Como avaliar a capacidade de enfraquecimento de campo de alta velocidade dos motores de fluxo axial?

Nos últimos anos, motores de fluxo axial ganharam cada vez mais força na comunidade de acionamentos elétricos. Eles são considerados por muitos como uma das direções representativas para motores de alto desempenho da próxima geração, especialmente em aplicações onde o volume e o peso são críticos – como motores nas rodas, drones, carros esportivos elétricos e sistemas híbridos. A estrutura de fluxo axial oferece vantagens únicas nesses cenários.

No entanto, para realmente aplicar motores de fluxo axial em sistemas de acionamento elétrico de alta velocidade, um desafio técnico é inevitável:  a capacidade de enfraquecimento de campo em alta velocidade é suficiente? E como deve ser avaliado?

I. Primeiro, entenda: Por que o “enfraquecimento de campo” é sempre necessário em alta velocidade?

Uma característica fundamental dos motores síncronos de ímã permanente (PMSMs) é que a EMF traseira aumenta com a velocidade.

Back EMF pode ser simplesmente entendido como a tensão “gerada” pelo próprio motor enquanto ele gira. Quando a velocidade aumenta até um certo ponto, o EMF traseiro se aproxima ou até excede a tensão máxima que o controlador pode fornecer – ou seja, a tensão do barramento CC. Nesse ponto, o motor não pode mais injetar corrente ou aumentar a velocidade; ele é efetivamente bloqueado por uma “parede de tensão”.

Então, o que pode ser feito?

O método é:  reduzir ativamente a ligação de fluxo do motor, ou seja, tornar o campo magnético 'mais fraco' , diminuindo assim o EMF traseiro e liberando espaço de tensão para velocidades mais altas. Isso é o que comumente chamamos de “controle de enfraquecimento de campo”.

Uma analogia:
uma bicicleta padrão precisa de uma grande relação de transmissão para dar partida e alto torque; se você mantiver essa proporção grande em alta velocidade, suas pernas não conseguirão acompanhar a cadência. O controle do enfraquecimento do campo é como mudar para uma relação de marcha menor em alta velocidade, permitindo que a velocidade do veículo continue aumentando enquanto a cadência das pernas permanece a mesma.

II. As particularidades dos motores de fluxo axial no enfraquecimento de campo

Os motores de fluxo axial não são um projeto fixo único, mas sim uma ampla categoria de topologias. Sua característica comum é que o fluxo de entreferro flui na direção axial, em vez de radialmente como nos motores de fluxo radial convencionais.

Essa estrutura traz vantagens como alta densidade de torque, formato plano e comprimento axial curto, mas também introduz algumas características relevantes para a capacidade de enfraquecimento de campo.

Um dos fatores mais influentes é:  muitos motores de fluxo axial têm indutância relativamente baixa.

A capacidade de enfraquecimento de campo de um motor está intimamente relacionada à razão entre a indutância do eixo direto  Ld  e a ligação de fluxo  Ψm . Simplificando, quanto maior a indutância do eixo direto e menor a ligação do fluxo, mais fácil se torna o enfraquecimento do campo em teoria e mais forte é a capacidade de extensão de alta velocidade.

Muitos motores de fluxo axial, em busca de alta densidade de torque, possuem caminhos magnéticos curtos e enrolamentos finais curtos, resultando em indutância naturalmente baixa. Consequentemente, uma corrente de enfraquecimento de campo maior é necessária para cancelar a ligação de fluxo, levando a um aumento significativo na perda de cobre em alta velocidade, uma queda na eficiência e possivelmente até mesmo capacidade insuficiente de enfraquecimento de campo.

Mas observe:  nem todos os motores de fluxo axial apresentam baixo desempenho no enfraquecimento de campo.
Depende do design específico. Por exemplo, o uso de ímãs multicamadas, o aumento do número de pares de pólos, a otimização das configurações dos enrolamentos ou o aumento da contribuição do torque de relutância podem melhorar o desempenho de enfraquecimento de campo.

