Как оценить высокоскоростную способность двигателей с осевым магнитным потоком ослаблять поле?

В последние годы, Двигатели с осевым магнитным потоком набирают все большую популярность в сообществе электроприводов. Многие считают их одним из представительных направлений для высокопроизводительных двигателей следующего поколения, особенно в тех случаях, когда объем и вес имеют решающее значение, например, в мотор-колесах, дронах, спортивных электромобилях и гибридных системах. Структура осевого потока действительно предлагает уникальные преимущества в этих сценариях.

Однако для реального применения двигателей с осевым магнитным потоком в высокоскоростных системах электропривода неизбежна одна техническая проблема:  достаточна ли способность высокоскоростного ослабления поля? И как это следует оценивать?

I. Во-первых, поймите: почему «ослабление поля» всегда необходимо на высокой скорости?

Фундаментальной характеристикой синхронных двигателей с постоянными магнитами (СДПМ) является то, что обратная ЭДС увеличивается с увеличением скорости.

Обратная ЭДС можно просто понимать как напряжение, «генерируемое» самим двигателем при его вращении. Когда скорость возрастает до определенной точки, обратная ЭДС приближается или даже превышает максимальное напряжение, которое может обеспечить контроллер, т. е. напряжение шины постоянного тока. В этот момент двигатель больше не может подавать ток или увеличивать скорость; оно эффективно заблокировано «стеной напряжения».

Так что же можно сделать?

Метод заключается в следующем:  активно уменьшить потокосцепление двигателя, т. е. сделать магнитное поле «ослабленным» , тем самым снизив обратную ЭДС и освободив запас напряжения для более высоких скоростей. Это то, что мы обычно называем «контролем ослабления поля».

Аналогия:
стандартному велосипеду требуется большое передаточное число для запуска и высокий крутящий момент; Если вы сохраните такое большое соотношение на высокой скорости, ваши ноги не смогут справиться с ритмом. Управление с ослаблением поля похоже на переключение на меньшее передаточное число на высокой скорости, позволяющее скорости автомобиля продолжать увеличиваться, в то время как частота вращения педалей остается прежней.

II. Особенности двигателей с осевым магнитным потоком при ослаблении поля

Двигатели с осевым магнитным потоком представляют собой не единую фиксированную конструкцию, а скорее широкую категорию топологий. Их общей особенностью является то, что поток в воздушном зазоре течет в осевом направлении, а не радиально, как в обычных двигателях с радиальным магнитным потоком.

Эта структура имеет такие преимущества, как высокая плотность крутящего момента, плоский форм-фактор и короткая осевая длина, но также имеет некоторые характеристики, относящиеся к способности ослаблять поле.

Одним из наиболее влиятельных факторов является то, что  многие двигатели с осевым магнитным потоком имеют относительно низкую индуктивность.

Способность двигателя ослаблять поле тесно связана с отношением индуктивности прямой оси  Ld  к потокосцеплению  Ψm . Проще говоря, чем больше индуктивность по прямой оси и меньше потокосвязь, тем легче теоретически становится ослабление поля и тем сильнее возможность высокоскоростного расширения.

Многие двигатели с осевым магнитным потоком, стремясь к высокой плотности крутящего момента, имеют короткие магнитные пути и короткие концевые обмотки, что приводит к естественно низкой индуктивности. Следовательно, для отмены потокосцепления требуется больший ток ослабления поля, что приводит к значительному увеличению потерь в меди на высокой скорости, падению эффективности и, возможно, даже недостаточной способности ослаблять поле.

Но учтите:  не все двигатели с осевым магнитным потоком имеют плохие характеристики ослабления поля.
Это зависит от конкретной конструкции. Например, использование многослойных магнитов, увеличение количества пар полюсов, оптимизация конфигурации обмоток или увеличение вклада реактивного крутящего момента — все это может улучшить характеристики ослабления поля.

Поэтому при оценке нельзя просто сказать «двигатели с осевым магнитным потоком всегда имеют слабое ослабление поля»; его необходимо оценивать в каждом конкретном случае для каждой конкретной конструкции.

III. Каковы основные показатели для оценки способности ослаблять поле?

В инженерной практике оценка способности двигателя с осевым магнитным потоком к высокоскоростному ослаблению поля обычно включает в себя следующие основные параметры и кривые.

1. Характеристический ток

Характеристический ток определяется как:

 где  Ψm  — потокосцепление постоянного магнита, а  Ld  — индуктивность по прямой оси.

Если характеристический ток меньше максимального выходного тока контроллера, то двигатель теоретически может войти в область «бесконечного ослабления поля», что обеспечивает очень высокую скорость.
Если характеристический ток превышает максимальный ток, это означает, что даже использования всего тока для ослабления поля недостаточно для отмены потокосцепления, что ограничивает возможности высокоскоростного расширения.

Характеристический ток является наиболее понятным индикатором для оценки потенциала ослабления поля.

2. Круг ограничения напряжения и круг ограничения тока.

