Cum se evaluează capacitatea de slăbire a câmpului de mare viteză a motoarelor cu flux axial?

În ultimii ani, Motoarele cu flux axial au câștigat o tracțiune din ce în ce mai mare în comunitatea de acționare electrică. Ele sunt considerate de mulți drept una dintre direcțiile reprezentative pentru motoarele de înaltă performanță de generație următoare, în special în aplicațiile în care volumul și greutatea sunt esențiale, cum ar fi motoarele pe roți, dronele, mașinile sport electrice și sistemele hibride. Structura fluxului axial oferă avantaje unice în aceste scenarii.

Cu toate acestea, pentru a aplica cu adevărat motoare cu flux axial în sistemele de acționare electrică de mare viteză, o provocare tehnică este inevitabilă:  este suficientă capacitatea de slăbire a câmpului de mare viteză? Și cum ar trebui evaluat?

I. În primul rând, înțelegeți: De ce este întotdeauna necesară „slăbirea câmpului” la viteză mare?

O caracteristică fundamentală a motoarelor sincrone cu magnet permanent (PMSM) este că EMF din spate crește odată cu viteza.

EMF înapoi poate fi înțeles pur și simplu ca tensiunea „generată” de motorul însuși în timp ce acesta se rotește. Când viteza crește până la un anumit punct, EMF din spate se apropie sau chiar depășește tensiunea maximă pe care o poate furniza controlerul, adică tensiunea magistralei DC. În acel moment, motorul nu mai poate injecta curent sau crește viteza; este blocat efectiv de un „perete de tensiune”.

Deci ce se poate face?

Metoda este:  reduceți în mod activ legătura de flux a motorului, adică faceți câmpul magnetic „mai slab” , reducând astfel EMF din spate și eliberând spațiul de tensiune pentru viteze mai mari. Acesta este ceea ce numim în mod obișnuit „controlul slăbirii câmpului”.

O analogie:
o bicicletă standard are nevoie de un raport de transmisie mare pentru pornire și cuplu mare; dacă păstrezi acel raport mare la viteză mare, picioarele tale nu pot ține pasul cu cadența. Controlul slăbirii câmpului este ca și cum ați trece la un raport de transmisie mai mic la viteză mare, permițând vitezei vehiculului să continue să crească în timp ce cadența piciorului rămâne aceeași.

II. Particularitățile motoarelor cu flux axial în slăbirea câmpului

Motoarele cu flux axial nu sunt un singur design fix, ci mai degrabă o categorie largă de topologii. Caracteristica lor comună este că fluxul de aer curge în direcția axială, mai degrabă decât radial ca în motoarele cu flux radial convențional.

Această structură aduce avantaje precum densitatea mare a cuplului, factorul de formă plat și lungimea axială scurtă, dar introduce și unele caracteristici relevante pentru capacitatea de slăbire a câmpului.

Unul dintre cei mai influenți factori este:  multe motoare cu flux axial au inductanță relativ scăzută.

Capacitatea de slăbire a câmpului a unui motor este strâns legată de raportul dintre inductanța directă a axei  Ld  și legătura de flux  Ψm . Mai simplu spus, cu cât este mai mare inductanța pe axa directă și cu cât este mai mică legătura de flux, cu atât slăbirea câmpului devine mai ușoară în teorie și cu atât capacitatea de extindere de mare viteză este mai puternică.

Multe motoare cu flux axial, care urmăresc o densitate mare de cuplu, au căi magnetice scurte și înfășurări de capăt scurte, rezultând o inductanță naturală scăzută. În consecință, este necesar un curent mai mare de slăbire a câmpului pentru a anula legătura de flux, ceea ce duce la o creștere semnificativă a pierderii de cupru la viteză mare, o scădere a eficienței și, posibil, chiar la o capacitate insuficientă de slăbire a câmpului.

Dar rețineți:  nu toate motoarele cu flux axial au performanțe slabe de slăbire a câmpului.
Depinde de designul specific. De exemplu, utilizarea magneților cu mai multe straturi, creșterea numărului de perechi de poli, optimizarea configurațiilor înfășurării sau creșterea contribuției cuplului de reluctanță pot îmbunătăți performanța de slăbire a câmpului.

