Hoe evalueer ik het snelle veldverzwakkende vermogen van axiale fluxmotoren?

In de afgelopen jaren Axiale fluxmotoren hebben steeds meer grip gekregen in de elektrische aandrijfgemeenschap. Ze worden door velen beschouwd als een van de representatieve richtingen voor de volgende generatie krachtige motoren, vooral in toepassingen waar volume en gewicht van cruciaal belang zijn, zoals wielmotoren, drones, elektrische sportwagens en hybride systemen. De axiale fluxstructuur biedt in deze scenario's unieke voordelen.

Om axiale fluxmotoren echt toe te passen in snelle elektrische aandrijfsystemen is één technische uitdaging echter onvermijdelijk:  is het veldverzwakkingsvermogen bij hoge snelheid voldoende? En hoe moet dit beoordeeld worden?

I. Begrijp eerst: waarom is 'veldverzwakking' altijd nodig bij hoge snelheid?

Een fundamenteel kenmerk van synchrone motoren met permanente magneten (PMSM's) is dat de tegen-EMK toeneemt met de snelheid.

Tegen-EMK kan eenvoudigweg worden opgevat als de spanning die door de motor zelf wordt gegenereerd terwijl deze draait. Wanneer de snelheid tot een bepaald punt stijgt, benadert de tegen-EMK de maximale spanning die de controller kan leveren, of overschrijdt deze zelfs, oftewel de DC-busspanning. Op dat moment kan de motor niet langer stroom injecteren of de snelheid verhogen; het wordt effectief geblokkeerd door een 'spanningsmuur'.

Dus wat kan er gedaan worden?

De methode is:  verminder actief de fluxkoppeling van de motor, dwz maak het magnetische veld 'zwakker' , waardoor de tegen-EMK wordt verlaagd en er spanningsruimte vrijkomt voor hogere snelheden. Dit is wat we gewoonlijk 'veldverzwakkende controle' noemen.

Een analogie:
een standaardfiets heeft een grote overbrengingsverhouding nodig om te starten en een hoog koppel; als je op hoge snelheid die grote verhouding aanhoudt, kunnen je benen de cadans niet bijhouden. Veldverzwakkende controle is als het overschakelen naar een kleinere overbrengingsverhouding bij hoge snelheid, waardoor de voertuigsnelheid blijft toenemen terwijl uw beencadans hetzelfde blijft.

II. De bijzonderheden van axiale fluxmotoren bij veldverzwakking

Axiale fluxmotoren vormen geen enkel vast ontwerp, maar eerder een brede categorie van topologieën. Hun gemeenschappelijke kenmerk is dat de luchtspleetflux in axiale richting stroomt, in plaats van radiaal zoals bij conventionele radiale fluxmotoren.

Deze structuur biedt voordelen zoals een hoge koppeldichtheid, een platte vormfactor en een korte axiale lengte, maar introduceert ook enkele kenmerken die relevant zijn voor het veldverzwakkingsvermogen.

Een van de meest invloedrijke factoren is:  veel axiale fluxmotoren hebben een relatief lage inductantie.

Het veldverzwakkingsvermogen van een motor hangt nauw samen met de verhouding van de inductantie  Ld op de directe as  tot de fluxkoppeling  Ψm . Simpel gezegd: hoe groter de inductantie op de directe as en hoe kleiner de fluxkoppeling, hoe gemakkelijker veldverzwakking in theorie wordt, en hoe sterker het snelle uitbreidingsvermogen.

Veel axiale fluxmotoren, die een hoge koppeldichtheid nastreven, hebben korte magnetische paden en korte eindwikkelingen, wat resulteert in een van nature lage inductantie. Bijgevolg is er een grotere veldverzwakkingsstroom nodig om de fluxkoppeling op te heffen, wat leidt tot een aanzienlijke toename van het koperverlies bij hoge snelheid, een daling van de efficiëntie en mogelijk zelfs onvoldoende veldverzwakkingsvermogen.

Maar let op:  niet alle axiale fluxmotoren hebben slechte veldverzwakkingsprestaties.
Het hangt af van het specifieke ontwerp. Het gebruik van meerlaagse magneten, het verhogen van het aantal poolparen, het optimaliseren van wikkelingsconfiguraties of het vergroten van de bijdrage van het weerstandskoppel kunnen bijvoorbeeld allemaal de veldverzwakkingsprestaties verbeteren.

