Bagaimana Untuk Menilai Keupayaan Pelemahan Medan Berkelajuan Tinggi Motor Fluks Paksi?

Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, motor fluks paksi telah mendapat daya tarikan yang semakin meningkat dalam komuniti pemacu elektrik. Ia dianggap oleh ramai orang sebagai salah satu arah yang mewakili untuk motor berprestasi tinggi generasi akan datang, terutamanya dalam aplikasi yang isipadu dan berat adalah kritikal—seperti motor dalam roda, dron, kereta sukan elektrik dan sistem hibrid. Struktur fluks paksi memang menawarkan kelebihan unik dalam senario ini.

Walau bagaimanapun, untuk benar-benar menggunakan motor fluks paksi dalam sistem pemacu elektrik berkelajuan tinggi, satu cabaran teknikal tidak dapat dielakkan:  Adakah keupayaan melemahkan medan berkelajuan tinggi mencukupi? Dan bagaimanakah ia harus dinilai?

I. Pertama, fahami: Mengapakah 'kelemahan medan' sentiasa diperlukan pada kelajuan tinggi?

Ciri asas motor segerak magnet kekal (PMSM) ialah EMF belakang meningkat dengan kelajuan.

EMF belakang boleh difahami secara ringkas sebagai voltan 'dijana' oleh motor itu sendiri semasa ia berputar. Apabila kelajuan meningkat ke titik tertentu, EMF belakang menghampiri atau bahkan melebihi voltan maksimum yang boleh dibekalkan oleh pengawal—iaitu, voltan bas DC. Pada ketika itu, motor tidak lagi boleh menyuntik arus atau meningkatkan kelajuan; ia disekat dengan berkesan oleh 'dinding voltan.'

Jadi apa yang boleh dilakukan?

Kaedahnya ialah:  secara aktif mengurangkan pautan fluks motor, iaitu, menjadikan medan magnet 'lebih lemah' , dengan itu menurunkan EMF belakang dan membebaskan ruang kepala voltan untuk kelajuan yang lebih tinggi. Inilah yang biasa kita panggil sebagai 'kawalan melemahkan medan.'

Analogi:
Basikal standard memerlukan nisbah gear yang besar untuk permulaan dan tork yang tinggi; jika anda mengekalkan nisbah yang besar itu pada kelajuan tinggi, kaki anda tidak dapat bersaing dengan irama. Kawalan melemahkan medan adalah seperti beralih kepada nisbah gear yang lebih kecil pada kelajuan tinggi, membolehkan kelajuan kenderaan terus meningkat manakala irama kaki anda kekal sama.

II. Keistimewaan motor fluks paksi dalam kelemahan medan

Motor fluks paksi bukanlah satu reka bentuk tetap, tetapi lebih kepada kategori topologi yang luas. Ciri umum mereka ialah fluks celah udara mengalir dalam arah paksi, bukannya secara jejari seperti dalam motor fluks jejari konvensional.

Struktur ini membawa kelebihan seperti ketumpatan tork yang tinggi, faktor bentuk rata, dan panjang paksi pendek, tetapi juga memperkenalkan beberapa ciri yang berkaitan dengan keupayaan melemahkan medan.

Salah satu faktor yang paling berpengaruh ialah:  banyak motor fluks paksi mempunyai kearuhan yang agak rendah.

Keupayaan melemahkan medan motor berkait rapat dengan nisbah kearuhan paksi langsung  Ld  kepada hubungan fluks  Ψm . Ringkasnya, semakin besar induktansi paksi langsung dan semakin kecil hubungan fluks, semakin mudah kelemahan medan dalam teori, dan semakin kuat keupayaan sambungan berkelajuan tinggi.

Banyak motor fluks paksi, dalam mengejar ketumpatan tork yang tinggi, mempunyai laluan magnet pendek dan belitan hujung pendek, menghasilkan kearuhan rendah secara semula jadi. Akibatnya, arus pelemahan medan yang lebih besar diperlukan untuk membatalkan hubungan fluks, yang membawa kepada peningkatan ketara dalam kehilangan tembaga pada kelajuan tinggi, penurunan kecekapan, dan mungkin juga keupayaan melemahkan medan yang tidak mencukupi.

Tetapi ambil perhatian:  tidak semua motor fluks paksi mempunyai prestasi melemahkan medan yang lemah.
Ia bergantung kepada reka bentuk tertentu. Contohnya, menggunakan magnet berbilang lapisan, meningkatkan nombor pasangan kutub, mengoptimumkan konfigurasi belitan, atau meningkatkan sumbangan tork keengganan semuanya boleh meningkatkan prestasi melemahkan medan.