На плоскости вектора тока работа двигателя ограничена двумя кругами:

• Круг ограничения тока : определяется максимальным выходным током контроллера;

• Круг ограничения напряжения : определяется напряжением шины постоянного тока и текущей скоростью.

По мере увеличения скорости круг ограничения напряжения сужается. Рабочая точка двигателя должна находиться в пределах пересечения этих двух окружностей.

Двигатель с сильной способностью ослаблять поле по-прежнему имеет достаточную площадь пересечения на высокой скорости, чтобы обеспечить полезный крутящий момент.
У двигателя с плохой способностью к ослаблению поля круг ограничения напряжения сужается слишком быстро, сжимая рабочую точку в очень маленькую область, и выходная мощность резко падает.

3. Ширина области постоянной мощности.

В технике «область постоянной мощности» часто используется для оценки возможности высокоскоростного расширения.
Более широкая область постоянной мощности указывает на то, что двигатель может поддерживать относительно высокую выходную мощность на высоких скоростях, а не испытывать резкое падение крутящего момента.

Если двигатель с осевым магнитным потоком плохо спроектирован для ослабления поля, его область постоянной мощности будет заметно узкой, и мощность на высокоскоростном конце быстро упадет.

4. Отношение максимальной скорости к номинальной скорости.

Это соотношение также называется «коэффициентом расширения скорости с ослаблением поля».
Для типичных приводных двигателей легковых автомобилей желателен коэффициент расширения в 3–4 раза или более - например, номинальный при 4000 об / мин и максимальный при 15 000–18 000 об / мин.
Сможет ли двигатель с осевым магнитным потоком достичь этого уровня, зависит от совокупной оценки индуктивности, потокосцепления, количества пар полюсов и допустимого напряжения контроллера.

5. Высокоскоростная эффективность и повышение температуры.

Ослабление поля зависит не только от того, «может ли оно раскручиваться», но и от того, «насколько оно эффективно, когда оно это делает».
Если ток ослабления поля слишком велик, потери в меди резко возрастают, что приводит к резкому повышению температуры на высокой скорости, что может даже вызвать необратимое размагничивание постоянных магнитов.

Следовательно, при оценке способности к ослаблению поля важно также изучить эффективность MAP на высоких скоростях и тепловые характеристики, а не только показатели скорости.

IV. Как оценить на практике? Три подхода

Подход 1: Электромагнитное моделирование

На этапе проектирования инженеры обычно создают электромагнитную модель двигателя с осевым магнитным потоком, используя программное обеспечение для моделирования методом конечных элементов.

Путем развертки различных скоростей и векторов тока можно получить следующее:

• Форма сигнала обратной ЭДС;

• Индуктивности по прямой и квадратурной оси  Ld , Lq;

• Потокосцепление  Ψm;

• Характеристический ток  Ich;

• Пересечение эллипса ограничения напряжения и круга ограничения тока;

• Теоретическая кривая максимального крутящего момента и скорости;

• Эффективность МАП.

Эти данные могут всесторонне отразить потенциал ослабления поля двигателя.
Однако для получения точных результатов моделирования модель должна точно отображать поток рассеяния по осевому потоку, трехмерные траектории магнитной цепи и характеристики насыщения. В результате моделирование двигателей с осевым магнитным потоком в большей степени опирается на трехмерный анализ методом конечных элементов по сравнению с обычными радиальными двигателями.

Подход 2: Стендовые испытания

Моделирование является только теоретическим; в конечном итоге необходимы стендовые измерения.

Стендовые испытания обычно включают в себя:

• Измерение коэффициента обратной ЭДС;

•  Измерение индуктивности при различных температурах;

• Внешняя характеристика пикового момента и скорости;

• Непрерывная номинальная выходная мощность;

• Устойчивое время работы на максимальной скорости;

• Повышение КПД и температуры в области высокоскоростного ослабления поля;

• Испытание на снижение производительности после размагничивания магнита.

Наиболее критичными являются  повышение температуры в области высокоскоростного ослабления поля  и  возможность непрерывной работы. .
Многие прототипы с осевым потоком могут достигать очень высоких скоростей в кратковременных пиковых испытаниях, но если они перегреваются и снижаются после нескольких минут непрерывной работы, их нельзя рассматривать как обладающие действительно квалифицированной способностью ослаблять поле.

Подход 3: Оценка соответствия стратегии управления

Способность к ослаблению поля зависит не только от самого двигателя, но также от контроллера и алгоритмов управления.

Общие стратегии контроля включают в себя:

• MTPA (Максимальный крутящий момент на Ампер);

• Контроль ослабления поля;

• MTPV (Максимальный крутящий момент на напряжение);

• Упреждение по напряжению и развязка тока при глубоком ослаблении поля.

При оценке следует выяснить, может ли стратегия управления полностью использовать ограничения по напряжению и току двигателя с осевым магнитным потоком.
Если корпус двигателя имеет хороший потенциал ослабления поля, но алгоритм управления неадекватен, на высоких скоростях могут возникнуть такие проблемы, как дрожание, потеря управления или слишком низкий КПД.