Daarom kan men bij de evaluatie niet eenvoudigweg zeggen: 'axiale fluxmotoren hebben altijd een zwakke veldverzwakking'; het moet voor elk specifiek ontwerp geval per geval worden beoordeeld.

III. Wat zijn de belangrijkste indicatoren voor het evalueren van het veldverzwakkingsvermogen?

In de technische praktijk omvat het evalueren van het hogesnelheidsveldverzwakkingsvermogen van een axiale fluxmotor doorgaans de volgende kernparameters en curven.

1. Karakteristieke stroom

Karakteristieke stroom wordt gedefinieerd als:

 waarbij  Ψm  de permanente magneetfluxkoppeling is, en  Ld  de inductie op de directe as.

Als de karakteristieke stroom kleiner is dan de maximale uitgangsstroom van de controller, kan de motor theoretisch het gebied van 'oneindige veldverzwakking' binnengaan, waardoor een zeer hoge snelheidsuitbreiding mogelijk is.
Als de karakteristieke stroom groter is dan de maximale stroom, betekent dit dat zelfs het gebruik van alle stroom voor veldverzwakking onvoldoende is om de fluxkoppeling op te heffen, waardoor de uitbreidingsmogelijkheden op hoge snelheid worden beperkt.

Karakteristieke stroom is de meest intuïtieve indicator voor het evalueren van het veldverzwakkingspotentieel.

2. Spanningslimietcirkel en stroomlimietcirkel

Op het huidige vectorvlak wordt de motorwerking beperkt door twee cirkels:

• Stroomlimietcirkel : bepaald door de maximale uitgangsstroom van de controller;

• Spanningslimietcirkel : bepaald door de DC-busspanning en de huidige snelheid.

Naarmate de snelheid toeneemt, wordt de spanningslimietcirkel kleiner. Het werkpunt van de motor moet binnen het snijpunt van deze twee cirkels liggen.

Een motor met een sterk veldverzwakkend vermogen heeft bij hoge snelheid nog steeds voldoende kruispuntoppervlak om bruikbaar koppel te leveren.
Een motor met een slecht veldverzwakkend vermogen ziet de spanningslimietcirkel te snel krimpen, waardoor het werkpunt in een zeer klein gebied wordt gedrukt, en het uitgangsvermogen scherp daalt.

3. Breedte van het gebied met constant vermogen

In de techniek wordt het 'constante-vermogensgebied' vaak gebruikt om de uitbreidingsmogelijkheden op hoge snelheid te evalueren.
Een breder gebied met constant vermogen geeft aan dat de motor bij hoge snelheden een relatief hoog vermogen kan behouden, in plaats van een klifachtige koppeldaling te ervaren.

Als een axiale fluxmotor slecht is ontworpen voor veldverzwakking, zal het gebied met constant vermogen merkbaar smal zijn en zal het vermogen aan de hoge snelheidskant snel afnemen.

4. Verhouding tussen maximumsnelheid en nominale snelheid

Deze verhouding wordt ook wel de 'veldverzwakkende snelheidsuitbreidingsverhouding' genoemd.
Voor typische aandrijfmotoren van personenvoertuigen is een expansieverhouding van 3 tot 4 keer of meer gewenst, bijvoorbeeld bij 4000 tpm en maximaal bij 15.000–18.000 tpm.
Of een axiale fluxmotor dit niveau kan bereiken, hangt af van een gecombineerde evaluatie van inductantie, fluxkoppeling, aantal poolparen en het spanningsvermogen van de controller.

5. Hoge snelheidsefficiëntie en temperatuurstijging

Veldverzwakking gaat niet alleen over 'of het kan opdraaien', maar ook over 'hoe efficiënt het is wanneer dat het geval is.'
Als de veldverzwakkingsstroom excessief groot is, neemt het koperverlies dramatisch toe, wat leidt tot ernstige temperatuurstijging bij hoge snelheid, wat zelfs onomkeerbare demagnetisatie van de permanente magneten kan veroorzaken.

Daarom is het bij het evalueren van het veldverzwakkingsvermogen van essentieel belang om ook de hogesnelheidsefficiëntie MAP en de thermische prestaties te onderzoeken, en niet alleen de snelheidscijfers.

IV. Hoe evalueren in de praktijk? Drie benaderingen

Benadering 1: Elektromagnetische simulatie

Tijdens de ontwerpfase bouwen ingenieurs doorgaans een elektromagnetisch model van de axiale fluxmotor met behulp van eindige-elementensimulatiesoftware.