Oleh itu, apabila menilai, seseorang tidak boleh hanya mengatakan 'motor fluks paksi sentiasa mempunyai kelemahan medan yang lemah'; ia mesti dinilai berdasarkan kes demi kes untuk setiap reka bentuk tertentu.

III. Apakah petunjuk utama untuk menilai keupayaan melemahkan medan?

Dalam amalan kejuruteraan, menilai keupayaan melemahkan medan berkelajuan tinggi bagi motor fluks paksi biasanya melibatkan parameter teras dan lengkung berikut.

1. Arus ciri

Arus ciri ditakrifkan sebagai:

 di mana  Ψm  ialah pautan fluks magnet kekal, dan  Ld  ialah kearuhan paksi langsung.

Jika arus ciri kurang daripada arus keluaran maksimum pengawal, maka motor secara teorinya boleh memasuki rantau 'melemah medan tak terhingga', membenarkan sambungan kelajuan yang sangat tinggi.
Jika arus ciri lebih besar daripada arus maksimum, ini bermakna walaupun menggunakan semua arus untuk melemahkan medan tidak mencukupi untuk membatalkan hubungan fluks, mengehadkan keupayaan sambungan berkelajuan tinggi.

Arus ciri ialah penunjuk paling intuitif untuk menilai potensi melemahkan medan.

2. Bulatan had voltan dan bulatan had arus

Pada satah vektor semasa, operasi motor dikekang oleh dua bulatan:

• Bulatan had semasa : ditentukan oleh arus keluaran maksimum pengawal;

• Bulatan had voltan : ditentukan oleh voltan bas DC dan kelajuan semasa.

Apabila kelajuan meningkat, bulatan had voltan mengecut. Titik kendalian motor mesti terletak dalam persimpangan kedua-dua bulatan ini.

Motor dengan keupayaan melemahkan medan yang kuat masih mempunyai kawasan persimpangan yang mencukupi pada kelajuan tinggi untuk memberikan tork yang berguna.
Motor dengan keupayaan melemahkan medan yang lemah melihat bulatan had voltan mengecut terlalu cepat, memerah titik operasi ke kawasan yang sangat kecil, dan keupayaan output menurun dengan mendadak.

3. Lebar kawasan kuasa malar

Dalam kejuruteraan, 'rantau kuasa malar' sering digunakan untuk menilai keupayaan sambungan berkelajuan tinggi.
Kawasan kuasa malar yang lebih luas menunjukkan bahawa motor boleh mengekalkan output kuasa yang agak tinggi pada kelajuan tinggi, dan bukannya mengalami penurunan tork seperti tebing.

Jika motor fluks paksi direka dengan buruk untuk medan lemah, kawasan kuasa malarnya akan menjadi sempit dengan ketara, dan kuasa pada hujung kelajuan tinggi akan jatuh dengan cepat.

4. Nisbah kelajuan maksimum kepada kelajuan undian

Nisbah ini juga dipanggil 'nisbah pengembangan kelajuan melemahkan medan.'
Untuk motor pemacu kenderaan penumpang biasa, nisbah pengembangan 3 hingga 4 kali atau lebih diingini—contohnya, dinilai pada 4000 rpm dan maksimum pada 15000–18000 rpm.
Sama ada motor fluks paksi boleh mencapai tahap ini bergantung pada penilaian gabungan kearuhan, hubungan fluks, nombor pasangan kutub dan keupayaan voltan pengawal.

5. Kecekapan berkelajuan tinggi dan kenaikan suhu

Pelemahan medan bukan hanya mengenai 'sama ada ia boleh berputar,' tetapi juga 'seberapa cekapnya apabila ia berlaku.'
Jika arus pelemahan medan terlalu besar, kehilangan kuprum meningkat secara mendadak, membawa kepada kenaikan suhu yang teruk pada kelajuan tinggi, yang mungkin menyebabkan penyahmagnetan tidak dapat dipulihkan bagi magnet kekal.

Oleh itu, apabila menilai keupayaan melemahkan medan, adalah penting untuk juga memeriksa MAP kecekapan berkelajuan tinggi dan prestasi terma—bukan hanya nombor kelajuan.

IV. Bagaimana untuk menilai dalam amalan? Tiga pendekatan

Pendekatan 1: Simulasi elektromagnet

Semasa fasa reka bentuk, jurutera biasanya membina model elektromagnet motor fluks paksi menggunakan perisian simulasi unsur terhingga.

