Jak ocenić zdolność silników osiowych do osłabiania pola przy dużych prędkościach?

W ostatnich latach Silniki o strumieniu osiowym zyskują coraz większą popularność w społeczności napędów elektrycznych. Przez wielu uważane są za jeden z reprezentatywnych kierunków rozwoju wysokowydajnych silników nowej generacji, szczególnie w zastosowaniach, w których objętość i masa mają kluczowe znaczenie – takich jak silniki w kołach, drony, elektryczne samochody sportowe i systemy hybrydowe. Struktura strumienia osiowego oferuje w tych scenariuszach wyjątkowe zalety.

Aby jednak naprawdę zastosować silniki osiowe w szybkich elektrycznych układach napędowych, nie da się uniknąć jednego wyzwania technicznego:  czy zdolność osłabiania pola przy dużych prędkościach jest wystarczająca? I jak to należy ocenić?

I. Po pierwsze, zrozum: dlaczego „osłabienie pola” jest zawsze konieczne przy dużej prędkości?

Podstawową cechą silników synchronicznych z magnesami trwałymi (PMSM) jest to, że tylna siła elektromotoryczna wzrasta wraz z prędkością.

Back EMF można po prostu rozumieć jako napięcie „generowane” przez sam silnik podczas jego obrotu. Kiedy prędkość wzrasta do pewnego punktu, tylna siła elektromotoryczna zbliża się lub nawet przekracza maksymalne napięcie, jakie może dostarczyć sterownik – tj. napięcie szyny DC. W tym momencie silnik nie może już dostarczać prądu ani zwiększać prędkości; jest skutecznie blokowany przez „ścianę napięcia”.

Co więc można zrobić?

Metoda polega na:  aktywnym zmniejszeniu strumienia silnika, tj. „osłabieniu” pola magnetycznego , obniżając w ten sposób tylne pole elektromagnetyczne i uwalniając zapas napięcia dla wyższych prędkości. To właśnie nazywamy „kontrolą osłabiania pola”.

Analogia:
standardowy rower potrzebuje dużego przełożenia do rozruchu i wysokiego momentu obrotowego; jeśli utrzymasz tak duże przełożenie przy dużej prędkości, Twoje nogi nie będą w stanie nadążać za rytmem. Kontrola osłabiania pola przypomina zmianę przełożenia na mniejsze przy dużej prędkości, co pozwala na dalsze zwiększanie prędkości pojazdu przy niezmienionej rytmie nóg.

II. Specyfika silników osiowych w osłabieniu pola

Silniki o strumieniu osiowym nie są pojedynczą, stałą konstrukcją, ale raczej szeroką kategorią topologii. Ich wspólną cechą jest to, że strumień szczeliny powietrznej przepływa w kierunku osiowym, a nie promieniowo, jak w konwencjonalnych silnikach promieniowych.

Struktura ta przynosi korzyści, takie jak wysoka gęstość momentu obrotowego, płaski kształt i krótka długość osiowa, ale wprowadza także pewne cechy istotne dla zdolności do osłabiania pola.

Jednym z najbardziej wpływowych czynników jest to, że  wiele silników o strumieniu osiowym ma stosunkowo niską indukcyjność.

Zdolność silnika do osłabiania pola jest ściśle związana ze stosunkiem indukcyjności  Ld w osi bezpośredniej  do sprzężenia strumienia  Ψm . Mówiąc najprościej, im większa indukcyjność osi bezpośredniej i im mniejsze powiązanie strumienia, tym teoretycznie łatwiejsze staje się osłabienie pola i tym większa jest zdolność rozszerzania przy dużej prędkości.

Wiele silników osiowych, w celu uzyskania dużej gęstości momentu obrotowego, ma krótkie ścieżki magnetyczne i krótkie uzwojenia końcowe, co skutkuje naturalnie niską indukcyjnością. W rezultacie wymagany jest większy prąd osłabiający pole, aby anulować połączenie strumienia, co prowadzi do znacznego wzrostu strat miedzi przy dużej prędkości, spadku wydajności, a być może nawet niewystarczającej zdolności osłabiania pola.

Ale uwaga:  nie wszystkie silniki o strumieniu osiowym mają słabą wydajność osłabiania pola.
To zależy od konkretnego projektu. Na przykład użycie magnesów wielowarstwowych, zwiększenie liczby par biegunów, optymalizacja konfiguracji uzwojeń lub zwiększenie udziału momentu obrotowego reluktancji może poprawić skuteczność osłabiania pola.

