Come valutare la capacità di indebolimento del campo ad alta velocità dei motori a flusso assiale?

Negli ultimi anni, I motori a flusso assiale hanno guadagnato sempre più terreno nella comunità degli azionamenti elettrici. Sono considerati da molti come una delle direzioni rappresentative dei motori ad alte prestazioni di prossima generazione, soprattutto nelle applicazioni in cui volume e peso sono fondamentali, come motori su ruota, droni, auto sportive elettriche e sistemi ibridi. La struttura del flusso assiale offre vantaggi unici in questi scenari.

Tuttavia, per applicare veramente i motori a flusso assiale nei sistemi di azionamento elettrico ad alta velocità, una sfida tecnica è inevitabile:  la capacità di indebolimento del campo ad alta velocità è sufficiente? E come dovrebbe essere valutato?

I. Innanzitutto, capire: perché l''indebolimento del campo' è sempre necessario ad alta velocità?

Una caratteristica fondamentale dei motori sincroni a magneti permanenti (PMSM) è che la forza elettromotrice posteriore aumenta con la velocità.

La forza controelettromotrice può essere semplicemente intesa come la tensione 'generata' dal motore stesso mentre ruota. Quando la velocità raggiunge un certo punto, la forza controelettromotrice si avvicina o addirittura supera la tensione massima che il controller può fornire, ovvero la tensione del bus CC. A quel punto il motore non potrà più né iniettare corrente né aumentare la velocità; è effettivamente bloccato da un 'muro di tensione'.

Quindi cosa si può fare?

Il metodo è:  ridurre attivamente il collegamento del flusso del motore, cioè rendere il campo magnetico 'più debole' , abbassando così la forza elettromotrice posteriore e liberando margine di tensione per velocità più elevate. Questo è ciò che comunemente chiamiamo 'controllo dell'indebolimento del campo'.

Un'analogia:
una bicicletta standard necessita di un rapporto di trasmissione elevato per l'avviamento e di una coppia elevata; se mantieni un rapporto così elevato ad alta velocità, le tue gambe non riusciranno a tenere il passo con la cadenza. Il controllo dell'indebolimento del campo è come passare a un rapporto di trasmissione più piccolo ad alta velocità, consentendo alla velocità del veicolo di continuare ad aumentare mentre la cadenza della gamba rimane la stessa.

II. Le particolarità dei motori a flusso assiale nell'indebolimento di campo

I motori a flusso assiale non sono un unico progetto fisso, ma piuttosto un'ampia categoria di topologie. La loro caratteristica comune è che il flusso del traferro scorre in direzione assiale, anziché radiale come nei motori a flusso radiale convenzionali.

Questa struttura apporta vantaggi quali elevata densità di coppia, fattore di forma piatto e lunghezza assiale ridotta, ma introduce anche alcune caratteristiche rilevanti per la capacità di indebolimento del campo.

Uno dei fattori più influenti è:  molti motori a flusso assiale hanno un'induttanza relativamente bassa.

La capacità di indebolimento di campo di un motore è strettamente correlata al rapporto tra l'induttanza dell'asse diretto  Ld  e il flusso concatenato  Ψm . In poche parole, quanto maggiore è l'induttanza dell'asse diretto e quanto minore è il collegamento del flusso, tanto più facile diventa in teoria l'indebolimento del campo e tanto più forte la capacità di estensione ad alta velocità.

Molti motori a flusso assiale, alla ricerca di un'elevata densità di coppia, hanno percorsi magnetici brevi e avvolgimenti alle estremità corte, con conseguente induttanza naturalmente bassa. Di conseguenza, è necessaria una corrente di indebolimento di campo maggiore per annullare il collegamento del flusso, portando a un aumento significativo della perdita di rame ad alta velocità, a un calo di efficienza e forse anche a una capacità di indebolimento di campo insufficiente.

Ma attenzione:  non tutti i motori a flusso assiale hanno scarse prestazioni di indebolimento di campo.
Dipende dal design specifico. Ad esempio, l'utilizzo di magneti multistrato, l'aumento del numero di coppie polari, l'ottimizzazione delle configurazioni degli avvolgimenti o l'aumento del contributo della coppia di riluttanza possono tutti migliorare le prestazioni di indebolimento del campo.

