Bagaimana Mengevaluasi Kemampuan Melemahnya Medan Berkecepatan Tinggi pada Motor Fluks Aksial?

Dalam beberapa tahun terakhir, motor fluks aksial telah mendapatkan peningkatan daya tarik dalam komunitas penggerak listrik. Banyak orang menganggapnya sebagai salah satu arahan representatif untuk motor berperforma tinggi generasi mendatang, terutama dalam aplikasi yang mengutamakan volume dan bobot—seperti motor in-wheel, drone, mobil sport listrik, dan sistem hybrid. Struktur fluks aksial memang menawarkan keuntungan unik dalam skenario ini.

Namun, untuk benar-benar menerapkan motor fluks aksial dalam sistem penggerak listrik berkecepatan tinggi, satu tantangan teknis tidak dapat dihindari:  Apakah kemampuan pelemahan medan berkecepatan tinggi cukup? Dan bagaimana cara mengevaluasinya?

I. Pertama, pahami: Mengapa 'pelemahan medan' selalu diperlukan pada kecepatan tinggi?

Karakteristik mendasar dari motor sinkron magnet permanen (PMSM) adalah EMF belakang meningkat seiring dengan kecepatan.

EMF balik secara sederhana dapat dipahami sebagai tegangan yang 'dihasilkan' oleh motor itu sendiri saat berputar. Ketika kecepatan naik ke titik tertentu, EMF balik mendekati atau bahkan melampaui tegangan maksimum yang dapat disuplai pengontrol—yaitu, tegangan bus DC. Pada titik ini, motor tidak dapat lagi mengalirkan arus atau menambah kecepatan; itu secara efektif diblokir oleh 'dinding tegangan.'

Jadi apa yang bisa dilakukan?

Caranya adalah:  secara aktif mengurangi hubungan fluks motor, yaitu membuat medan magnet 'lebih lemah' , sehingga menurunkan EMF belakang dan membebaskan ruang tegangan untuk kecepatan yang lebih tinggi. Inilah yang biasa kita sebut sebagai 'pengendalian yang melemahkan lapangan.'

Analoginya:
Sepeda standar membutuhkan rasio gigi yang besar untuk start dan torsi yang tinggi; jika Anda mempertahankan rasio besar itu pada kecepatan tinggi, kaki Anda tidak dapat mengikuti iramanya. Kendali yang melemahkan medan seperti berpindah ke rasio gigi yang lebih kecil pada kecepatan tinggi, memungkinkan kecepatan kendaraan terus meningkat sementara irama kaki Anda tetap sama.

II. Kekhasan motor fluks aksial pada pelemahan medan

Motor fluks aksial bukanlah desain tunggal yang tetap, melainkan kategori topologi yang luas. Ciri umumnya adalah fluks celah udara mengalir dalam arah aksial, bukan secara radial seperti pada motor fluks radial konvensional.

Struktur ini memberikan keuntungan seperti kepadatan torsi tinggi, faktor bentuk datar, dan panjang aksial pendek, namun juga memperkenalkan beberapa karakteristik yang relevan dengan kemampuan pelemahan lapangan.

Salah satu faktor yang paling berpengaruh adalah:  banyak motor fluks aksial memiliki induktansi yang relatif rendah.

Kemampuan pelemahan medan motor berkaitan erat dengan rasio induktansi sumbu langsung  Ld  terhadap hubungan fluks  Ψm . Sederhananya, semakin besar induktansi sumbu langsung dan semakin kecil hubungan fluks, secara teori semakin mudah melemahnya medan, dan semakin kuat kemampuan ekstensi kecepatan tinggi.

Banyak motor fluks aksial, untuk mencapai kepadatan torsi tinggi, memiliki jalur magnet pendek dan belitan ujung pendek, sehingga menghasilkan induktansi rendah secara alami. Akibatnya, diperlukan arus pelemahan medan yang lebih besar untuk membatalkan hubungan fluks, yang menyebabkan peningkatan signifikan dalam kehilangan tembaga pada kecepatan tinggi, penurunan efisiensi, dan bahkan mungkin kemampuan pelemahan medan yang tidak mencukupi.

Namun perlu diingat:  tidak semua motor fluks aksial memiliki kinerja pelemahan medan yang buruk.
Itu tergantung pada desain spesifiknya. Misalnya, penggunaan magnet berlapis-lapis, meningkatkan jumlah pasangan kutub, mengoptimalkan konfigurasi belitan, atau meningkatkan kontribusi torsi keengganan, semuanya dapat meningkatkan kinerja pelemahan medan.