Dlatego podczas oceny nie można po prostu powiedzieć, że „silniki o strumieniu osiowym zawsze charakteryzują się słabym osłabieniem pola”; należy go oceniać indywidualnie dla każdego konkretnego projektu.

III. Jakie są główne wskaźniki oceny zdolności do osłabiania pola?

W praktyce inżynierskiej ocena zdolności silnika osiowego do osłabiania pola przy dużej prędkości zazwyczaj obejmuje następujące podstawowe parametry i krzywe.

1. Prąd charakterystyczny

Prąd charakterystyczny definiuje się jako:

 gdzie  Ψm  to połączenie strumienia magnesu trwałego, a  Ld  to indukcyjność osi bezpośredniej.

Jeśli prąd charakterystyczny jest mniejszy niż maksymalny prąd wyjściowy sterownika, wówczas silnik teoretycznie może wejść w obszar „nieskończonego osłabienia pola”, umożliwiając bardzo duże zwiększenie prędkości.
Jeśli prąd charakterystyczny jest większy niż prąd maksymalny, oznacza to, że nawet wykorzystanie całego prądu do osłabienia pola jest niewystarczające, aby anulować połączenie strumienia, ograniczając możliwości przedłużania przy dużej prędkości.

Prąd charakterystyczny jest najbardziej intuicyjnym wskaźnikiem oceny potencjału osłabienia pola.

2. Koło ograniczenia napięcia i koło ograniczenia prądu

Na bieżącej płaszczyźnie wektora działanie silnika jest ograniczone przez dwa okręgi:

• Okrąg ograniczenia prądu : określony przez maksymalny prąd wyjściowy sterownika;

• Okrąg graniczny napięcia : określony przez napięcie szyny DC i aktualną prędkość.

Wraz ze wzrostem prędkości krąg ograniczenia napięcia kurczy się. Punkt pracy silnika musi leżeć na przecięciu tych dwóch okręgów.

Silnik o dużej zdolności osłabiania pola nadal ma wystarczającą powierzchnię przecięcia przy dużej prędkości, aby zapewnić użyteczny moment obrotowy.
W przypadku silnika o słabej zdolności osłabiania pola krąg graniczny napięcia kurczy się zbyt szybko, ściskając punkt pracy w bardzo małym obszarze, a wydajność wyjściowa gwałtownie spada.

3. Szerokość obszaru o stałej mocy

W inżynierii „obszar stałej mocy” jest często używany do oceny możliwości rozbudowy o dużej prędkości.
Szerszy obszar stałej mocy wskazuje, że silnik może utrzymać stosunkowo wysoką moc wyjściową przy dużych prędkościach, zamiast doświadczać gwałtownego spadku momentu obrotowego.

Jeśli silnik o strumieniu osiowym jest źle zaprojektowany pod kątem osłabiania pola, jego obszar stałej mocy będzie zauważalnie wąski, a moc na końcu o dużej prędkości szybko spadnie.

4. Stosunek prędkości maksymalnej do prędkości znamionowej

Stosunek ten nazywany jest także „współczynnikiem ekspansji prędkości osłabiającej pole”.
W przypadku typowych silników napędowych pojazdów pasażerskich pożądany jest współczynnik rozszerzalności 3 do 4 razy lub więcej – na przykład znamionowy przy 4000 obr./min i maksymalny przy 15 000–18 000 obr./min.
To, czy silnik osiowy może osiągnąć ten poziom, zależy od połączonej oceny indukcyjności, połączenia strumienia, liczby par biegunów i możliwości napięciowej sterownika.

5. Wysoka wydajność i wzrost temperatury

Osłabienie pola nie zależy tylko od tego, „czy może się rozkręcić”, ale także od tego, „jak wydajna jest, kiedy to robi”.
Jeśli prąd osłabiający pole jest zbyt duży, straty miedzi dramatycznie wzrastają, co prowadzi do poważnego wzrostu temperatury przy dużej prędkości, co może nawet spowodować nieodwracalne rozmagnesowanie magnesów trwałych.

Dlatego też, oceniając zdolność do osłabiania pola, istotne jest również zbadanie MAP wydajności przy dużych prędkościach i parametrów cieplnych – a nie tylko prędkości.

IV. Jak oceniać w praktyce? Trzy podejścia

Podejście 1: Symulacja elektromagnetyczna

Na etapie projektowania inżynierowie zazwyczaj budują model elektromagnetyczny silnika osiowego, korzystając z oprogramowania do symulacji elementów skończonych.

