ha igen.'
Ha a térgyengítő áram túlságosan nagy, akkor a rézveszteség drámaian megnő, ami nagy sebességnél súlyos hőmérséklet-emelkedéshez vezet, ami akár visszafordíthatatlan lemágnesezést is okozhat az állandó mágnesekben.

Ezért a térgyengítési képesség értékelésekor elengedhetetlen a nagysebességű MAP hatásfok és a hőteljesítmény – nem csak a sebességszámok – vizsgálata.

IV. Hogyan kell értékelni a gyakorlatban? Három megközelítés

1. megközelítés: Elektromágneses szimuláció

A tervezési szakaszban a mérnökök jellemzően az axiális fluxusmotor elektromágneses modelljét készítik el végeselemes szimulációs szoftver segítségével.

Különböző sebességek és áramvektorok söpörésével a következők érhetők el:

• Hátsó EMF hullámforma;

• Közvetlen tengely és kvadratúra tengelyű induktivitások  Ld , Lq;

• Fluxus összeköttetés  Ψm;

• Jellemző áram  Ich;

• Feszültséghatárellipszis és áramhatár-kör metszéspontja;

• Elméleti maximális nyomaték-fordulatszám görbe;

• Hatékonysági MAP.

Ezek az adatok átfogóan tükrözhetik a motor mezőgyengítő potenciálját.
A pontos szimulációs eredmények érdekében azonban a modellnek hűen kell ábrázolnia az axiális fluxusvégi szivárgási fluxust, a 3D mágneses áramköri útvonalakat és a telítési jellemzőket. Ennek eredményeként az axiális fluxusmotorok szimulációja nagyobb mértékben támaszkodik a 3D végeselemes elemzésre, mint a hagyományos radiális motoroknál.

2. megközelítés: próbapadi tesztelés

A szimuláció csak elméleti; végső soron próbapadi mérésekre van szükség.

A próbapadi tesztek általában a következőket tartalmazzák:

• Vissza EMF-együttható mérés;

•  Induktivitásmérés különböző hőmérsékleteken;

• Csúcsnyomaték-fordulatszám külső jelleggörbe;

• Folyamatos névleges kimeneti teljesítmény;

• Tartós működési idő maximális fordulatszámon;

• Hatékonyság és hőmérséklet-emelkedés a nagy sebességű mezőgyengítő régióban;

• Teljesítményromlási teszt a mágnes lemágnesezése után.

A legkritikusabbak a  hőmérséklet-emelkedés a nagy sebességű térgyengítési tartományban  és  a folyamatos működési képesség. .
Sok axiális fluxus prototípus nagyon nagy sebességet érhet el a rövid időtartamú csúcsteszteken, de ha néhány percnyi folyamatos működés után túlmelegszik és lecsökken, akkor nem tekinthető igazán minősített térgyengítő képességgel rendelkezőnek.

3. megközelítés: Ellenőrzési stratégia illesztésének értékelése

A térgyengítés képessége nemcsak magától a motortól függ, hanem a vezérlőtől és a vezérlési algoritmusoktól is.

A közös ellenőrzési stratégiák a következők:

• MTPA (maximális nyomaték amperenként);

• Mezőgyengítő szabályozás;

• MTPV (maximális nyomaték feszültségenként);

• Feszültség előrecsatolás és áramleválasztás mélymező-gyengítésnél.

Az értékelés során meg kell vizsgálni, hogy a szabályozási stratégia teljes mértékben ki tudja-e használni az axiális fluxusmotor feszültség- és áramkorlátait.
Ha a motortest jó mezőgyengítő potenciállal rendelkezik, de a vezérlési algoritmus nem megfelelő, akkor nagy sebességnél olyan problémák léphetnek fel, mint a jitter, az irányítás elvesztése vagy a túlzottan alacsony hatásfok.

V. Mely tervezési fejlesztések javíthatják az axiális fluxusmotorok nagy sebességű térgyengítő képességét?

Ha az értékelés elégtelen terepgyengítő képességet tár fel, a közös fejlesztési irányok a következők:

1. Optimalizálja a közvetlen tengelyű induktivitást

A közvetlen tengelyes induktivitás megfelelő növelése csökkentheti a karakterisztikus áramerősséget és fokozhatja a térgyengítési képességet.
Ez elérhető a póluspárok számának növelésével, a rés geometriájának beállításával, a tekercselrendezés optimalizálásával, a mágneses híd szélességének növelésével stb.

A közvetlen tengelyű induktivitás növelése azonban gyakran ütközik a nyomatéksűrűséggel, ezért többcélú optimalizálás szükséges.