Oleh karena itu, ketika mengevaluasi, kita tidak bisa hanya mengatakan 'motor fluks aksial selalu memiliki pelemahan medan lemah'; hal ini harus dinilai berdasarkan kasus per kasus untuk setiap desain tertentu.

AKU AKU AKU. Apa saja indikator utama untuk mengevaluasi kemampuan yang melemah di lapangan?

Dalam praktik teknik, evaluasi kemampuan pelemahan medan kecepatan tinggi dari motor fluks aksial biasanya melibatkan parameter dan kurva inti berikut.

1. Karakteristik arus

Arus karakteristik didefinisikan sebagai:

 di mana  Ψm  adalah hubungan fluks magnet permanen, dan  Ld  adalah induktansi sumbu langsung.

Jika arus karakteristik kurang dari arus keluaran maksimum pengontrol, maka motor secara teoritis dapat memasuki wilayah 'pelemahan medan tak terbatas', yang memungkinkan perluasan kecepatan sangat tinggi.
Jika arus karakteristik lebih besar dari arus maksimum, ini berarti bahwa penggunaan seluruh arus untuk pelemahan medan tidak cukup untuk membatalkan hubungan fluks, sehingga membatasi kemampuan perluasan kecepatan tinggi.

Karakteristik arus adalah indikator paling intuitif untuk mengevaluasi potensi pelemahan lapangan.

2. Lingkaran batas tegangan dan lingkaran batas arus

Pada bidang vektor saat ini, pengoperasian motor dibatasi oleh dua lingkaran:

• Lingkaran batas arus : ditentukan oleh arus keluaran maksimum pengontrol;

• Lingkaran batas tegangan : ditentukan oleh tegangan bus DC dan kecepatan arus.

Ketika kecepatan meningkat, lingkaran batas tegangan menyusut. Titik pengoperasian motor harus terletak pada perpotongan kedua lingkaran tersebut.

Motor dengan kemampuan pelemahan medan yang kuat masih memiliki area persimpangan yang cukup pada kecepatan tinggi untuk menghasilkan torsi yang berguna.
Motor dengan kemampuan pelemahan medan yang buruk akan melihat lingkaran batas tegangan menyusut terlalu cepat, menekan titik operasi menjadi wilayah yang sangat kecil, dan kemampuan output turun tajam.

3. Lebar wilayah daya konstan

Dalam bidang teknik, 'wilayah daya konstan' sering digunakan untuk mengevaluasi kemampuan perluasan kecepatan tinggi.
Wilayah daya konstan yang lebih luas menunjukkan bahwa motor dapat mempertahankan output daya yang relatif tinggi pada kecepatan tinggi, dibandingkan mengalami penurunan torsi yang drastis.

Jika motor fluks aksial dirancang dengan buruk untuk pelemahan medan, wilayah daya konstannya akan terasa sempit, dan daya pada kecepatan tinggi akan turun dengan cepat.

4. Rasio kecepatan maksimum terhadap kecepatan terukur

Rasio ini juga disebut 'rasio ekspansi kecepatan pelemahan medan.'
Untuk motor penggerak kendaraan penumpang pada umumnya, diinginkan rasio ekspansi 3 hingga 4 kali atau lebih—misalnya, pada 4000 rpm dan maksimum pada 15.000–18.000 rpm.
Apakah motor fluks aksial dapat mencapai tingkat ini bergantung pada evaluasi gabungan induktansi, hubungan fluks, nomor pasangan kutub, dan kemampuan tegangan pengontrol.

5. Efisiensi kecepatan tinggi dan kenaikan suhu

Pelemahan medan bukan hanya tentang 'apakah ia dapat berputar,' tetapi juga 'seberapa efisien ia berputar.'
Jika arus pelemahan medan terlalu besar, kehilangan tembaga akan meningkat secara dramatis, menyebabkan kenaikan suhu yang parah pada kecepatan tinggi, yang bahkan dapat menyebabkan demagnetisasi permanen pada magnet permanen.

Oleh karena itu, ketika mengevaluasi kemampuan pelemahan lapangan, penting juga untuk memeriksa MAP efisiensi kecepatan tinggi dan kinerja termal—bukan hanya angka kecepatannya.

IV. Bagaimana cara mengevaluasi dalam praktik? Tiga pendekatan

Pendekatan 1: Simulasi elektromagnetik

Selama tahap desain, para insinyur biasanya membangun model elektromagnetik motor fluks aksial menggunakan perangkat lunak simulasi elemen hingga.

