Hvordan evaluere høyhastighets-feltsvekkelsesevnen til aksiale fluksmotorer?

De siste årene har aksial fluksmotorer har fått økende trekkraft i det elektriske drivmiljøet. De betraktes av mange som en av de representative retningene for neste generasjons høyytelsesmotorer, spesielt i applikasjoner der volum og vekt er kritiske – slik som hjulmotorer, droner, elektriske sportsbiler og hybridsystemer. Den aksiale fluksstrukturen gir unike fordeler i disse scenariene.

Men for å virkelig bruke aksiale fluksmotorer i høyhastighets elektriske drivsystemer, er en teknisk utfordring uunngåelig:  Er den høyhastighets feltsvekkende evnen tilstrekkelig? Og hvordan skal det vurderes?

I. For det første, forstå: Hvorfor er 'feltsvekking' alltid nødvendig i høy hastighet?

En grunnleggende egenskap ved permanentmagnet synkronmotorer (PMSM) er at den bakre EMF øker med hastigheten.

Tilbake EMF kan enkelt forstås som spenningen 'generert' av motoren selv når den roterer. Når hastigheten stiger til et visst punkt, nærmer eller overskrider den bakre EMF den maksimale spenningen som kontrolleren kan levere – dvs. DC-bussspenningen. På det tidspunktet kan ikke motoren lenger injisere strøm eller øke hastigheten; den er effektivt blokkert av en 'spenningsvegg.'

Så hva kan gjøres?

Metoden er:  aktivt redusere motorens flukskobling, dvs. gjøre magnetfeltet 'svakere' , og derved senke den bakre EMF og frigjøre spenningshøyde for høyere hastigheter. Dette er det vi vanligvis kaller 'feltsvekkende kontroll.'

En analogi:
En standardsykkel trenger et stort girforhold for start og høyt dreiemoment; hvis du holder det store forholdet i høy hastighet, kan ikke bena følge med tråkkfrekvensen. Feltsvekkende kontroll er som å skifte til et mindre girforhold ved høy hastighet, slik at kjøretøyets hastighet fortsetter å øke mens tråkkfrekvensen på beina forblir den samme.

II. De spesielle egenskapene til aksiale fluksmotorer i feltsvekkelse

Aksiale fluksmotorer er ikke en enkelt fast design, men snarere en bred kategori av topologier. Deres fellestrekk er at luftspaltefluksen flyter i aksial retning, snarere enn radialt som i konvensjonelle radialfluksmotorer.

Denne strukturen gir fordeler som høy dreiemomenttetthet, flat formfaktor og kort aksial lengde, men introduserer også noen egenskaper som er relevante for feltsvekkelsesevne.

En av de mest innflytelsesrike faktorene er:  mange aksiale fluksmotorer har relativt lav induktans.

Feltsvekkingsevnen til en motor er nært knyttet til forholdet mellom direkteakse-induktansen  Ld  og flukskoblingen  Ψm . Enkelt sagt, jo større direkte-akse-induktansen og jo mindre flukskoblingen er, desto lettere blir feltsvekkelsen i teorien, og jo sterkere er høyhastighetsutvidelsesevnen.

Mange aksiale fluksmotorer, i jakten på høy dreiemomenttetthet, har korte magnetiske baner og korte endeviklinger, noe som resulterer i naturlig lav induktans. Følgelig kreves det en større feltsvekkelsesstrøm for å kansellere flukskoblingen, noe som fører til en betydelig økning i kobbertap ved høy hastighet, et fall i effektivitet og muligens til og med utilstrekkelig feltsvekkelsesevne.

Men merk:  ikke alle aksiale fluksmotorer har dårlige feltsvekkende ytelse.
Det avhenger av det spesifikke designet. For eksempel kan bruk av flerlagsmagneter, øke antall polpar, optimalisere viklingskonfigurasjoner eller øke reluktansmomentbidraget alle forbedre feltsvekkende ytelse.