Pertanto, in sede di valutazione, non si può semplicemente dire 'i motori a flusso assiale hanno sempre un debole indebolimento di campo'; esso deve essere valutato caso per caso per ogni specifica progettazione.

III. Quali sono i principali indicatori per valutare la capacità di indebolimento del campo?

Nella pratica ingegneristica, la valutazione della capacità di indebolimento di campo ad alta velocità di un motore a flusso assiale coinvolge tipicamente i seguenti parametri e curve fondamentali.

1. Corrente caratteristica

La corrente caratteristica è definita come:

 dove  Ψm  è il collegamento del flusso del magnete permanente e  Ld  è l'induttanza dell'asse diretto.

Se la corrente caratteristica è inferiore alla corrente di uscita massima del controller, in teoria il motore può entrare nella regione di 'indebolimento di campo infinito', consentendo un'estensione a velocità molto elevata.
Se la corrente caratteristica è maggiore della corrente massima, significa che anche l'utilizzo di tutta la corrente per l'indebolimento del campo non è sufficiente per annullare il collegamento del flusso, limitando la capacità di estensione ad alta velocità.

La corrente caratteristica è l'indicatore più intuitivo per valutare il potenziale di indebolimento del campo.

2. Cerchio limite di tensione e cerchio limite di corrente

Sul piano vettoriale corrente, il funzionamento del motore è vincolato da due cerchi:

• Cerchio limite di corrente : determinato dalla corrente di uscita massima del controller;

• Cerchio limite di tensione : determinato dalla tensione del bus CC e dalla velocità corrente.

All'aumentare della velocità, il cerchio del limite di tensione si restringe. Il punto di lavoro del motore deve trovarsi all'interno dell'intersezione di questi due cerchi.

Un motore con una forte capacità di indebolimento del campo ha ancora un'area di intersezione sufficiente ad alta velocità per fornire una coppia utile.
Un motore con scarsa capacità di indebolimento del campo vede il cerchio del limite di tensione restringersi troppo rapidamente, comprimendo il punto operativo in una regione molto piccola, e la capacità di uscita diminuisce drasticamente.

3. Larghezza della regione a potenza costante

In ingegneria, la 'regione a potenza costante' viene spesso utilizzata per valutare la capacità di estensione ad alta velocità.
Una regione di potenza costante più ampia indica che il motore può mantenere una potenza relativamente elevata a velocità elevate, anziché subire un calo di coppia simile a un dirupo.

Se un motore a flusso assiale non è progettato adeguatamente per l’indebolimento di campo, la sua regione di potenza costante sarà notevolmente ristretta e la potenza all’estremità ad alta velocità diminuirà rapidamente.

4. Rapporto tra velocità massima e velocità nominale

Questo rapporto è anche chiamato 'rapporto di espansione della velocità di indebolimento del campo'.
Per i tipici motori di azionamento dei veicoli passeggeri, è desiderato un rapporto di espansione da 3 a 4 volte o più, ad esempio, valutato a 4.000 giri al minuto e massimo a 15.000-18.000 giri al minuto.
La possibilità che un motore a flusso assiale possa raggiungere questo livello dipende da una valutazione combinata di induttanza, collegamento del flusso, numero di coppie polari e capacità di tensione del controller.

5. Efficienza ad alta velocità e aumento della temperatura

L'indebolimento del campo non riguarda solo 'se può girare', ma anche 'quanto è efficiente quando lo fa'.
Se la corrente di indebolimento del campo è eccessivamente grande, la perdita di rame aumenta drammaticamente, portando a un forte aumento della temperatura ad alta velocità, che può persino causare una smagnetizzazione irreversibile dei magneti permanenti.

Pertanto, quando si valuta la capacità di indebolimento del campo, è essenziale esaminare anche il MAP di efficienza ad alta velocità e le prestazioni termiche, non solo i numeri di velocità.

IV. Come valutare nella pratica? Tre approcci

Approccio 1: Simulazione elettromagnetica

Durante la fase di progettazione, gli ingegneri in genere costruiscono un modello elettromagnetico del motore a flusso assiale utilizzando un software di simulazione agli elementi finiti.