Door verschillende snelheden en stroomvectoren te doorlopen, kan het volgende worden verkregen:

• Terug EMF-golfvorm;

• Inductanties op de directe en kwadratuuras  Ld , Lq;

• Fluxkoppeling  Ψm;

• Karakteristieke stroom  Ich;

• Snijpunt van de spanningslimietellips en de stroomlimietcirkel;

• Theoretische maximale koppel-snelheidscurve;

• Efficiëntiekaart.

Deze gegevens kunnen het veldverzwakkingspotentieel van de motor volledig weerspiegelen.
Voor nauwkeurige simulatieresultaten moet het model echter getrouw de axiale flux-eindlekflux, 3D-magnetische circuitpaden en verzadigingskarakteristieken weergeven. Als gevolg hiervan is de simulatie van axiale fluxmotoren sterker afhankelijk van 3D-eindige-elementenanalyse dan bij conventionele radiale motoren.

Benadering 2: Benchtesten

Simulatie is alleen theoretisch; uiteindelijk zijn bankmetingen vereist.

Benchtests omvatten doorgaans:

• Meting van de EMF-coëfficiënt terug;

•  Inductiemeting bij verschillende temperaturen;

• Externe karakteristiek piekkoppel-toerental;

• Continu nominaal vermogen;

• Langdurige werkingstijd op maximale snelheid;

• Efficiëntie en temperatuurstijging in het snelle veldverzwakkingsgebied;

• Prestatiedegradatietest na magneetdemagnetisatie.

De meest kritische zijn  de temperatuurstijging in het veldverzwakkingsgebied met hoge snelheid  en  het vermogen om continu te werken. .
Veel axiale flux-prototypes kunnen zeer hoge snelheden bereiken bij piektests van korte duur, maar als ze na een paar minuten continu gebruik oververhit raken en afnemen, kan er niet van worden uitgegaan dat ze over een echt gekwalificeerd veldverzwakkingsvermogen beschikken.

Aanpak 3: Evaluatie van de matching van de controlestrategie

Het veldverzwakkingsvermogen hangt niet alleen af ​​van de motor zelf, maar ook van de controller en besturingsalgoritmen.

Gemeenschappelijke controlestrategieën zijn onder meer:

• MTPA (maximaal koppel per ampère);

• Veldverzwakkende controle;

• MTPV (maximaal koppel per spanning);

• Spanningsvoorwaartse koppeling en stroomontkoppeling bij diepe veldverzwakking.

Bij de evaluatie moet worden onderzocht of de regelstrategie de spannings- en stroomlimieten van de axiale fluxmotor volledig kan benutten.
Als het motorlichaam een ​​goed veldverzwakkingspotentieel heeft, maar het besturingsalgoritme ontoereikend is, kunnen bij hoge snelheden problemen optreden zoals jitter, verlies van controle of een te laag rendement.

V. Welke ontwerpverbeteringen kunnen het snelle veldverzwakkingsvermogen van axiale fluxmotoren verbeteren?

Als uit evaluatie blijkt dat er onvoldoende veldverzwakkend vermogen is, zijn algemene verbeterrichtingen onder meer:

1. Optimaliseer de inductie van de directe as

Door de inductantie op de directe as op de juiste manier te vergroten, kan de karakteristieke stroom worden verlaagd en het veldverzwakkingsvermogen worden vergroot.
Dit kan worden bereikt door het aantal poolparen te vergroten, de sleufgeometrie aan te passen, de wikkelindeling te optimaliseren, de breedte van de magnetische brug te vergroten, enz.

Het verhogen van de inductantie op de directe as is echter vaak in strijd met de koppeldichtheid, dus optimalisatie met meerdere doelstellingen is vereist.

2. Verminder de fluxkoppeling matig

Het gebruik van magneten met een iets lagere remanentie maar een hogere temperatuurtolerantie, of het verminderen van de magneetdikte, kan de EMF en karakteristieke stroom verlagen.
De wisselwerking is een vermindering van het koppel bij lage snelheden, wat moet worden afgewogen tegen de algemene systeemvereisten.

3. Verhoog de bijdrage van het oppositionele koppel

Door de saillantieverhouding (verschil tussen kwadratuur- en directe-as-inductanties) te vergroten, kan het reluctantiekoppel een groter deel van de output overnemen, waardoor de afhankelijkheid van permanente magneetfluxkoppeling wordt verminderd.
Op deze manier neemt de fluxkoppeling bij veldverzwakking op hoge snelheid minder spanningsruimte in beslag, waardoor snelheidsuitbreiding eenvoudiger wordt.