Omiatając różne prędkości i wektory prądu, można uzyskać, co następuje:

• Powrót przebiegu EMF;

• Indukcyjności w osi bezpośredniej i kwadraturowej  Ld , Lq;

• Połączenie strumienia  Ψm;

• Prąd charakterystyczny  Ich;

• Przecięcie elipsy ograniczenia napięcia i okręgu ograniczenia prądu;

• Teoretyczna krzywa maksymalnego momentu obrotowego i prędkości;

• MAPA Efektywności.

Dane te mogą kompleksowo odzwierciedlać potencjał osłabienia pola silnika.
Jednakże, aby uzyskać dokładne wyniki symulacji, model musi wiernie odzwierciedlać strumień osiowy, strumień upływu, trójwymiarowe ścieżki obwodów magnetycznych i charakterystykę nasycenia. W rezultacie symulacja silników o strumieniu osiowym w większym stopniu opiera się na analizie elementów skończonych 3D w porównaniu z konwencjonalnymi silnikami promieniowymi.

Podejście 2: Testowanie na stanowisku badawczym

Symulacja jest jedynie teoretyczna; ostatecznie wymagane są pomiary na stanowisku badawczym.

Testy laboratoryjne obejmują zazwyczaj:

• Pomiar współczynnika Back EMF;

•  Pomiar indukcyjności w różnych temperaturach;

• Zewnętrzna charakterystyka szczytowego momentu obrotowego i prędkości;

• Ciągła znamionowa moc wyjściowa;

• Stały czas pracy przy maksymalnej prędkości;

• Wydajność i wzrost temperatury w obszarze osłabienia pola o dużej prędkości;

• Test degradacji wydajności po rozmagnesowaniu magnesu.

Najbardziej krytyczne są  wzrost temperatury w obszarze osłabienia pola przy dużej prędkości  oraz  zdolność do ciągłej pracy. .
Wiele prototypów ze strumieniem osiowym może osiągać bardzo duże prędkości w krótkotrwałych testach szczytowych, ale jeśli przegrzeją się i po kilku minutach ciągłej pracy nastąpi ich obniżenie wartości znamionowych, nie można ich uznać za posiadające naprawdę kwalifikowaną zdolność do osłabiania pola.

Podejście 3: Ocena dopasowania strategii kontrolnej

Zdolność osłabiania pola zależy nie tylko od samego silnika, ale także od sterownika i algorytmów sterowania.

Typowe strategie kontroli obejmują:

• MTPA (maksymalny moment obrotowy na amper);

• Kontrola osłabienia pola;

• MTPV (maksymalny moment obrotowy na napięcie);

• Wyprzedzanie napięcia i odsprzęganie prądu przy głębokim osłabieniu pola.

Ocena powinna zbadać, czy strategia sterowania może w pełni wykorzystać ograniczenia napięcia i prądu silnika osiowego.
Jeśli korpus silnika ma dobry potencjał osłabiania pola, ale algorytm sterowania jest nieodpowiedni, przy dużych prędkościach mogą wystąpić problemy, takie jak drgania, utrata kontroli lub zbyt niska wydajność.

V. Jakie ulepszenia konstrukcyjne mogą zwiększyć zdolność silników osiowych do osłabiania pola przy dużych prędkościach?

Jeżeli ocena wykaże niewystarczającą zdolność osłabiania pola, typowe kierunki doskonalenia obejmują:

1. Zoptymalizuj indukcyjność osi bezpośredniej

Odpowiednie zwiększenie indukcyjności osi bezpośredniej może obniżyć prąd charakterystyczny i zwiększyć zdolność osłabiania pola.
Można to osiągnąć poprzez zwiększenie liczby par biegunów, dostosowanie geometrii szczeliny, optymalizację układu uzwojeń, zwiększenie szerokości mostka magnetycznego itp.

Jednak zwiększenie indukcyjności osi bezpośredniej często koliduje z gęstością momentu obrotowego, dlatego wymagana jest optymalizacja wielocelowa.

2. Umiarkowanie zmniejsz połączenie strumienia

Używanie magnesów o nieco niższej remanencji, ale wyższej tolerancji temperaturowej, lub zmniejszanie grubości magnesu, może obniżyć wsteczne pole elektromagnetyczne i prąd charakterystyczny.
Kompromisem jest zmniejszenie momentu obrotowego przy niskich prędkościach, które należy rozważyć w kontekście ogólnych wymagań systemowych.