Portanto, ao avaliar, não se pode simplesmente dizer “motores de fluxo axial sempre apresentam fraco enfraquecimento de campo”; deve ser avaliado caso a caso para cada projeto específico.

III. Quais são os principais indicadores para avaliar a capacidade de enfraquecimento de campo?

Na prática de engenharia, avaliar a capacidade de enfraquecimento de campo em alta velocidade de um motor de fluxo axial normalmente envolve os seguintes parâmetros e curvas principais.

1. Corrente característica

A corrente característica é definida como:

 onde  Ψm  é a ligação de fluxo do ímã permanente e  Ld  é a indutância do eixo direto.

Se a corrente característica for menor que a corrente de saída máxima do controlador, então o motor pode teoricamente entrar na região de “enfraquecimento de campo infinito”, permitindo uma extensão de velocidade muito alta.
Se a corrente característica for maior que a corrente máxima, significa que mesmo o uso de toda a corrente para o enfraquecimento do campo é insuficiente para cancelar a ligação do fluxo, limitando a capacidade de extensão em alta velocidade.

A corrente característica é o indicador mais intuitivo para avaliar o potencial de enfraquecimento de campo.

2. Círculo limite de tensão e círculo limite de corrente

No plano vetorial atual, a operação do motor é limitada por dois círculos:

• Círculo limite de corrente : determinado pela corrente máxima de saída do controlador;

• Círculo limite de tensão : determinado pela tensão do barramento CC e pela velocidade da corrente.

À medida que a velocidade aumenta, o círculo limite de tensão diminui. O ponto de operação do motor deve estar na intersecção destes dois círculos.

Um motor com forte capacidade de enfraquecimento de campo ainda possui uma área de interseção suficiente em alta velocidade para fornecer torque útil.
Um motor com baixa capacidade de enfraquecimento de campo vê o círculo limite de tensão encolher muito rapidamente, comprimindo o ponto de operação em uma região muito pequena, e a capacidade de saída cai drasticamente.

3. Largura da região de potência constante

Na engenharia, a “região de potência constante” é frequentemente usada para avaliar a capacidade de extensão de alta velocidade.
Uma região de potência constante mais ampla indica que o motor pode manter uma potência relativamente alta em altas velocidades, em vez de experimentar uma queda abrupta no torque.

Se um motor de fluxo axial for mal projetado para enfraquecimento de campo, sua região de potência constante será visivelmente estreita e a potência na extremidade de alta velocidade cairá rapidamente.

4. Relação entre velocidade máxima e velocidade nominal

Essa relação também é chamada de “taxa de expansão de velocidade de enfraquecimento de campo”.
Para motores típicos de veículos de passageiros, uma taxa de expansão de 3 a 4 vezes ou mais é desejada – por exemplo, avaliada em 4.000 rpm e máxima em 15.000–18.000 rpm.
Se um motor de fluxo axial pode atingir esse nível depende de uma avaliação combinada de indutância, ligação de fluxo, número de pares de pólos e capacidade de tensão do controlador.

5. Eficiência de alta velocidade e aumento de temperatura

O enfraquecimento do campo não se trata apenas de “se ele pode girar”, mas também de “quão eficiente ele é quando isso acontece”.
Se a corrente de enfraquecimento do campo for excessivamente grande, a perda de cobre aumenta dramaticamente, levando a um aumento severo de temperatura em alta velocidade, o que pode até causar a desmagnetização irreversível dos ímãs permanentes.

Portanto, ao avaliar a capacidade de enfraquecimento de campo, é essencial examinar também o MAP de eficiência de alta velocidade e o desempenho térmico – e não apenas os números de velocidade.

4. Como avaliar na prática? Três abordagens

Abordagem 1: Simulação eletromagnética

Durante a fase de projeto, os engenheiros normalmente constroem um modelo eletromagnético do motor de fluxo axial usando software de simulação de elementos finitos.