Derfor, når man evaluerer, kan man ikke bare si 'aksial fluksmotorer har alltid svak feltsvekkelse'; det må vurderes fra sak til sak for hvert enkelt design.

III. Hva er hovedindikatorene for å evaluere feltsvekkende evne?

I ingeniørpraksis involverer evaluering av høyhastighets feltsvekkelsesevnen til en aksial fluksmotor typisk følgende kjerneparametere og kurver.

1. Karakteristisk strøm

Karakteristisk strøm er definert som:

 hvor  Ψm  er permanentmagnetens flukskobling, og  Ld  er induktansen på direkte akse.

Hvis den karakteristiske strømmen er mindre enn kontrollerens maksimale utgangsstrøm, kan motoren teoretisk gå inn i 'uendelig feltsvekkelse'-området, noe som gir mulighet for utvidelse av svært høy hastighet.
Hvis den karakteristiske strømmen er større enn den maksimale strømmen, betyr det at selv bruk av all strøm for feltsvekkelse er utilstrekkelig til å kansellere flukskoblingen, noe som begrenser høyhastighetsutvidelsesevnen.

Karakteristisk strøm er den mest intuitive indikatoren for å evaluere feltsvekkelsespotensialet.

2. Spenningsgrensesirkel og strømgrensesirkel

På det nåværende vektorplanet er motordrift begrenset av to sirkler:

• Strømgrensesirkel : bestemmes av kontrollerens maksimale utgangsstrøm;

• Spenningsgrensesirkel : bestemmes av DC-bussspenningen og gjeldende hastighet.

Når hastigheten øker, krymper spenningsgrensesirkelen. Motorens driftspunkt må ligge innenfor skjæringspunktet mellom disse to sirklene.

En motor med sterk feltsvekkingsevne har fortsatt et tilstrekkelig skjæringsareal ved høy hastighet til å levere nyttig dreiemoment.
En motor med dårlig feltsvekkelsesevne ser at spenningsgrensesirkelen krymper for raskt, og klemmer driftspunktet inn i et veldig lite område, og utgangsevnen synker kraftig.

3. Konstant-effekt region bredde

I ingeniørfag brukes ofte «konstant-kraft-regionen» for å evaluere høyhastighets utvidelseskapasitet.
Et bredere område med konstant effekt indikerer at motoren kan opprettholde relativt høy effekt ved høye hastigheter, i stedet for å oppleve et klippelignende fall i dreiemoment.

Hvis en aksial fluksmotor er dårlig designet for feltsvekkelse, vil området med konstant kraft være merkbart smalt, og kraften i høyhastighetsenden vil falle raskt.

4. Forholdet mellom maksimal hastighet og nominell hastighet

Dette forholdet kalles også «utvidelsesforholdet for feltsvekkende hastighet».
For typiske drivmotorer for personbiler er det ønskelig med et ekspansjonsforhold på 3 til 4 ganger eller mer – for eksempel vurdert til 4000 rpm og maksimum ved 15000–18000 rpm.
Hvorvidt en aksial fluksmotor kan oppnå dette nivået avhenger av en kombinert evaluering av induktans, flukskobling, pol-parnummer og styrespenningsevne.

5. Høyhastighets effektivitet og temperaturøkning

Feltsvekkelse handler ikke bare om «om det kan snurre opp», men også «hvor effektivt det er når det gjør det.»
Hvis feltsvekkelsesstrømmen er for stor, øker kobbertapet dramatisk, noe som fører til kraftig temperaturøkning ved høy hastighet, som til og med kan forårsake irreversibel demagnetisering av permanentmagnetene.

Derfor, når man evaluerer feltsvekkelsesevnen, er det viktig å også undersøke høyhastighetseffektivitetskartet og termisk ytelse – ikke bare hastighetstallene.

IV. Hvordan evaluere i praksis? Tre tilnærminger

Tilnærming 1: Elektromagnetisk simulering

I løpet av designfasen bygger ingeniører vanligvis en elektromagnetisk modell av den aksiale fluksmotoren ved å bruke finite element simuleringsprogramvare.