Dengan menyapu kelajuan dan vektor semasa yang berbeza, perkara berikut boleh diperolehi:

• Bentuk gelombang EMF belakang;

• Kearuhan paksi-terus dan paksi-kuadrat  Ld , Lq;

• Hubungan fluks  Ψm;

• Ciri semasa  Ich;

• Persilangan elips had voltan dan bulatan had arus;

• Keluk kelajuan tork maksimum teori;

• PETA Kecekapan.

Data ini secara menyeluruh boleh mencerminkan potensi melemahkan medan motor.
Walau bagaimanapun, untuk hasil simulasi yang tepat, model mesti mewakili fluks kebocoran akhir fluks paksi, laluan litar magnet 3D dan ciri tepu dengan tepat. Akibatnya, simulasi motor fluks paksi lebih banyak bergantung pada analisis unsur terhingga 3D berbanding dengan motor jejarian konvensional.

Pendekatan 2: Ujian bangku

Simulasi hanyalah teori; akhirnya, ukuran bangku diperlukan.

Ujian bangku biasanya termasuk:

• Pengukuran pekali EMF belakang;

•  Pengukuran induktansi pada suhu yang berbeza;

• Keluk ciri luaran kelajuan tork puncak;

• Keupayaan output kuasa undian berterusan;

• Masa operasi yang berterusan pada kelajuan maksimum;

• Kecekapan dan kenaikan suhu di kawasan yang melemahkan medan berkelajuan tinggi;

• Ujian degradasi prestasi selepas penyahmagnetan magnet.

Yang paling kritikal ialah  kenaikan suhu di kawasan pelemahan medan berkelajuan tinggi  dan  keupayaan operasi berterusan .
Banyak prototaip fluks paksi boleh mencapai kelajuan yang sangat tinggi dalam ujian puncak jangka pendek, tetapi jika ia terlalu panas dan berkurangan selepas beberapa minit operasi berterusan, ia tidak boleh dianggap sebagai mempunyai keupayaan melemahkan medan yang benar-benar layak.

Pendekatan 3: Kawal penilaian padanan strategi

Keupayaan melemahkan medan bergantung bukan sahaja pada motor itu sendiri, tetapi juga pada algoritma pengawal dan kawalan.

Strategi kawalan biasa termasuk:

• MTPA (Tork Maksimum setiap Ampere);

• Kawalan melemahkan medan;

• MTPV (Tork Maksimum setiap Voltan);

• Voltan suapan hadapan dan penyahgandingan arus dalam kelemahan medan dalam.

Penilaian harus meneliti sama ada strategi kawalan boleh mengeksploitasi sepenuhnya voltan dan had arus motor fluks paksi.
Jika badan motor mempunyai potensi melemahkan medan yang baik tetapi algoritma kawalan tidak mencukupi, isu seperti kegelisahan, kehilangan kawalan atau kecekapan yang terlalu rendah mungkin berlaku pada kelajuan tinggi.

V. Penambahbaikan reka bentuk yang manakah boleh meningkatkan keupayaan melemahkan medan berkelajuan tinggi bagi motor fluks paksi?

Jika penilaian mendedahkan keupayaan melemahkan bidang yang tidak mencukupi, arahan peningkatan biasa termasuk:

1. Optimumkan kearuhan paksi terus

Meningkatkan kearuhan paksi langsung yang sesuai boleh merendahkan arus ciri dan meningkatkan keupayaan melemahkan medan.
Ini boleh dicapai dengan meningkatkan nombor pasangan tiang, melaraskan geometri slot, mengoptimumkan susun atur belitan, meningkatkan lebar jambatan magnetik, dsb.

Walau bagaimanapun, peningkatan kearuhan paksi langsung sering bercanggah dengan ketumpatan tork, jadi pengoptimuman berbilang objektif diperlukan.

2. Kurangkan hubungan fluks secara sederhana

Menggunakan magnet dengan remanen yang lebih rendah sedikit tetapi toleransi suhu yang lebih tinggi, atau mengurangkan ketebalan magnet, boleh merendahkan EMF belakang dan arus ciri.
Tukar ganti ialah pengurangan tork berkelajuan rendah, yang perlu ditimbang dengan keperluan sistem keseluruhan.

3. Meningkatkan sumbangan tork keengganan

Dengan meningkatkan nisbah saliency (perbezaan antara kuadratur dan induktans paksi langsung), tork keengganan boleh mengambil bahagian keluaran yang lebih besar, mengurangkan pergantungan pada hubungan fluks magnet kekal.
Dengan cara ini, pada kelemahan medan berkelajuan tinggi, rangkaian fluks menduduki ruang kepala voltan yang kurang, menjadikan sambungan kelajuan lebih mudah.

