Осьтік ағынды қозғалтқыштардың жоғары жылдамдықты өрісті әлсірету мүмкіндігін қалай бағалауға болады?

Соңғы жылдары, осьтік ағынды қозғалтқыштар электр жетектер қауымдастығында ұлғаймалы тартымдылыққа ие болды. Оларды көптеген адамдар жаңа буын жоғары өнімді қозғалтқыштар үшін өкілдік бағыттардың бірі ретінде қарастырады, әсіресе көлем мен салмақ маңызды болып табылатын қолданбаларда, мысалы, доңғалақ қозғалтқыштары, дрондар, электрлік спорт машиналары және гибридті жүйелер. Осьтік ағынның құрылымы осы сценарийлерде бірегей артықшылықтарды ұсынады.

Дегенмен, жоғары жылдамдықты электр жетек жүйелерінде осьтік ағынды қозғалтқыштарды шынымен қолдану үшін бір техникалық қиындықты болдырмауға болмайды:  жоғары жылдамдықтағы өрісті әлсірету мүмкіндігі жеткілікті ме? Және оны қалай бағалау керек?

I. Алдымен түсініңіз: «өрісті әлсірету» әрқашан жоғары жылдамдықта не үшін қажет?

Тұрақты магнитті синхронды қозғалтқыштардың (PMSMs) негізгі сипаттамасы артқы ЭҚК жылдамдықпен артады.

Артқы ЭҚК деп қарапайым түрде қозғалтқыштың айналуы кезіндегі 'генерацияланған' кернеуді түсінуге болады. Жылдамдық белгілі бір нүктеге көтерілгенде, артқы ЭҚК контроллер бере алатын максималды кернеуге жақындайды немесе одан да асып түседі, яғни тұрақты ток шинасының кернеуі. Бұл кезде қозғалтқыш енді ток енгізе алмайды немесе жылдамдықты арттыра алмайды; ол 'кернеу қабырғасы' арқылы тиімді түрде жабылады.

Сонымен не істеуге болады?

Әдіс мынада:  қозғалтқыштың ағынының байланысын белсенді түрде азайту, яғни магнит өрісін 'әлсіреу' , осылайша артқы ЭҚК-ні төмендету және жоғары жылдамдықтар үшін кернеудің жоғары деңгейін босату. Мұны біз әдетте 'өрісті әлсірететін басқару' деп атаймыз.

Аналогия:
Стандартты велосипедке іске қосу үшін үлкен беріліс қатынасы және жоғары айналу моменті қажет; егер сіз осы үлкен қатынасты жоғары жылдамдықта сақтасаңыз, сіздің аяқтарыңыз каденске төтеп бере алмайды. Өрісті әлсіретуді басқару жоғары жылдамдықта кішірек беріліс қатынасына ауысуға ұқсайды, бұл сіздің аяғыңыздың каденциясы өзгеріссіз қалған кезде көлік жылдамдығын арттыруға мүмкіндік береді.

II. Өрістің әлсіреуіндегі осьтік ағынды қозғалтқыштардың ерекшеліктері

Осьтік ағынды қозғалтқыштар жалғыз бекітілген конструкция емес, топологиялардың кең категориясы болып табылады. Олардың ортақ ерекшелігі - ауа ағыны ағынының әдеттегі радиалды ағынды қозғалтқыштардағыдай радиалды емес, осьтік бағытта ағуы.

Бұл құрылым жоғары айналу моментінің тығыздығы, жалпақ пішін факторы және қысқа осьтік ұзындық сияқты артықшылықтар береді, сонымен қатар өрісті әлсірету мүмкіндігіне қатысты кейбір сипаттамаларды енгізеді.

Ең әсер ететін факторлардың бірі:  көптеген осьтік ағынды қозғалтқыштар салыстырмалы түрде төмен индуктивтілікке ие.