Ved å sveipe forskjellige hastigheter og strømvektorer kan følgende oppnås:

• Tilbake EMF-bølgeform;

• Direkte-akse og kvadratur-akse induktanser  Ld , Lq;

• Flukskobling  Ψm;

• Karakteristisk strøm  Ich;

• Skjæringspunktet mellom spenningsgrenseellipsen og strømgrensesirkelen;

• Teoretisk maksimalt dreiemoment-hastighetskurve;

• Effektivitet KART.

Disse dataene kan fullstendig gjenspeile motorens feltsvekkelsespotensial.
For nøyaktige simuleringsresultater må modellen imidlertid representere aksial fluksende lekkasjefluks, 3D magnetiske kretsveier og metningsegenskaper. Som et resultat er simulering av aksiale fluksmotorer mer avhengig av 3D-finite element-analyse sammenlignet med konvensjonelle radialmotorer.

Tilnærming 2: Benktesting

Simulering er kun teoretisk; til syvende og sist kreves benkmålinger.

Benketester inkluderer vanligvis:

• Tilbake EMF-koeffisientmåling;

•  Induktansmåling ved forskjellige temperaturer;

• Maksimal dreiemoment-hastighet ekstern karakteristisk kurve;

• Kontinuerlig nominell utgangskapasitet;

• Vedvarende driftstid ved maksimal hastighet;

• Effektivitet og temperaturøkning i det høyhastighetsfeltsvekkende området;

• Ytelsesdegraderingstest etter magnetavmagnetisering.

De mest kritiske er  temperaturøkning i høyhastighetsfeltsvekkelsesområdet  og  kontinuerlig drift. .
Mange prototyper for aksial fluks kan nå svært høye hastigheter i kortvarige topptester, men hvis de overopphetes og reduseres etter noen få minutter med kontinuerlig drift, kan de ikke anses å ha virkelig kvalifisert feltsvekkelsesevne.

Tilnærming 3: Kontrollstrategi matching evaluering

Feltsvekkelsesevne avhenger ikke bare av selve motoren, men også av kontrolleren og kontrollalgoritmene.

Vanlige kontrollstrategier inkluderer:

• MTPA (maksimalt dreiemoment per ampere);

• Feltsvekkende kontroll;

• MTPV (maksimalt dreiemoment per spenning);

• Spenningsfremkobling og strømavkobling ved dyp feltsvekkelse.

Evalueringen bør undersøke om kontrollstrategien fullt ut kan utnytte spennings- og strømgrensene til den aksiale fluksmotoren.
Hvis motorkroppen har et godt feltsvekkelsespotensial, men kontrollalgoritmen er utilstrekkelig, kan problemer som jitter, tap av kontroll eller for lav effektivitet oppstå ved høye hastigheter.

V. Hvilke designforbedringer kan forbedre høyhastighets feltsvekkelsesevnen til aksialfluksmotorer?

Hvis evaluering avslører utilstrekkelig feltsvekkelsesevne, inkluderer vanlige forbedringsanvisninger:

1. Optimaliser direkte-akse induktans

En passende økning av induktansen på den direkte akse kan senke den karakteristiske strømmen og forbedre feltsvekkelsesevnen.
Dette kan oppnås ved å øke antallet polpar, justere sporgeometrien, optimalisere viklingsoppsettet, øke magnetisk brobredde, etc.

Økende direkte-akse-induktans er imidlertid ofte i konflikt med dreiemomenttettheten, så multi-objektiv optimalisering er nødvendig.

2. Reduser flukskoblingen moderat

Bruk av magneter med litt lavere remanens, men høyere temperaturtoleranse, eller redusere magnettykkelse, kan senke tilbake EMF og karakteristisk strøm.
Avveiningen er en reduksjon i lavhastighets dreiemoment, som må veies opp mot generelle systemkrav.