Dengan menyapu kecepatan dan vektor arus yang berbeda, diperoleh hal berikut:

• Kembali bentuk gelombang EMF;

• Induktansi sumbu langsung dan sumbu kuadratur  Ld , Lq;

• Keterkaitan fluks  Ψm;

• Karakteristik saat ini  Ich;

• Perpotongan elips batas tegangan dan lingkaran batas arus;

• Kurva kecepatan torsi maksimum teoritis;

• PETA Efisiensi.

Data ini secara komprehensif dapat mencerminkan potensi pelemahan medan motor.
Namun, untuk hasil simulasi yang akurat, model harus secara akurat mewakili fluks kebocoran ujung fluks aksial, jalur sirkuit magnetik 3D, dan karakteristik saturasi. Akibatnya, simulasi motor fluks aksial lebih bergantung pada analisis elemen hingga 3D dibandingkan motor radial konvensional.

Pendekatan 2: Pengujian bangku

Simulasi hanya bersifat teoretis; pada akhirnya, pengukuran bangku diperlukan.

Tes bangku biasanya meliputi:

• Pengukuran koefisien EMF kembali;

•  Pengukuran induktansi pada suhu yang berbeda;

• Kurva karakteristik eksternal kecepatan torsi puncak;

• Kemampuan keluaran daya terukur berkelanjutan;

• Waktu pengoperasian berkelanjutan pada kecepatan maksimum;

• Efisiensi dan kenaikan suhu di wilayah dengan kecepatan tinggi;

• Uji penurunan kinerja setelah demagnetisasi magnet.

Yang paling kritis adalah  kenaikan suhu di wilayah pelemahan medan berkecepatan tinggi  dan  kemampuan pengoperasian berkelanjutan. .
Banyak prototipe fluks aksial dapat mencapai kecepatan sangat tinggi dalam pengujian puncak durasi pendek, namun jika terlalu panas dan menurun setelah beberapa menit pengoperasian terus-menerus, prototipe tersebut tidak dapat dianggap memiliki kemampuan pelemahan lapangan yang benar-benar memenuhi syarat.

Pendekatan 3: Kontrol evaluasi pencocokan strategi

Kemampuan pelemahan medan tidak hanya bergantung pada motor itu sendiri, tetapi juga pada pengontrol dan algoritma kontrol.

Strategi pengendalian umum meliputi:

• MTPA (Torsi Maksimum per Ampere);

• Pengendalian yang melemahkan lapangan;

• MTPV (Torsi Maksimum per Tegangan);

• Tegangan maju dan pelepasan arus dalam pelemahan medan dalam.

Evaluasi harus memeriksa apakah strategi pengendalian dapat sepenuhnya memanfaatkan batas tegangan dan arus motor fluks aksial.
Jika bodi motor memiliki potensi pelemahan medan yang baik namun algoritma kontrolnya tidak memadai, masalah seperti jitter, kehilangan kendali, atau efisiensi yang terlalu rendah dapat terjadi pada kecepatan tinggi.

V. Perbaikan desain manakah yang dapat meningkatkan kemampuan pelemahan medan kecepatan tinggi pada motor fluks aksial?

Jika evaluasi menunjukkan kemampuan lapangan yang tidak memadai, arah perbaikan yang umum meliputi:

1. Optimalkan induktansi sumbu langsung

Meningkatkan induktansi sumbu langsung secara tepat dapat menurunkan arus karakteristik dan meningkatkan kemampuan pelemahan medan.
Hal ini dapat dicapai dengan meningkatkan jumlah pasangan kutub, menyesuaikan geometri slot, mengoptimalkan tata letak belitan, meningkatkan lebar jembatan magnet, dll.

Namun, peningkatan induktansi sumbu langsung sering kali bertentangan dengan kepadatan torsi, sehingga diperlukan optimasi multi-tujuan.

2. Mengurangi hubungan fluks secara moderat

Menggunakan magnet dengan remanensi yang sedikit lebih rendah tetapi toleransi suhu lebih tinggi, atau mengurangi ketebalan magnet, dapat menurunkan EMF dan arus karakteristik.
Imbalannya adalah pengurangan torsi pada kecepatan rendah, yang perlu dipertimbangkan terhadap kebutuhan sistem secara keseluruhan.

3. Meningkatkan kontribusi torsi keengganan

Dengan meningkatkan rasio arti-penting (perbedaan antara induktansi kuadratur dan sumbu langsung), torsi keengganan dapat menghasilkan bagian keluaran yang lebih besar, sehingga mengurangi ketergantungan pada hubungan fluks magnet permanen.
Dengan cara ini, pada pelemahan medan kecepatan tinggi, hubungan fluks menempati ruang kepala tegangan yang lebih kecil, sehingga perluasan kecepatan menjadi lebih mudah.