Analizzando diverse velocità e vettori di corrente, si può ottenere quanto segue:

• Forma d'onda EMF posteriore;

• Induttanze ad asse diretto e ad asse in quadratura  Ld , Lq;

• Concatenamento di flusso  Ψm;

• Corrente caratteristica  Ich;

• Intersezione dell'ellisse del limite di tensione e del cerchio del limite di corrente;

• Curva teorica massima coppia-velocità;

• MAPPA dell’efficienza.

Questi dati possono riflettere in modo completo il potenziale di indebolimento di campo del motore.
Tuttavia, per ottenere risultati di simulazione accurati, il modello deve rappresentare fedelmente il flusso assiale e il flusso di dispersione, i percorsi del circuito magnetico 3D e le caratteristiche di saturazione. Di conseguenza, la simulazione dei motori a flusso assiale si basa maggiormente sull’analisi 3D degli elementi finiti rispetto ai motori radiali convenzionali.

Approccio 2: test al banco

La simulazione è solo teorica; in definitiva, sono necessarie misurazioni al banco.

I test al banco in genere includono:

• Misura del coefficiente EMF posteriore;

•  Misura dell'induttanza a diverse temperature;

• Curva caratteristica esterna coppia-velocità di picco;

• Capacità di potenza nominale continua;

• Tempo di funzionamento prolungato alla massima velocità;

• Efficienza e aumento della temperatura nella regione di indebolimento del campo ad alta velocità;

• Test di degrado delle prestazioni dopo la smagnetizzazione del magnete.

I più critici sono  l'aumento della temperatura nella regione di indebolimento di campo ad alta velocità  e  la capacità di funzionamento continuo. .
Molti prototipi di flusso assiale possono raggiungere velocità molto elevate in test di picco di breve durata, ma se si surriscaldano e si riducono dopo pochi minuti di funzionamento continuo, non possono essere considerati dotati di capacità di indebolimento di campo veramente qualificata.

Approccio 3: valutazione della corrispondenza della strategia di controllo

La capacità di indebolimento del campo dipende non solo dal motore stesso, ma anche dal controller e dagli algoritmi di controllo.

Le strategie di controllo comuni includono:

• MTPA (Coppia massima per Ampere);

• Controllo dell'indebolimento del campo;

• MTPV (coppia massima per tensione);

• Feedforward di tensione e disaccoppiamento di corrente nell'indebolimento di campo profondo.

La valutazione dovrebbe esaminare se la strategia di controllo può sfruttare appieno i limiti di tensione e corrente del motore a flusso assiale.
Se il corpo del motore ha un buon potenziale di indebolimento del campo ma l'algoritmo di controllo è inadeguato, alle alte velocità potrebbero verificarsi problemi come jitter, perdita di controllo o efficienza eccessivamente bassa.

V. Quali miglioramenti progettuali possono migliorare la capacità di indebolimento di campo ad alta velocità dei motori a flusso assiale?

Se la valutazione rivela una capacità di indebolimento del campo insufficiente, le indicazioni di miglioramento comuni includono:

1. Ottimizza l'induttanza dell'asse diretto

Aumentando opportunamente l'induttanza dell'asse diretto è possibile ridurre la corrente caratteristica e migliorare la capacità di indebolimento del campo.
Ciò può essere ottenuto aumentando il numero di coppie polari, regolando la geometria della fessura, ottimizzando la disposizione dell'avvolgimento, aumentando la larghezza del ponte magnetico, ecc.

Tuttavia, l’aumento dell’induttanza dell’asse diretto spesso entra in conflitto con la densità di coppia, quindi è necessaria un’ottimizzazione multi-obiettivo.

2. Ridurre moderatamente il collegamento del flusso

L'uso di magneti con una rimanenza leggermente inferiore ma una tolleranza alla temperatura più elevata, o la riduzione dello spessore del magnete, possono ridurre la forza elettromagnetica e la corrente caratteristica.
Il compromesso è una riduzione della coppia a bassa velocità, che deve essere valutata rispetto ai requisiti generali del sistema.