3. Zwiększ udział momentu reluktancyjnego

Zwiększając współczynnik saliency (różnica między indukcyjnością kwadraturową a indukcyjnością osi bezpośredniej), moment reluktancyjny może przejmować większy udział w mocy wyjściowej, zmniejszając zależność od połączenia strumienia magnesu trwałego.
W ten sposób, przy dużym osłabieniu pola, połączenie strumienia zajmuje mniej zapasu napięcia, co ułatwia zwiększanie prędkości.

4. Zastosuj wzbudzenie hybrydowe lub zmienny strumień

Jest to bardziej zaawansowane podejście.
Włączenie uzwojeń wzbudzenia lub magnesów o zmiennym strumieniu w strukturę strumienia osiowego umożliwia aktywną redukcję strumienia szczeliny powietrznej przy dużej prędkości, przekształcając „pasywne osłabienie pola” w „aktywne osłabienie pola”.

Konstrukcja ta może znacznie poprawić wydajność przy dużych prędkościach i szerokość obszaru stałej mocy, ale zwiększa złożoność strukturalną i koszty.

5. Popraw wykorzystanie napięcia szyny DC

Jeśli sam silnik ma niewielką zdolność osłabiania pola, możliwe jest również odsunięcie „ściany napięcia” poprzez podniesienie poziomu napięcia sterownika, zastosowanie falowników SiC, optymalizację strategii modulacji itp., aby zapewnić bardziej efektywne napięcie z tego samego napięcia szyny.

Pozostawia to więcej miejsca na osłabienie pola.

VI. Powszechne błędne przekonania

Oceniając zdolność silników osiowych do osłabiania pola przy dużych prędkościach, warto zwrócić uwagę na kilka błędnych przekonań.

Błędne przekonanie 1: Patrzenie tylko na prędkość maksymalną.

Wysoka prędkość maksymalna niekoniecznie oznacza dużą zdolność do osłabiania pola — może to być po prostu krótkotrwały wzrost prędkości bez trwałej użytecznej mocy wyjściowej.

Błędne przekonanie nr 2: przekonanie, że silniki o strumieniu osiowym zawsze charakteryzują się słabym osłabieniem pola.

Jak wspomniano wcześniej, strumień osiowy jest koncepcją topologiczną, a specyficzne działanie osłabiające pole jest bardzo zróżnicowane. Niektóre wysokowydajne silniki o strumieniu osiowym mogą nawet przewyższać porównywalne silniki o strumieniu promieniowym pod względem zdolności do osłabiania pola.

Błędne przekonanie nr 3: Ignorowanie wpływu temperatury.

Zarówno połączenie strumienia magnesu trwałego, jak i rezystancja uzwojenia zmieniają się w zależności od temperatury. W wysokich temperaturach powiązanie strumienia maleje, zmieniając wymagania dotyczące prądu osłabiającego pole. Ocena powinna wykorzystywać parametry stanu gorącego, a nie tylko dane stanu zimnego.

Błędne przekonanie nr 4: Traktowanie maksymalnej prędkości symulacji jako rzeczywistej prędkości użytkowej.

Symulacje często przeprowadza się w idealnych warunkach napięcia, prądu i temperatury. W rzeczywistych testach laboratoryjnych nieliniowość sterownika i ochrona termiczna ograniczą praktyczny obszar osłabienia pola.

VII. Wniosek

Zdolność silnika osiowego do osłabiania pola przy dużych prędkościach jest w istocie problemem inżynieryjnym na poziomie systemu.

Zależy to nie tylko od konstrukcji elektromagnetycznej korpusu silnika, ale także od strategii sterowania, możliwości falownika i zarządzania ciepłem.
Ocena nie powinna opierać się tylko na jednym lub dwóch parametrach; zamiast tego wymaga kompleksowej oceny w oparciu o prąd charakterystyczny, okręgi graniczne napięcia/prądu, szerokość obszaru stałej mocy, wydajność przy dużych prędkościach, wzrost temperatury i zdolność do ciągłej pracy.

Dla inżynierów, którzy chcą naprawdę wykorzystać silniki osiowe w zastosowaniach związanych z szybkimi napędami elektrycznymi,  zdolność do osłabiania pola nie jest kwestią „czy istnieje”, ale raczej „czy silnik może zwiększać prędkość w sposób zrównoważony i wydajny”.

W przyszłości, wraz z postępem w zakresie nowych materiałów, nowych topologii i technik optymalizacji wielofizycznej, wydajność silników osiowych w obszarze osłabienia pola o dużej prędkości będzie nadal się poprawiać.
Dokładna i systematyczna ocena ich zdolności do osłabiania pola będzie w coraz większym stopniu odgrywać kluczową rolę w rozwoju napędów elektrycznych.