4. Mengadopsi eksitasi hibrida atau fluks variabel

Ini adalah pendekatan yang lebih maju.
Menggabungkan belitan medan atau magnet fluks variabel dalam struktur fluks aksial memungkinkan pengurangan fluks celah udara secara aktif dengan kecepatan tinggi, mengubah 'pelemahan medan pasif' menjadi 'pelemahan medan aktif.'

Desain ini dapat secara signifikan meningkatkan efisiensi kecepatan tinggi dan lebar wilayah daya konstan, namun meningkatkan kompleksitas struktural dan biaya.

5. Meningkatkan pemanfaatan tegangan bus DC

Jika motor itu sendiri memiliki kemampuan pelemahan medan yang sederhana, maka dimungkinkan juga untuk menekan “dinding tegangan” dengan menaikkan level tegangan pengontrol, menggunakan inverter SiC, mengoptimalkan strategi modulasi, dll., untuk menghasilkan tegangan yang lebih efektif dari tegangan bus yang sama.

Hal ini memberikan lebih banyak ruang untuk pelemahan lapangan.

VI. Kesalahpahaman umum

Saat mengevaluasi kemampuan motor fluks aksial yang melemahkan medan kecepatan tinggi, ada beberapa kesalahpahaman yang perlu diperhatikan.

Kesalahpahaman 1: Hanya melihat kecepatan maksimal.

Kecepatan maksimum yang tinggi tidak selalu berarti kemampuan pelemahan lapangan yang kuat—kecepatan tersebut mungkin hanya berupa ledakan kecepatan jangka pendek tanpa keluaran daya berguna yang berkelanjutan.

Kesalahpahaman 2: Percaya bahwa motor fluks aksial selalu mempunyai pelemahan medan yang buruk.

Seperti disebutkan sebelumnya, fluks aksial adalah konsep topologi, dan kinerja pelemahan medan tertentu sangat bervariasi. Beberapa motor fluks aksial berkinerja tinggi bahkan dapat mengungguli motor fluks radial yang sebanding dalam kemampuan pelemahan lapangan.

Kesalahpahaman 3: Mengabaikan efek suhu.

Hubungan fluks magnet permanen dan resistansi belitan bervariasi menurut suhu. Pada suhu tinggi, hubungan fluks berkurang, mengubah persyaratan arus yang melemahkan medan. Evaluasi harus menggunakan parameter kondisi panas, bukan hanya data kondisi dingin.

Kesalahpahaman 4: Memperlakukan kecepatan maksimum simulasi sebagai kecepatan aktual yang dapat digunakan.

Simulasi sering kali dijalankan pada kondisi tegangan, arus, dan suhu ideal. Dalam pengujian bench yang sebenarnya, nonlinier pengontrol dan perlindungan termal akan membatasi wilayah pelemahan lapangan secara praktis.

VII. Kesimpulan

Kemampuan pelemahan medan kecepatan tinggi dari motor fluks aksial, pada dasarnya, merupakan masalah rekayasa tingkat sistem.

Hal ini tidak hanya bergantung pada desain elektromagnetik bodi motor, tetapi juga pada strategi pengendalian, kemampuan inverter, dan manajemen termal.
Evaluasi tidak boleh hanya bergantung pada satu atau dua parameter; sebaliknya, hal ini memerlukan penilaian komprehensif berdasarkan karakteristik arus, lingkaran batas tegangan/arus, lebar wilayah daya konstan, efisiensi kecepatan tinggi, kenaikan suhu, dan kemampuan pengoperasian berkelanjutan.

Bagi para insinyur yang ingin benar-benar mendorong motor fluks aksial ke dalam aplikasi penggerak listrik berkecepatan tinggi,  kemampuan pelemahan medan bukanlah masalah 'apakah motor tersebut ada,' melainkan 'apakah motor dapat meningkatkan kecepatan secara berkelanjutan dan efisien.'

Di masa depan, dengan kemajuan material baru, topologi baru, dan teknik optimasi multi-fisika, kinerja motor fluks aksial di wilayah pelemahan medan kecepatan tinggi akan terus meningkat.
Dan mengevaluasi kemampuan mereka dalam bidang yang melemah secara akurat dan sistematis akan semakin menjadi mata rantai penting dalam pengembangan penggerak listrik.