Ao varrer diferentes velocidades e vetores de corrente, pode-se obter o seguinte:

• Forma de onda EMF traseira;

• Indutâncias de eixo direto e eixo de quadratura  Ld , Lq;

• Ligação de fluxo  Ψm;

• Corrente característica  Ich;

• Intersecção da elipse limite de tensão e círculo limite de corrente;

• Curva teórica máxima torque-velocidade;

• MAPA de eficiência.

Esses dados podem refletir de forma abrangente o potencial de enfraquecimento de campo do motor.
No entanto, para resultados de simulação precisos, o modelo deve representar fielmente o fluxo de fuga final do fluxo axial, os caminhos do circuito magnético 3D e as características de saturação. Como resultado, a simulação de motores de fluxo axial depende mais da análise de elementos finitos 3D em comparação com motores radiais convencionais.

Abordagem 2: testes de bancada

A simulação é apenas teórica; em última análise, são necessárias medições de bancada.

Os testes de bancada normalmente incluem:

• Medição do coeficiente EMF traseiro;

•  Medição de indutância em diferentes temperaturas;

• Curva característica externa pico torque-velocidade;

• Capacidade de saída de potência nominal contínua;

• Tempo de operação sustentado em velocidade máxima;

• Eficiência e aumento de temperatura na região de enfraquecimento do campo de alta velocidade;

• Teste de degradação de desempenho após desmagnetização do ímã.

Os mais críticos são  o aumento de temperatura na região de enfraquecimento de campo de alta velocidade  e  a capacidade de operação contínua. .
Muitos protótipos de fluxo axial podem atingir velocidades muito altas em testes de pico de curta duração, mas se superaquecerem e desclassificarem após alguns minutos de operação contínua, não podem ser considerados como tendo capacidade de enfraquecimento de campo verdadeiramente qualificada.

Abordagem 3: Avaliação de correspondência de estratégia de controle

A capacidade de enfraquecimento de campo depende não apenas do motor em si, mas também do controlador e dos algoritmos de controle.

Estratégias de controle comuns incluem:

• MTPA (Torque Máximo por Ampere);

• Controle de enfraquecimento de campo;

• MTPV (Torque Máximo por Tensão);

• Feedforward de tensão e desacoplamento de corrente em enfraquecimento de campo profundo.

A avaliação deve examinar se a estratégia de controle pode explorar plenamente os limites de tensão e corrente do motor de fluxo axial.
Se o corpo do motor tiver um bom potencial de enfraquecimento de campo, mas o algoritmo de controle for inadequado, problemas como instabilidade, perda de controle ou eficiência excessivamente baixa poderão ocorrer em altas velocidades.

V. Quais melhorias de projeto podem aumentar a capacidade de enfraquecimento de campo de alta velocidade dos motores de fluxo axial?

Se a avaliação revelar capacidade insuficiente de enfraquecimento de campo, as direções comuns de melhoria incluem:

1. Otimize a indutância do eixo direto

Aumentar adequadamente a indutância do eixo direto pode diminuir a corrente característica e aumentar a capacidade de enfraquecimento de campo.
Isto pode ser conseguido aumentando o número de pares de pólos, ajustando a geometria da ranhura, otimizando o layout do enrolamento, aumentando a largura da ponte magnética, etc.

No entanto, o aumento da indutância do eixo direto muitas vezes entra em conflito com a densidade de torque, portanto, é necessária uma otimização multiobjetivo.

2. Reduza moderadamente a ligação do fluxo

Usar ímãs com remanência ligeiramente menor, mas com maior tolerância à temperatura, ou reduzir a espessura do ímã, pode reduzir o EMF e a corrente característica.
A compensação é uma redução no torque em baixa velocidade, que precisa ser ponderada em relação aos requisitos gerais do sistema.