V. Какие конструктивные усовершенствования могут повысить способность высокоскоростных двигателей с осевым магнитным потоком ослаблять поле?

Если оценка выявляет недостаточную способность к ослаблению поля, общие направления улучшения включают в себя:

1. Оптимизация индуктивности по прямой оси.

Соответствующее увеличение индуктивности по прямой оси может снизить характеристический ток и повысить способность к ослаблению поля.
Этого можно добиться увеличением количества пар полюсов, корректировкой геометрии пазов, оптимизацией схемы расположения обмоток, увеличением ширины магнитного моста и т. д.

Однако увеличение индуктивности по прямой оси часто противоречит плотности крутящего момента, поэтому требуется многокритериальная оптимизация.

2. Умеренно уменьшить потокосцепление.

Использование магнитов с немного меньшей остаточной намагниченностью, но более высокой температурной устойчивостью или уменьшение толщины магнита может снизить обратную ЭДС и характеристический ток.
Компромиссом является снижение крутящего момента на низких скоростях, которое необходимо сопоставить с общими требованиями системы.

3. Увеличение вклада реактивного крутящего момента.

За счет увеличения коэффициента заметности (разницы между квадратурной и прямой индуктивностями), реактивный момент может принимать на себя большую долю выходной мощности, уменьшая зависимость от потокосцепления с постоянными магнитами.
Таким образом, при высокоскоростном ослаблении поля потокосцепление занимает меньший запас напряжения, что облегчает увеличение скорости.

4. Принять гибридное возбуждение или переменный поток.

Это более продвинутый подход.
Включение обмоток возбуждения или магнитов с переменным магнитным потоком в структуру осевого потока позволяет активно уменьшать поток в воздушном зазоре на высокой скорости, превращая «пассивное ослабление поля» в «активное ослабление поля».

Эта конструкция может значительно улучшить эффективность на высоких скоростях и ширину области постоянной мощности, но увеличивает структурную сложность и стоимость.

5. Улучшение использования напряжения шины постоянного тока.

Если сам двигатель обладает умеренной способностью к ослаблению поля, можно также устранить «стену напряжения», повысив уровень напряжения контроллера, используя инверторы SiC, оптимизируя стратегии модуляции и т. д., чтобы обеспечить более эффективное напряжение при том же напряжении на шине.

Это оставляет больше возможностей для ослабления поля.

VI. Распространенные заблуждения

При оценке высокоскоростных возможностей двигателей с осевым магнитным потоком следует отметить несколько заблуждений.

Заблуждение 1: Смотрим только на максимальную скорость.

Высокая максимальная скорость не обязательно означает сильную способность к ослаблению поля — это может быть просто кратковременный скачок скорости без устойчивой полезной выходной мощности.

Заблуждение 2: Полагать, что двигатели с осевым магнитным потоком всегда имеют плохое ослабление поля.

Как упоминалось ранее, осевой поток — это топологическая концепция, и конкретные характеристики ослабления поля широко варьируются. Некоторые высокопроизводительные двигатели с осевым магнитным потоком могут даже превосходить сопоставимые двигатели с радиальным магнитным потоком по способности ослаблять поле.

Заблуждение 3: Игнорирование температурных эффектов.

Как потокосцепление постоянного магнита, так и сопротивление обмотки изменяются в зависимости от температуры. При высоких температурах потокосцепление уменьшается, изменяя требования к току, ослабляющему поле. При оценке следует использовать параметры горячего состояния, а не только данные холодного состояния.

Заблуждение 4: Считать максимальную скорость моделирования реальной полезной скоростью.

Моделирование часто проводится в идеальных условиях напряжения, тока и температуры. При реальных стендовых испытаниях нелинейность контроллера и тепловая защита ограничивают практическую область ослабления поля.

VII. Заключение

Способность двигателя с осевым магнитным потоком к высокоскоростному ослаблению поля, по сути, является инженерной проблемой системного уровня.

Это зависит не только от электромагнитной конструкции корпуса двигателя, но также от стратегии управления, возможностей инвертора и управления температурой.
Оценка не должна основываться только на одном или двух параметрах; вместо этого требуется всесторонняя оценка, основанная на характеристическом токе, предельных кругах напряжения/тока, ширине области постоянной мощности, эффективности на высоких скоростях, повышении температуры и возможности непрерывной работы.

Для инженеров, стремящихся по-настоящему внедрить двигатели с осевым магнитным потоком в высокоскоростные электроприводы,  возможность ослабления поля — это вопрос не того, «существует ли она», а, скорее, «может ли двигатель увеличивать скорость устойчиво и эффективно».

В будущем, благодаря достижениям в области новых материалов, новых топологий и методов мультифизической оптимизации, характеристики двигателей с осевым магнитным потоком в высокоскоростной области ослабления поля будут продолжать улучшаться.
И точная и систематическая оценка их способности ослаблять поле будет все больше становиться важнейшим звеном в разработке электропривода.