Қозғалтқыштың өрісті әлсірету қабілеті тікелей осьтің  Ld индуктивтілігінің  ағынының байланысына қатынасымен тығыз байланысты  Ψm . Қарапайым сөзбен айтқанда, тікелей осьтің индуктивтілігі неғұрлым үлкен және ағынның байланысы неғұрлым аз болса, өрістің әлсіреуі теориялық тұрғыдан оңайырақ болады және жоғары жылдамдықты ұзарту мүмкіндігі соғұрлым күшті болады.

Көптеген осьтік ағынды қозғалтқыштар жоғары айналу моменті тығыздығына ұмтылып, қысқа магниттік жолдарға және қысқа орамдарға ие, нәтижесінде табиғи түрде төмен индуктивті болады. Демек, ағынның байланысын жою үшін үлкен өріс әлсірету тогы қажет, бұл жоғары жылдамдықта мыстың жоғалуының айтарлықтай артуына, тиімділіктің төмендеуіне және мүмкін, тіпті өрісті әлсірету мүмкіндігінің жеткіліксіздігіне әкеледі.

Бірақ назар аударыңыз:  осьтік ағынды қозғалтқыштардың барлығында өріс әлсіреу өнімділігі нашар емес.
Бұл нақты дизайнға байланысты. Мысалы, көп қабатты магниттерді пайдалану, полюс жұптарының санын көбейту, орам конфигурацияларын оңтайландыру немесе қарсылық моментінің үлесін арттыру өрісті әлсірету өнімділігін жақсартады.

Сондықтан, бағалау кезінде жай ғана 'осьтік ағынды қозғалтқыштар әрқашан әлсіз өріс әлсіреуі ' деп айтуға болмайды; ол әрбір нақты дизайн үшін жеке жағдайда бағалануы керек.

III. Өрістің әлсіреу мүмкіндігін бағалаудың негізгі көрсеткіштері қандай?

Инженерлік тәжірибеде осьтік ағынды қозғалтқыштың жоғары жылдамдықты өрісті әлсірету мүмкіндігін бағалау әдетте келесі негізгі параметрлер мен қисықтарды қамтиды.

1. Сипаттамалық ток

Сипаттамалық ток былай анықталады:

 мұндағы  Ψm  – тұрақты магнит ағынының байланысы, ал  Ld  – тікелей осьтің индуктивтілігі.

Егер сипаттамалық ток контроллердің максималды шығыс токынан аз болса, онда қозғалтқыш теориялық тұрғыдан өте жоғары жылдамдықты ұзартуға мүмкіндік беретін 'шексіз өріс әлсіреу' аймағына енеді.
Егер сипаттамалық ток максималды токтан үлкен болса, бұл өрісті әлсірету үшін барлық токты пайдаланудың өзі жоғары жылдамдықты ұзарту мүмкіндігін шектейтін ағынның байланысын жою үшін жеткіліксіз екенін білдіреді.

Сипаттамалық ток өрістің әлсіреу потенциалын бағалаудың ең интуитивті көрсеткіші болып табылады.

2. Кернеудің шекті шеңбері және ток шекті шеңбері

Ағымдағы векторлық жазықтықта қозғалтқыштың жұмысы екі шеңбермен шектеледі:

• Ток шекті шеңбері : контроллердің максималды шығыс тогы арқылы анықталады;

• Кернеудің шекті шеңбері : тұрақты шинаның кернеуі мен ток жылдамдығымен анықталады.

Жылдамдық артқан сайын кернеудің шекті шеңбері қысқарады. Қозғалтқыштың жұмыс нүктесі осы екі шеңбердің қиылысында орналасуы керек.

Күшті өрісті әлсірету мүмкіндігі бар қозғалтқыш пайдалы моментті жеткізу үшін жоғары жылдамдықта әлі де жеткілікті қиылысу аймағына ие.
Өрісті әлсірету қабілеті нашар қозғалтқыш кернеудің шекті шеңберінің тым тез қысқаруын көреді, жұмыс нүктесін өте кішкентай аймаққа қысады және шығару мүмкіндігі күрт төмендейді.