4. Mengamalkan pengujaan hibrid atau fluks berubah

Ini adalah pendekatan yang lebih maju.
Menggabungkan belitan medan atau magnet fluks berubah-ubah dalam struktur fluks paksi membolehkan pengurangan aktif fluks jurang udara pada kelajuan tinggi, mengubah 'melemah medan pasif' kepada 'melemah medan aktif.'

Reka bentuk ini boleh meningkatkan kecekapan berkelajuan tinggi dengan ketara dan lebar wilayah kuasa malar, tetapi meningkatkan kerumitan dan kos struktur.

5. Meningkatkan penggunaan voltan bas DC

Jika motor itu sendiri mempunyai keupayaan melemahkan medan yang sederhana, anda juga boleh menolak 'dinding voltan' dengan menaikkan paras voltan pengawal, menggunakan penyongsang SiC, mengoptimumkan strategi modulasi, dsb., untuk menyampaikan voltan yang lebih berkesan daripada voltan bas yang sama.

Ini meninggalkan lebih banyak ruang untuk melemahkan medan.

VI. Kesalahpahaman biasa

Apabila menilai keupayaan melemahkan medan berkelajuan tinggi bagi motor fluks paksi, beberapa salah tanggapan perlu diberi perhatian.

Salah tanggapan 1: Hanya melihat pada kelajuan maksimum.

Kelajuan maksimum yang tinggi tidak semestinya bermakna keupayaan melemahkan medan yang kuat—ia mungkin hanya letusan kelajuan jangka pendek tanpa output kuasa berguna yang berterusan.

Salah tanggapan 2: Percaya bahawa motor fluks paksi sentiasa mengalami kelemahan medan yang lemah.

Seperti yang dinyatakan sebelum ini, fluks paksi ialah konsep topologi, dan prestasi melemahkan medan tertentu berbeza-beza secara meluas. Sesetengah motor fluks paksi berprestasi tinggi malah boleh mengatasi prestasi motor fluks jejarian yang setanding dalam keupayaan melemahkan medan.

Salah tanggapan 3: Mengabaikan kesan suhu.

Kedua-dua kaitan fluks magnet kekal dan rintangan belitan berbeza mengikut suhu. Pada suhu tinggi, kaitan fluks berkurangan, mengubah keperluan semasa yang melemahkan medan. Penilaian harus menggunakan parameter keadaan panas, bukan hanya data keadaan sejuk.

Salah tanggapan 4: Menganggap kelajuan maksimum simulasi sebagai kelajuan boleh guna sebenar.

Simulasi selalunya dijalankan di bawah keadaan voltan, arus dan suhu yang ideal. Dalam ujian bangku sebenar, ketaklinieran pengawal dan perlindungan terma akan mengehadkan kawasan praktikal yang melemahkan medan.

VII. Kesimpulan

Keupayaan melemahkan medan berkelajuan tinggi bagi motor fluks paksi adalah, pada dasarnya, masalah kejuruteraan peringkat sistem.

Ia bergantung bukan sahaja pada reka bentuk elektromagnet badan motor, tetapi juga pada strategi kawalan, keupayaan penyongsang, dan pengurusan haba.
Penilaian tidak seharusnya bergantung pada satu atau dua parameter sahaja; sebaliknya, ia memerlukan pertimbangan yang komprehensif berdasarkan arus ciri, bulatan had voltan/arus, lebar kawasan kuasa malar, kecekapan berkelajuan tinggi, kenaikan suhu dan keupayaan operasi berterusan.

Bagi jurutera yang bertujuan untuk benar-benar menolak motor fluks paksi ke dalam aplikasi pemacu elektrik berkelajuan tinggi,  keupayaan melemahkan medan bukanlah soal 'sama ada ia wujud,' tetapi lebih kepada 'sama ada motor boleh memanjangkan kelajuan secara mampan dan cekap.'

Pada masa hadapan, dengan kemajuan dalam bahan baharu, topologi baharu dan teknik pengoptimuman berbilang fizik, prestasi motor fluks paksi di kawasan melemah medan berkelajuan tinggi akan terus bertambah baik.
Dan menilai dengan tepat dan sistematik keupayaan melemahkan medan mereka akan semakin menjadi pautan kritikal dalam pembangunan pemacu elektrik.