4. Gebruik hybride excitatie of variabele flux

Dit is een meer geavanceerde aanpak.
Door veldwikkelingen of magneten met variabele flux in de axiale fluxstructuur op te nemen, kan de luchtspleetflux op hoge snelheid actief worden verminderd, waardoor 'passieve veldverzwakking' wordt omgezet in 'actieve veldverzwakking'.

Dit ontwerp kan de efficiëntie bij hoge snelheden en de breedte van het constante vermogen aanzienlijk verbeteren, maar verhoogt de structurele complexiteit en kosten.

5. Verbeter het gebruik van de DC-busspanning

Als de motor zelf een bescheiden veldverzwakkingsvermogen heeft, is het ook mogelijk om de 'spanningsmuur' terug te dringen door het spanningsniveau van de controller te verhogen, SiC-omvormers te gebruiken, modulatiestrategieën te optimaliseren, enz., om een ​​effectievere spanning uit dezelfde busspanning te leveren.

Dit laat meer ruimte over voor veldverzwakking.

VI. Veelvoorkomende misvattingen

Bij het evalueren van het hogesnelheidsveldverzwakkingsvermogen van axiale fluxmotoren zijn verschillende misvattingen het vermelden waard.

Misvatting 1: Alleen kijken naar de maximale snelheid.

Een hoge maximumsnelheid betekent niet noodzakelijkerwijs een sterk veldverzwakkend vermogen; het kan gewoon een kortetermijnsnelheidsstoot zijn zonder aanhoudend nuttig vermogen.

Misvatting 2: Geloven dat axiale fluxmotoren altijd een slechte veldverzwakking hebben.

Zoals eerder vermeld, is axiale flux een topologisch concept, en de specifieke veldverzwakkingsprestaties variëren sterk. Sommige krachtige axiale fluxmotoren kunnen zelfs beter presteren dan vergelijkbare radiale fluxmotoren wat betreft veldverzwakkingsvermogen.

Misvatting 3: Temperatuureffecten negeren.

Zowel de permanente magneetfluxkoppeling als de wikkelingsweerstand variëren met de temperatuur. Bij hoge temperaturen neemt de fluxkoppeling af, waardoor de veldverzwakkende stroomvereisten veranderen. Bij de evaluatie moeten gebruik worden gemaakt van hot-state-parameters, en niet alleen van cold-state-gegevens.

Misvatting 4: De maximale snelheid van de simulatie behandelen als daadwerkelijk bruikbare snelheid.

Simulaties worden vaak uitgevoerd onder ideale spannings-, stroom- en temperatuuromstandigheden. Bij daadwerkelijke benchtests zullen niet-lineariteiten van de controller en thermische beveiliging het praktische veldverzwakkingsgebied beperken.

VII. Conclusie

Het hogesnelheidsveldverzwakkingsvermogen van een axiale fluxmotor is in wezen een technisch probleem op systeemniveau.

Het hangt niet alleen af ​​van het elektromagnetische ontwerp van het motorlichaam, maar ook van de regelstrategie, het vermogen van de omvormer en het thermisch beheer.
Evaluatie mag niet afhankelijk zijn van slechts één of twee parameters; in plaats daarvan vereist het een alomvattend oordeel op basis van karakteristieke stroom, spannings-/stroomgrenscirkels, gebiedsbreedte met constant vermogen, hoge snelheidsefficiëntie, temperatuurstijging en continu bedrijfsvermogen.

Voor ingenieurs die axiale fluxmotoren echt willen inzetten voor elektrische aandrijftoepassingen met hoge snelheid,  is veldverzwakkingsvermogen geen kwestie van 'of het bestaat', maar eerder van 'of de motor de snelheid duurzaam en efficiënt kan verhogen.'

In de toekomst zullen, met de vooruitgang op het gebied van nieuwe materialen, nieuwe topologieën en multi-fysische optimalisatietechnieken, de prestaties van axiale fluxmotoren in het veldverzwakkingsgebied met hoge snelheid blijven verbeteren.
En het nauwkeurig en systematisch evalueren van hun veldverzwakkend vermogen zal steeds meer een cruciale schakel worden in de ontwikkeling van elektrische aandrijvingen.