3. Тұрақты қуат аймағының ені

Техникада жоғары жылдамдықты кеңейту мүмкіндігін бағалау үшін 'тұрақты қуат аймағы' жиі пайдаланылады.
Тұрақты қуат аймағы неғұрлым кең болса, қозғалтқыш айналу моментінің жартас тәрізді құлдырауын сезінбей, жоғары жылдамдықта салыстырмалы жоғары қуат шығысын сақтай алатындығын көрсетеді.

Егер осьтік ағын қозғалтқышы өрісті әлсірету үшін нашар жобаланса, оның тұрақты қуат аймағы айтарлықтай тар болады және жоғары жылдамдықтағы қуат тез төмендейді.

4. Максималды жылдамдықтың номиналды жылдамдыққа қатынасы

Бұл қатынас «өрістің әлсіреу жылдамдығын кеңейту коэффициенті» деп те аталады.
Әдеттегі жолаушылар көлігі қозғалтқыштары үшін 3-4 есе немесе одан да көп кеңейту коэффициенті қажет, мысалы, 4000 айн/мин және ең көбі 15000–18000 айн/мин.
Осьтік ағын қозғалтқышының осы деңгейге жете алатындығы индуктивтіліктің, ағынның байланысының, полюс жұптарының санының және контроллердің кернеу мүмкіндігін біріктірілген бағалауға байланысты.

5. Жоғары жылдамдықты тиімділік пен температураның жоғарылауы

Өрістің әлсіреуі 'оның айналуы мүмкін бе' ғана емес, сонымен қатар 'оның айналу кезінде қаншалықты тиімді болатыны'.
Егер өрісті әлсірететін ток шамадан тыс үлкен болса, мыстың жоғалуы күрт артып, жоғары жылдамдықта температураның күрт көтерілуіне әкеледі, бұл тіпті тұрақты магниттердің қайтымсыз магнитсізденуін тудыруы мүмкін.

Сондықтан өрісті әлсірету мүмкіндігін бағалау кезінде жылдамдық сандарын ғана емес, жоғары жылдамдықты тиімділік MAP және жылу өнімділігін де тексеру қажет.

IV. Іс жүзінде қалай бағалауға болады? Үш тәсіл

1-тәсіл: Электромагниттік модельдеу

Жобалау кезеңінде инженерлер әдетте соңғы элементтерді модельдеу бағдарламалық құралын пайдалана отырып, осьтік ағын қозғалтқышының электромагниттік үлгісін жасайды.

Әртүрлі жылдамдықтар мен ток векторларын сыпыру арқылы келесіні алуға болады:

• Артқы EMF толқын пішіні;

• Тура ось және квадрат ось индуктивтілігі  Ld , Lq;

• Ағын байланысы  Ψm;

• Типтік ток  Ich;

• Кернеудің шекті эллипсі мен ток шекті шеңберінің қиылысуы;

• Теориялық максималды айналу моменті-жылдамдық қисығы;

• Тиімділік картасы.

Бұл деректер қозғалтқыштың өрісті әлсірету әлеуетін жан-жақты көрсете алады.
Дегенмен, дәл модельдеу нәтижелері үшін модель осьтік ағынның ақырғы ағып кету ағынын, 3D магниттік тізбек жолдарын және қанықтылық сипаттамаларын шынайы көрсетуі керек. Нәтижесінде осьтік ағынды қозғалтқыштарды модельдеу әдеттегі радиалды қозғалтқыштармен салыстырғанда 3D соңғы элементтерді талдауға көбірек сүйенеді.

2-тәсіл: стендтік тестілеу

Модельдеу тек теориялық; сайып келгенде, стендтік өлшемдер қажет.

Стендтік сынақтар әдетте мыналарды қамтиды:

• Артқы ЭҚК коэффициентін өлшеу;

•  Әртүрлі температурадағы индуктивтілікті өлшеу;

• Ең жоғары айналу моменті-жылдамдық сыртқы сипаттамалық қисық;

• Үздіксіз номиналды қуатты шығару мүмкіндігі;

• Максималды жылдамдықта тұрақты жұмыс уақыты;

• Жоғары жылдамдықтағы кен орнының әлсіреу аймағындағы тиімділік пен температураның жоғарылауы;

• Магнитсіздендіруден кейінгі өнімділіктің нашарлау сынағы.