3. Øk motviljemomentbidraget

Ved å øke saliency-forholdet (forskjellen mellom kvadratur- og direkte-akse-induktanser), kan reluktansmomentet anta en større andel av utgangen, noe som reduserer avhengigheten av permanent magnetflukskobling.
På denne måten, ved høyhastighets feltsvekkelse, opptar flukskoblingen mindre spenningshøyde, noe som gjør hastighetsforlengelsen enklere.

4. Adopter hybrid eksitasjon eller variabel fluks

Dette er en mer avansert tilnærming.
Innlemming av feltviklinger eller magneter med variabel fluks i den aksiale fluksstrukturen tillater aktiv reduksjon av luftgap-fluks ved høy hastighet, og transformerer «passiv feltsvekkelse» til «aktiv feltsvekkelse».

Denne utformingen kan forbedre høyhastighetseffektiviteten og områdets bredde med konstant kraft betydelig, men øker strukturell kompleksitet og kostnad.

5. Forbedre DC-busspenningsutnyttelsen

Hvis motoren i seg selv har beskjeden feltsvekkelsesevne, er det også mulig å skyve 'spenningsveggen' tilbake ved å heve regulatorens spenningsnivå, bruke SiC-omformere, optimalisere modulasjonsstrategier osv., for å levere mer effektiv spenning fra samme bussspenning.

Dette gir mer takhøyde for feltsvekking.

VI. Vanlige misoppfatninger

Når man evaluerer den høyhastighets feltsvekkende evnen til aksial fluksmotorer, er flere misoppfatninger verdt å merke seg.

Misforståelse 1: Ser bare på maksimal hastighet.

En høy maksimal hastighet betyr ikke nødvendigvis sterk feltsvekkelsesevne - det kan bare være en kortvarig hastighetsutbrudd uten vedvarende nyttig kraftutgang.

Misforståelse 2: Å tro at aksialfluksmotorer alltid har dårlig feltsvekkelse.

Som nevnt tidligere er aksial fluks et topologisk konsept, og spesifikke feltsvekkende ytelse varierer mye. Noen høyytelses aksiale fluksmotorer kan til og med utkonkurrere sammenlignbare radielle fluksmotorer i feltsvekkingsevne.

Misforståelse 3: Ignorer temperatureffekter.

Både permanent magnet flukskobling og viklingsmotstand varierer med temperaturen. Ved høye temperaturer avtar flukskoblingen, noe som endrer kravene til feltsvekkende strøm. Evaluering bør bruke hot-state-parametere, ikke bare kald-state-data.

Misforståelse 4: Behandle simuleringsmakshastighet som faktisk brukbar hastighet.

Simuleringer kjøres ofte under ideelle spennings-, strøm- og temperaturforhold. I faktisk benktesting vil ikke-lineariteter og termisk beskyttelse begrense den praktiske feltsvekkelsesregionen.

VII. Konklusjon

Høyhastighets feltsvekkelsesevnen til en aksial fluksmotor er i hovedsak et ingeniørproblem på systemnivå.

Det avhenger ikke bare av den elektromagnetiske utformingen av motorkroppen, men også av kontrollstrategien, omformerens evne og termisk styring.
Evaluering bør ikke stole på bare én eller to parametere; i stedet krever det en omfattende vurdering basert på karakteristisk strøm, spennings-/strømgrensesirkler, områdebredde med konstant effekt, høyhastighetseffektivitet, temperaturøkning og kontinuerlig drift.

For ingeniører som har som mål å virkelig presse aksialfluksmotorer inn i høyhastighets elektriske drivapplikasjoner,  er feltsvekkingsevne ikke et spørsmål om «om den eksisterer», men snarere «om motoren kan øke hastigheten bærekraftig og effektivt.»

I fremtiden, med fremskritt innen nye materialer, nye topologier og multifysikkoptimaliseringsteknikker, vil ytelsen til aksiale fluksmotorer i området med høyhastighetsfeltsvekkelse fortsette å forbedres.
Og nøyaktig og systematisk evaluering av deres feltsvekkende evne vil i økende grad bli et kritisk ledd i utviklingen av elektriske drivenheter.