3. Aumentare il contributo della coppia di riluttanza

Aumentando il rapporto di salienza (differenza tra induttanze in quadratura e ad asse diretto), la coppia di riluttanza può assumere una quota maggiore di uscita, riducendo la dipendenza dal collegamento del flusso magnetico permanente.
In questo modo, nell'indebolimento di campo ad alta velocità, il collegamento del flusso occupa meno margine di tensione, facilitando l'estensione della velocità.

4. Adottare l'eccitazione ibrida o il flusso variabile

Questo è un approccio più avanzato.
L'incorporazione di avvolgimenti di campo o magneti a flusso variabile nella struttura del flusso assiale consente la riduzione attiva del flusso del traferro ad alta velocità, trasformando l''indebolimento del campo passivo' in 'indebolimento del campo attivo'.

Questo design può migliorare significativamente l'efficienza ad alta velocità e l'ampiezza della regione a potenza costante, ma aumenta la complessità strutturale e i costi.

5. Migliorare l'utilizzo della tensione del bus CC

Se il motore stesso ha una modesta capacità di indebolimento di campo, è anche possibile respingere il 'muro di tensione' aumentando il livello di tensione del controller, utilizzando inverter SiC, ottimizzando le strategie di modulazione, ecc., per fornire una tensione più efficace dalla stessa tensione del bus.

Ciò lascia più spazio per l’indebolimento del campo.

VI. Idee sbagliate comuni

Quando si valuta la capacità di indebolimento di campo ad alta velocità dei motori a flusso assiale, vale la pena notare diversi malintesi.

Idea sbagliata 1: guardare solo la velocità massima.

Una velocità massima elevata non significa necessariamente una forte capacità di indebolimento del campo: potrebbe trattarsi semplicemente di un aumento di velocità a breve termine senza una produzione di potenza utile sostenuta.

Idea sbagliata 2: credere che i motori a flusso assiale abbiano sempre uno scarso indebolimento di campo.

Come accennato in precedenza, il flusso assiale è un concetto topologico e le prestazioni specifiche di indebolimento del campo variano ampiamente. Alcuni motori a flusso assiale ad alte prestazioni possono persino superare motori comparabili a flusso radiale in termini di capacità di indebolimento del campo.

Idea sbagliata 3: ignorare gli effetti della temperatura.

Sia il collegamento del flusso magnetico permanente che la resistenza dell'avvolgimento variano con la temperatura. A temperature elevate, il collegamento del flusso diminuisce, alterando i requisiti di corrente di indebolimento del campo. La valutazione dovrebbe utilizzare parametri dello stato caldo, non solo dati dello stato freddo.

Idea sbagliata 4: trattare la velocità massima della simulazione come velocità effettiva utilizzabile.

Le simulazioni vengono spesso eseguite in condizioni ideali di tensione, corrente e temperatura. Nei test al banco effettivi, le non linearità del controller e la protezione termica limiteranno la regione pratica di indebolimento del campo.

VII. Conclusione

La capacità di indebolimento di campo ad alta velocità di un motore a flusso assiale è, in sostanza, un problema ingegneristico a livello di sistema.

Dipende non solo dalla progettazione elettromagnetica del corpo motore, ma anche dalla strategia di controllo, dalla capacità dell'inverter e dalla gestione termica.
La valutazione non dovrebbe basarsi solo su uno o due parametri; richiede invece un giudizio globale basato sulla corrente caratteristica, sui cerchi limite di tensione/corrente, sull'ampiezza della regione a potenza costante, sull'efficienza ad alta velocità, sull'aumento della temperatura e sulla capacità di funzionamento continuo.

Per gli ingegneri che mirano a spingere realmente i motori a flusso assiale in applicazioni di azionamento elettrico ad alta velocità,  la capacità di indebolimento del campo non è una questione di 'se esiste', ma piuttosto 'se il motore può estendere la velocità in modo sostenibile ed efficiente'.

In futuro, con i progressi nei nuovi materiali, nelle nuove topologie e nelle tecniche di ottimizzazione multifisica, le prestazioni dei motori a flusso assiale nella regione di indebolimento del campo ad alta velocità continueranno a migliorare.
E la valutazione accurata e sistematica della loro capacità di indebolimento del campo diventerà sempre più un anello fondamentale nello sviluppo della propulsione elettrica.