Ең маңыздысы  жоғары жылдамдықтағы өрістің әлсіреу аймағындағы температураның жоғарылауы  және  үздіксіз жұмыс істеу мүмкіндігі болып табылады .
. Көптеген осьтік ағынның прототиптері қысқа мерзімді шыңдық сынақтарда өте жоғары жылдамдықтарға жетуі мүмкін, бірақ олар бірнеше минут үздіксіз жұмыс істегеннен кейін қызып кетсе және азайса, оларды шын мәнінде білікті өрісті әлсірету мүмкіндігі бар деп санауға болмайды.

3-тәсіл: Бақылау стратегиясының сәйкестігін бағалау

Өрісті әлсірету мүмкіндігі қозғалтқыштың өзіне ғана емес, сонымен қатар контроллер мен басқару алгоритмдеріне де байланысты.

Жалпы бақылау стратегияларына мыналар жатады:

• MTPA (Амперге шаққанда максималды момент);

• Өрістің әлсіреуін бақылау;

• MTPV (кернеудің максималды моменті);

• Терең өрісті әлсіретудегі кернеуді алға беру және токты ажырату.

Бағалау басқару стратегиясының осьтік ағын қозғалтқышының кернеуі мен ток шектерін толығымен пайдалана алатынын тексеру керек.
Қозғалтқыш корпусының өрісті әлсірету әлеуеті жақсы болса, бірақ басқару алгоритмі жеткіліксіз болса, жоғары жылдамдықта діріл, басқаруды жоғалту немесе тым төмен тиімділік сияқты мәселелер туындауы мүмкін.

V. Қандай дизайн жақсартулары осьтік ағынды қозғалтқыштардың жоғары жылдамдықты өрісті әлсірету мүмкіндігін күшейте алады?

Егер бағалау өрісті әлсірету мүмкіндігінің жеткіліксіздігін анықтаса, жалпы жақсарту бағыттары мыналарды қамтиды:

1. Тура ось индуктивтілігін оңтайландыру

Тікелей осьтің индуктивтілігін тиісті түрде арттыру сипаттамалық токты төмендетеді және өрісті әлсірету мүмкіндігін арттырады.
Бұған полюс жұбының санын көбейту, ұяшық геометриясын реттеу, орамалардың орналасуын оңтайландыру, магниттік көпір енін арттыру және т.б. арқылы қол жеткізуге болады.

Дегенмен, тікелей осьтің индуктивтілігін арттыру жиі моменттің тығыздығына қайшы келеді, сондықтан көп мақсатты оңтайландыру қажет.

2. Ағынның байланысын қалыпты түрде азайтыңыз

Сәл төменірек, бірақ температураға төзімділігі жоғары магниттерді пайдалану немесе магнит қалыңдығын азайту ЭҚК мен тән токты төмендетуі мүмкін.
Сауда - бұл жалпы жүйе талаптарымен салыстыру қажет төмен жылдамдық моментінің төмендеуі.

3. Құлықсыз момент үлесін арттыру

Сәулелендіру коэффициентін арттыру арқылы (квадратура және тікелей осьтік индуктивтіліктер арасындағы айырмашылық) қарсылық моменті шығыстың үлкен үлесін қабылдай алады, тұрақты магнит ағынының байланысына тәуелділікті азайтады.
Осылайша, жоғары жылдамдықты өрістің әлсіреуі кезінде ағынның байланысы аз кернеуді алады, бұл жылдамдықты ұзартуды жеңілдетеді.

4. Гибридті қозуды немесе айнымалы ағынды қабылдаңыз

Бұл неғұрлым жетілдірілген тәсіл.
Осьтік ағынның құрылымына өріс орамдарын немесе ауыспалы магниттерді қосу ауа ағынының жоғары жылдамдықпен белсенді төмендеуіне мүмкіндік береді, бұл 'өрістің пассивті әлсіреуін' 'белсенді өрістің әлсіреуіне' айналдырады.

Бұл дизайн жоғары жылдамдықты тиімділікті және тұрақты қуат аймағының енін айтарлықтай жақсарта алады, бірақ құрылымдық күрделілік пен шығынды арттырады.