Prin urmare, atunci când se evaluează, nu se poate spune pur și simplu „motoarele cu flux axial au întotdeauna o slăbire slabă a câmpului”; trebuie evaluat de la caz la caz pentru fiecare proiect specific.

III. Care sunt principalii indicatori pentru evaluarea capacității de slăbire a câmpului?

În practica inginerească, evaluarea capacității de slăbire a câmpului de mare viteză a unui motor cu flux axial implică de obicei următorii parametri și curbe de bază.

1. Curent caracteristic

Curentul caracteristic este definit ca:

 unde  Ψm  este legătura de flux cu magnet permanent și  Ld  este inductanța directă a axei.

Dacă curentul caracteristic este mai mic decât curentul maxim de ieșire al controlerului, atunci motorul poate intra teoretic în regiunea „slăbire infinită a câmpului”, permițând extinderea vitezei foarte mari.
Dacă curentul caracteristic este mai mare decât curentul maxim, înseamnă că chiar și utilizarea întregului curent pentru slăbirea câmpului este insuficientă pentru a anula legătura fluxului, limitând capacitatea de extindere de mare viteză.

Curentul caracteristic este cel mai intuitiv indicator pentru evaluarea potențialului de slăbire a câmpului.

2. Cercul limită de tensiune și cerc limită de curent

Pe planul vectorial curent, funcționarea motorului este constrânsă de două cercuri:

• Cercul limită de curent : determinat de curentul maxim de ieșire al controlerului;

• Cercul limită de tensiune : determinat de tensiunea magistralei DC și viteza curentului.

Pe măsură ce viteza crește, cercul limită de tensiune se micșorează. Punctul de funcționare al motorului trebuie să se afle în intersecția acestor două cercuri.

Un motor cu capacitate puternică de slăbire a câmpului are încă o zonă de intersecție suficientă la viteză mare pentru a furniza un cuplu util.
Un motor cu o capacitate slabă de slăbire a câmpului vede ca cercul limită de tensiune se micșorează prea repede, strângând punctul de operare într-o regiune foarte mică, iar capacitatea de ieșire scade brusc.

3. Lățimea regiunii cu putere constantă

În inginerie, „regiunea cu putere constantă” este adesea folosită pentru a evalua capacitatea de extindere de mare viteză.
O regiune mai largă cu putere constantă indică faptul că motorul poate menține o putere relativ mare la viteze mari, mai degrabă decât să experimenteze o scădere a cuplului asemănătoare stâncii.

Dacă un motor cu flux axial este proiectat prost pentru slăbirea câmpului, regiunea sa cu putere constantă va fi vizibil îngustă, iar puterea la capătul de mare viteză va scădea rapid.

4. Raportul dintre viteza maximă și viteza nominală

Acest raport este denumit și „raportul de extindere a vitezei de slăbire a câmpului”.
Pentru motoarele tipice pentru vehicule de pasageri, se dorește un raport de expansiune de 3 până la 4 ori sau mai mult, de exemplu, nominal la 4000 rpm și maxim la 15000-18000 rpm.
Dacă un motor cu flux axial poate atinge acest nivel depinde de o evaluare combinată a inductanței, a legăturii de flux, a numărului de perechi de poli și a capacității de tensiune a controlerului.

5. Eficiență de mare viteză și creșterea temperaturii

Slăbirea câmpului nu se referă doar la „dacă se poate învârti”, ci și „cât de eficientă este atunci când o face”.
Dacă curentul de slăbire a câmpului este excesiv de mare, pierderea de cupru crește dramatic, ducând la creșterea severă a temperaturii la viteză mare, ceea ce poate cauza chiar demagnetizarea ireversibilă a magneților permanenți.

Prin urmare, atunci când se evaluează capacitatea de slăbire a câmpului, este esențial să se examineze, de asemenea, MAP-ul eficienței de mare viteză și performanța termică - nu doar numerele de viteză.

IV. Cum se evaluează în practică? Trei abordări

Abordarea 1: Simulare electromagnetică

În timpul fazei de proiectare, inginerii construiesc de obicei un model electromagnetic al motorului cu flux axial folosind software-ul de simulare cu elemente finite.