2. Mérsékelten csökkentse a fluxus kapcsolódást

Valamivel alacsonyabb remanenciájú, de magasabb hőmérséklettűrő mágnesek használata vagy a mágnes vastagságának csökkentése csökkentheti az EMF-et és a karakterisztikus áramot.
A kompromisszum az alacsony fordulatszámú nyomaték csökkenése, amelyet az általános rendszerkövetelményekhez kell viszonyítani.

3. Növelje a reluktancia nyomaték hozzájárulását

A kiemelési arány (a kvadratúra és a közvetlen tengelyes induktivitások közötti különbség) növelésével a reluktancia nyomaték nagyobb részt vehet fel a kimenetben, csökkentve az állandó mágneses fluxus kapcsolódást.
Ily módon a nagysebességű mezőgyengítésnél a fluxuskapcsoló kevesebb feszültségmagasságot foglal el, ami megkönnyíti a sebességnövelést.

4. Használjon hibrid gerjesztést vagy változó fluxust

Ez egy fejlettebb megközelítés.
A terepi tekercsek vagy változó fluxusú mágnesek beépítése az axiális fluxusszerkezetbe lehetővé teszi a légrés fluxus nagy sebességű aktív csökkentését, és a 'passzív térgyengülést' 'aktív térgyengüléssé' alakítja át.

Ez a kialakítás jelentősen javíthatja a nagy sebességű hatékonyságot és az állandó teljesítményű régiószélességet, de növeli a szerkezeti összetettséget és a költségeket.

5. Az egyenáramú busz feszültség kihasználásának javítása

Ha maga a motor is szerény térgyengítő képességgel rendelkezik, akkor a vezérlő feszültségszintjének emelésével, SiC inverterekkel, modulációs stratégiák optimalizálásával stb. is lehetséges a 'feszültségfal' visszaszorítása, hogy ugyanabból a buszfeszültségből hatékonyabb feszültséget adjon.

Ez több mozgásteret hagy a mezőgyengülés számára.

VI. Gyakori tévhitek

Az axiális fluxusmotorok nagy sebességű térgyengítő képességének értékelésekor több tévhitre érdemes figyelni.

1. tévhit: Csak a maximális sebességet nézzük.

A nagy maximális sebesség nem feltétlenül jelent erős térgyengítő képességet – lehet, hogy csak egy rövid távú fordulatszám-robbanás, tartós hasznos teljesítmény nélkül.

2. tévhit: Az a meggyőződés, hogy az axiális fluxusmotorok mezőgyengülése mindig gyenge.

Amint azt korábban említettük, az axiális fluxus egy topológiai fogalom, és a specifikus mezőgyengítő teljesítmény széles skálán mozog. Egyes nagy teljesítményű axiális fluxusmotorok térgyengítési képességükben felülmúlhatják a hasonló radiális fluxusmotorokat.

3. tévhit: A hőmérsékleti hatások figyelmen kívül hagyása.

Mind az állandó mágneses fluxus kapcsolat, mind a tekercsellenállás a hőmérséklet függvényében változik. Magas hőmérsékleten a fluxuskapcsolás csökken, ami megváltoztatja a mezőt gyengítő áramigényt. Az értékelésnek meleg állapotú paramétereket kell használnia, nem csak hideg állapotú adatokat.

4. tévhit: A szimulációs maximális sebesség tényleges használható sebességként való kezelése.

A szimulációkat gyakran ideális feszültség-, áram- és hőmérsékleti feltételek mellett futtatják. A tényleges próbapadi tesztelés során a vezérlő nemlinearitása és a hővédelem korlátozza a gyakorlati térgyengítő tartományt.

VII. Következtetés

Az axiális fluxusmotorok nagy sebességű térgyengítő képessége lényegében rendszerszintű mérnöki probléma.

Ez nemcsak a motortest elektromágneses kialakításától függ, hanem a szabályozási stratégiától, az inverter képességétől és a hőkezeléstől is.
Az értékelésnek nem szabad csak egy vagy két paraméterre támaszkodnia; ehelyett átfogó megítélést igényel, amely a jellemző áramerősség, feszültség/áram határ körök, állandó teljesítményű régiószélesség, nagy sebességű hatásfok, hőmérséklet-emelkedés és folyamatos működési képesség alapján történik.

Azon mérnökök számára, akik az axiális fluxusmotorokat a nagysebességű elektromos meghajtású alkalmazásokba kívánják ténylegesen beilleszteni,  a térgyengítés nem azon múlik, hogy 'létezik-e', hanem inkább 'hogy a motor képes-e fenntarthatóan és hatékonyan növelni a sebességet.'

A jövőben az új anyagok, az új topológiák és a többfizikai optimalizálási technikák fejlődésével az axiális fluxusmotorok teljesítménye a nagy sebességű mezőgyengítő tartományban tovább javulni fog.
A térgyengítő képességük pontos és szisztematikus értékelése pedig egyre inkább az elektromos hajtások fejlesztésének kritikus láncszemévé válik.