5. Тұрақты ток шинасының кернеуін пайдалануды жақсарту

Қозғалтқыштың өзі қарапайым өрісті әлсірету мүмкіндігіне ие болса, сол шина кернеуінен тиімдірек кернеуді жеткізу үшін SiC инверторларын пайдалану, модуляция стратегияларын оңтайландыру және т.б. арқылы контроллердің кернеу деңгейін көтеру арқылы 'кернеу қабырғасын' кері итеруге болады.

Бұл өрісті әлсірету үшін көбірек бос орын қалдырады.

VI. Жалпы қате түсініктер

Осьтік ағынды қозғалтқыштардың жоғары жылдамдықты өрісті әлсірету қабілетін бағалау кезінде бірнеше қате түсініктерді атап өту керек.

1-қате түсінік: Тек максималды жылдамдыққа қарау.

Жоғары максималды жылдамдық міндетті түрде күшті өрісті әлсірету мүмкіндігін білдірмейді - бұл тұрақты пайдалы қуат шығысынсыз қысқа мерзімді жылдамдықты бұзу болуы мүмкін.

2-қате түсінік: осьтік ағынды қозғалтқыштар әрқашан өрістің нашар әлсіреуіне сену.

Бұрын айтылғандай, осьтік ағын топологиялық түсінік болып табылады және өрістің әлсіреуінің нақты өнімділігі әр түрлі болады. Кейбір жоғары өнімді осьтік ағынды қозғалтқыштар өрісті әлсірету қабілетінде салыстырмалы радиалды ағын қозғалтқыштарынан да асып түседі.

3-қате түсінік: Температура әсерлерін елемеу.

Тұрақты магнит ағынының байланысы да, орамның кедергісі де температураға байланысты өзгереді. Жоғары температурада ағынның байланысы азаяды, бұл өрісті әлсірететін ток талаптарын өзгертеді. Бағалау тек суық күй деректерін емес, ыстық күй параметрлерін пайдалануы керек.

4-жаңа түсінік: модельдеу максималды жылдамдығын нақты қолданылатын жылдамдық ретінде қарастыру.

Модельдеу жиі идеалды кернеу, ток және температура жағдайында орындалады. Нақты стендтік сынақта контроллердің сызықты еместігі және термиялық қорғаныс практикалық өрістің әлсіреу аймағын шектейді.

VII. Қорытынды

Осьтік ағынды қозғалтқыштың жоғары жылдамдықтағы өрісті әлсірету мүмкіндігі, мәні бойынша, жүйе деңгейіндегі инженерлік мәселе болып табылады.

Бұл қозғалтқыш корпусының электромагниттік дизайнына ғана емес, сонымен қатар басқару стратегиясына, инвертор мүмкіндігіне және жылуды басқаруға байланысты.
Бағалау тек бір немесе екі параметрге сүйенбеуі керек; оның орнына ол сипаттамалық токқа, кернеу/ток шекті шеңберлеріне, тұрақты қуат аймағының еніне, жоғары жылдамдықты тиімділікке, температураның көтерілуіне және үздіксіз жұмыс істеу мүмкіндігіне негізделген жан-жақты пайымдауды қажет етеді.

Осьтік ағынды қозғалтқыштарды жоғары жылдамдықты электр жетегі қолданбаларына шынымен итермелеуді мақсат ететін инженерлер үшін  өрісті әлсірету мүмкіндігі «оның бар-жоғы» емес, «қозғалтқыштың жылдамдықты тұрақты және тиімді түрде арттыра алатындығы» мәселесі болып табылады.

Болашақта жаңа материалдардағы, жаңа топологиялардағы және көп физикалы оңтайландыру әдістерінің жетістіктерімен жоғары жылдамдықтағы өріс әлсіреу аймағындағы осьтік ағынды қозғалтқыштардың өнімділігі жақсара береді.
Және олардың өрісті әлсірету қабілетін дәл және жүйелі түрде бағалау электр жетектерін дамытудағы маңызды буынға айналады.