Prin măturarea diferitelor viteze și vectori de curent, se pot obține următoarele:

• Forma de undă EMF din spate;

• Inductanțe pe axa directă și pe axa în cuadratura  Ld , Lq;

• Legătura de flux  Ψm;

• Curent caracteristic  Ich;

• Intersecția elipsei limită de tensiune și a cercului limită de curent;

• Curba maxima teoretica cuplu-viteza;

• HARTĂ Eficienței.

Aceste date pot reflecta în mod cuprinzător potențialul de slăbire a câmpului motorului.
Cu toate acestea, pentru rezultate de simulare precise, modelul trebuie să reprezinte fidel fluxul de scurgere la capătul fluxului axial, traseele circuitului magnetic 3D și caracteristicile de saturație. Ca rezultat, simularea motoarelor cu flux axial se bazează mai mult pe analiza 3D cu elemente finite, comparativ cu motoarele radiale convenționale.

Abordarea 2: Testarea pe banc

Simularea este doar teoretică; în cele din urmă, sunt necesare măsurători pe banc.

Testele pe bancă includ de obicei:

• Măsurarea coeficientului EMF înapoi;

•  Măsurarea inductanței la diferite temperaturi;

• Curba caracteristică externă cuplu-viteză de vârf;

• Capacitate de ieșire continuă a puterii nominale;

• Timp de funcționare susținut la viteză maximă;

• Creșterea eficienței și a temperaturii în regiunea de slăbire a câmpului de mare viteză;

• Test de degradare a performanței după demagnetizarea magnetului.

Cele mai critice sunt  creșterea temperaturii în regiunea de slăbire a câmpului de mare viteză  și  capacitatea de funcționare continuă .
Multe prototipuri de flux axial pot atinge viteze foarte mari în teste de vârf de scurtă durată, dar dacă se supraîncălzi și se reduc după câteva minute de funcționare continuă, nu pot fi considerate ca având o capacitate de slăbire a câmpului cu adevărat calificată.

Abordarea 3: evaluarea potrivirii strategiei de control

Capacitatea de slăbire a câmpului depinde nu numai de motorul în sine, ci și de controler și algoritmi de control.

Strategiile comune de control includ:

• MTPA (Cuplu maxim pe Amperi);

• Controlul slăbirii câmpului;

• MTPV (Cuplu maxim pe tensiune);

• Alimentare înainte de tensiune și decuplare a curentului în slăbirea câmpului profund.

Evaluarea ar trebui să examineze dacă strategia de control poate exploata pe deplin limitele de tensiune și curent ale motorului cu flux axial.
Dacă corpul motorului are un potențial bun de slăbire a câmpului, dar algoritmul de control este inadecvat, pot apărea probleme precum fluctuația, pierderea controlului sau eficiența excesiv de scăzută la viteze mari.

V. Ce îmbunătățiri de proiectare pot îmbunătăți capacitatea de slăbire a câmpului de mare viteză a motoarelor cu flux axial?

Dacă evaluarea dezvăluie o capacitate insuficientă de slăbire a câmpului, direcțiile comune de îmbunătățire includ:

1. Optimizați inductanța directă a axei

Creșterea adecvată a inductanței pe axa directă poate reduce curentul caracteristic și poate îmbunătăți capacitatea de slăbire a câmpului.
Acest lucru poate fi realizat prin creșterea numărului de perechi de poli, ajustarea geometriei slotului, optimizarea dispoziției înfășurării, creșterea lățimii punții magnetice etc.

Cu toate acestea, creșterea inductanței pe axa directă intră adesea în conflict cu densitatea cuplului, deci este necesară optimizarea cu mai multe obiective.

2. Reduceți moderat legătura de flux

Utilizarea magneților cu remanență puțin mai mică, dar cu toleranță mai mare la temperatură, sau reducerea grosimii magnetului, poate reduce EMF și curentul caracteristic.
Compensația este o reducere a cuplului la viteză mică, care trebuie cântărită în raport cu cerințele generale ale sistemului.