3. Aumente a contribuição do torque de relutância

Ao aumentar a relação de saliência (diferença entre as indutâncias de quadratura e de eixo direto), o torque de relutância pode assumir uma parcela maior da saída, reduzindo a dependência da ligação de fluxo de ímã permanente.
Desta forma, no enfraquecimento do campo em alta velocidade, a ligação do fluxo ocupa menos espaço de tensão, facilitando a extensão da velocidade.

4. Adote excitação híbrida ou fluxo variável

Esta é uma abordagem mais avançada.
A incorporação de enrolamentos de campo ou ímãs de fluxo variável na estrutura de fluxo axial permite a redução ativa do fluxo de entreferro em alta velocidade, transformando o 'enfraquecimento do campo passivo' em 'enfraquecimento do campo ativo'.

Este projeto pode melhorar significativamente a eficiência de alta velocidade e a largura da região de potência constante, mas aumenta a complexidade estrutural e o custo.

5. Melhorar a utilização da tensão do barramento CC

Se o próprio motor tiver uma capacidade modesta de enfraquecimento de campo, também é possível empurrar para trás a “parede de tensão” aumentando o nível de tensão do controlador, usando inversores SiC, otimizando estratégias de modulação, etc., para fornecer tensão mais eficaz a partir da mesma tensão de barramento.

Isso deixa mais espaço para o enfraquecimento do campo.

VI. Equívocos comuns

Ao avaliar a capacidade de enfraquecimento de campo em alta velocidade dos motores de fluxo axial, vários equívocos são dignos de nota.

Equívoco 1: Olhando apenas para a velocidade máxima.

Uma velocidade máxima elevada não significa necessariamente uma forte capacidade de enfraquecimento de campo – pode ser apenas uma explosão de velocidade de curto prazo sem produção de potência útil sustentada.

Equívoco 2: Acreditar que motores de fluxo axial sempre apresentam fraco enfraquecimento de campo.

Conforme mencionado anteriormente, o fluxo axial é um conceito topológico e o desempenho específico do enfraquecimento de campo varia amplamente. Alguns motores de fluxo axial de alto desempenho podem até superar motores de fluxo radial comparáveis ​​em capacidade de enfraquecimento de campo.

Equívoco 3: Ignorar os efeitos da temperatura.

Tanto a ligação do fluxo magnético permanente quanto a resistência do enrolamento variam com a temperatura. Em altas temperaturas, a ligação do fluxo diminui, alterando os requisitos de corrente que enfraquecem o campo. A avaliação deve utilizar parâmetros de estado quente e não apenas dados de estado frio.

Equívoco 4: Tratar a velocidade máxima da simulação como velocidade utilizável real.

As simulações geralmente são executadas sob condições ideais de tensão, corrente e temperatura. Em testes de bancada reais, as não linearidades do controlador e a proteção térmica limitarão a região prática de enfraquecimento de campo.

VII. Conclusão

A capacidade de enfraquecimento de campo em alta velocidade de um motor de fluxo axial é, em essência, um problema de engenharia em nível de sistema.

Depende não apenas do projeto eletromagnético do corpo do motor, mas também da estratégia de controle, da capacidade do inversor e do gerenciamento térmico.
A avaliação não deve basear-se apenas num ou dois parâmetros; em vez disso, requer um julgamento abrangente baseado na corrente característica, círculos limite de tensão/corrente, largura da região de potência constante, eficiência de alta velocidade, aumento de temperatura e capacidade de operação contínua.

Para engenheiros que desejam realmente levar motores de fluxo axial a aplicações de acionamento elétrico de alta velocidade,  a capacidade de enfraquecimento de campo não é uma questão de “se existe”, mas sim de “se o motor pode estender a velocidade de forma sustentável e eficiente”.

No futuro, com avanços em novos materiais, novas topologias e técnicas de otimização multifísica, o desempenho dos motores de fluxo axial na região de enfraquecimento de campo de alta velocidade continuará a melhorar.
E a avaliação precisa e sistemática de sua capacidade de enfraquecimento de campo se tornará cada vez mais um elo crítico no desenvolvimento de acionamentos elétricos.