3. Creșteți contribuția cuplului de reluctanță

Prin creșterea raportului de vizibilitate (diferența dintre inductanța de cuadratura și axa directă), cuplul de reluctitate poate prelua o pondere mai mare a ieșirii, reducând dependența de legătura de flux cu magnet permanent.
În acest fel, la slăbirea câmpului de mare viteză, legătura de flux ocupă mai puțin spațiu de tensiune, făcând mai ușoară extinderea vitezei.

4. Adopta excitația hibridă sau fluxul variabil

Aceasta este o abordare mai avansată.
Încorporarea înfășurărilor de câmp sau a magneților cu flux variabil în structura fluxului axial permite reducerea activă a fluxului de aer la viteză mare, transformând „slăbirea câmpului pasiv” în „slăbirea câmpului activ”.

Acest design poate îmbunătăți semnificativ eficiența de mare viteză și lățimea regiunii cu putere constantă, dar crește complexitatea structurală și costul.

5. Îmbunătățiți utilizarea tensiunii magistralei DC

Dacă motorul însuși are o capacitate modestă de slăbire a câmpului, este, de asemenea, posibil să se împingă înapoi „peretele de tensiune” prin creșterea nivelului de tensiune al controlerului, folosind invertoare SiC, optimizarea strategiilor de modulare etc., pentru a furniza o tensiune mai eficientă de la aceeași tensiune magistrală.

Acest lucru lasă mai mult spațiu pentru slăbirea câmpului.

VI. Concepții greșite comune

Când se evaluează capacitatea de slăbire a câmpului de mare viteză a motoarelor cu flux axial, merită remarcate câteva concepții greșite.

Concepție greșită 1: Privind doar viteza maximă.

O viteză maximă mare nu înseamnă neapărat o capacitate puternică de slăbire a câmpului - poate fi doar o explozie de viteză pe termen scurt fără putere de ieșire utilă susținută.

Concepție greșită 2: crederea că motoarele cu flux axial au întotdeauna o slăbire slabă a câmpului.

După cum am menționat mai devreme, fluxul axial este un concept topologic, iar performanța specifică de slăbire a câmpului variază foarte mult. Unele motoare cu flux axial de înaltă performanță pot chiar depăși motoarele cu flux radial comparabile în capacitatea de slăbire a câmpului.

Concepție greșită 3: Ignorarea efectelor temperaturii.

Atât legătura de flux cu magnet permanent, cât și rezistența înfășurării variază în funcție de temperatură. La temperaturi ridicate, legătura de flux scade, modificând cerințele de curent care slăbesc câmpul. Evaluarea ar trebui să utilizeze parametrii de stare fierbinte, nu doar date de stare rece.

Concepție greșită 4: Tratarea vitezei maxime de simulare ca viteză reală utilizabilă.

Simulările sunt adesea executate în condiții ideale de tensiune, curent și temperatură. În testele efective pe banc, neliniaritățile controlerului și protecția termică vor limita regiunea practică de slăbire a câmpului.

VII. Concluzie

Capacitatea de slăbire a câmpului de mare viteză a unui motor cu flux axial este, în esență, o problemă de inginerie la nivel de sistem.

Depinde nu numai de designul electromagnetic al corpului motorului, ci și de strategia de control, capacitatea invertorului și managementul termic.
Evaluarea nu trebuie să se bazeze doar pe unul sau doi parametri; în schimb, necesită o judecată cuprinzătoare bazată pe curentul caracteristic, cercurile limită de tensiune/curent, lățimea regiunii cu putere constantă, eficiența de mare viteză, creșterea temperaturii și capacitatea de funcționare continuă.

Pentru inginerii care urmăresc să împingă cu adevărat motoarele cu flux axial în aplicații de acționare electrică de mare viteză,  capacitatea de slăbire a câmpului nu este o chestiune de „dacă există”, ci mai degrabă „dacă motorul poate extinde viteza în mod durabil și eficient”.

În viitor, cu progrese în materiale noi, noi topologii și tehnici de optimizare multi-fizică, performanța motoarelor cu flux axial în regiunea de slăbire a câmpului de mare viteză va continua să se îmbunătățească.
Și evaluarea precisă și sistematică a capacității lor de slăbire a câmpului va deveni din ce în ce mai mult o verigă critică în dezvoltarea unităților electrice.