Ako vyhodnotiť schopnosť vysokorýchlostného zoslabenia poľa axiálnych motorov s tokom?

V posledných rokoch Motory s axiálnym tokom získali čoraz väčšiu trakciu v komunite elektrických pohonov. Mnohí ich považujú za jeden z reprezentatívnych smerov pre vysokovýkonné motory novej generácie, najmä v aplikáciách, kde sú kritické objem a hmotnosť – ako sú motory na kolesách, drony, elektrické športové autá a hybridné systémy. Štruktúra axiálneho toku ponúka v týchto scenároch jedinečné výhody.

Na skutočné použitie motorov s axiálnym tokom vo vysokorýchlostných elektrických pohonných systémoch je však nevyhnutná jedna technická výzva:  Je schopnosť vysokorýchlostného zoslabovania poľa dostatočná? A ako by sa to malo hodnotiť?

I. Najprv pochopte: Prečo je 'zoslabovanie poľa' vždy potrebné pri vysokej rýchlosti?

Základnou charakteristikou synchrónnych motorov s permanentnými magnetmi (PMSM) je, že spätná EMF sa zvyšuje s rýchlosťou.

Back EMF možno jednoducho chápať ako napätie 'generované' samotným motorom, keď sa otáča. Keď rýchlosť stúpne do určitého bodu, spätné EMF sa priblíži alebo dokonca prekročí maximálne napätie, ktoré môže ovládač dodať – tj napätie DC zbernice. V tomto bode už motor nemôže vstrekovať prúd alebo zvyšovať rýchlosť; je účinne blokovaný 'napäťovou stenou.'

Čo sa teda dá robiť?

Metóda je:  aktívne znižovanie toku motora, tj. 'slabšie' magnetické pole , čím sa zníži zadné EMF a uvoľní sa priestor pre napätie pre vyššie rýchlosti. Toto bežne nazývame „kontrola zoslabovania poľa“.

Analógia:
Štandardný bicykel potrebuje veľký prevodový pomer na rozbeh a vysoký krútiaci moment; ak udržíte tento veľký pomer pri vysokej rýchlosti, vaše nohy nedokážu držať krok s kadenciou. Ovládanie zoslabujúce pole je ako preradenie na menší prevodový pomer pri vysokej rýchlosti, čo umožňuje, aby sa rýchlosť vozidla naďalej zvyšovala, pričom kadencia nôh zostáva rovnaká.

II. Osobitosti motorov s axiálnym tokom pri zoslabovaní poľa

Motory s axiálnym tokom nie sú jedinou pevnou konštrukciou, ale skôr širokou kategóriou topológií. Ich spoločným znakom je, že tok vzduchovej medzery prúdi v axiálnom smere, a nie v radiálnom smere, ako u konvenčných motorov s radiálnym tokom.

Táto štruktúra prináša výhody, ako je vysoká hustota krútiaceho momentu, plochý tvarový faktor a krátka axiálna dĺžka, ale tiež zavádza niektoré charakteristiky relevantné pre schopnosť zoslabovať pole.

Jedným z najvplyvnejších faktorov je:  veľa motorov s axiálnym tokom má relatívne nízku indukčnosť.

Schopnosť motora zoslabovať pole úzko súvisí s pomerom indukčnosti  Ld v priamej osi  k väzbe toku  Ψm . Zjednodušene povedané, čím väčšia je indukčnosť v priamej osi a čím menšie je prepojenie toku, tým ľahšie sa teoreticky oslabuje pole a tým silnejšia je schopnosť vysokorýchlostného rozšírenia.

Mnoho motorov s axiálnym tokom v snahe o vysokú hustotu krútiaceho momentu má krátke magnetické dráhy a krátke koncové vinutia, čo má za následok prirodzene nízku indukčnosť. V dôsledku toho je potrebný väčší prúd zoslabujúci pole na zrušenie spojenia toku, čo vedie k výraznému zvýšeniu straty medi pri vysokej rýchlosti, poklesu účinnosti a možno aj nedostatočnej schopnosti zoslabovania poľa.

Ale všimnite si:  nie všetky motory s axiálnym tokom majú slabý výkon pri zoslabovaní poľa.
Závisí to od konkrétneho dizajnu. Napríklad použitie viacvrstvových magnetov, zvýšenie počtu pólových párov, optimalizácia konfigurácií vinutia alebo zvýšenie príspevku reluktančného krútiaceho momentu, to všetko môže zlepšiť výkon pri zoslabovaní poľa.

Preto pri hodnotení nemožno jednoducho povedať, že 'motory s axiálnym tokom majú vždy slabé zoslabenie poľa'; musí sa posudzovať od prípadu k prípadu pre každý konkrétny dizajn.

III. Aké sú hlavné ukazovatele na hodnotenie schopnosti oslabiť pole?

V inžinierskej praxi hodnotenie schopnosti vysokorýchlostného zoslabenia poľa motora s axiálnym tokom zvyčajne zahŕňa nasledujúce základné parametre a krivky.

1. Charakteristický prúd

Charakteristický prúd je definovaný ako:

 kde  Ψm  je väzba toku permanentného magnetu a  Ld  je indukčnosť v priamej osi.

Ak je charakteristický prúd menší ako maximálny výstupný prúd regulátora, potom môže motor teoreticky vstúpiť do oblasti 'nekonečného zoslabovania poľa', čo umožňuje predĺženie veľmi vysokou rýchlosťou.
Ak je charakteristický prúd väčší ako maximálny prúd, znamená to, že aj použitie celého prúdu na zoslabenie poľa nestačí na zrušenie prepojenia toku, čo obmedzuje schopnosť vysokorýchlostného rozšírenia.

Charakteristický prúd je najintuitívnejším indikátorom na vyhodnotenie potenciálu zoslabovania poľa.

2. Kruh medzného napätia a medzného prúdu prúdu

Na aktuálnej vektorovej rovine je prevádzka motora obmedzená dvoma kruhmi:

• Prúdový limitný kruh : určený maximálnym výstupným prúdom regulátora;

• Napäťový limitný kruh : určený napätím DC zbernice a aktuálnou rýchlosťou.

Keď sa rýchlosť zvyšuje, kružnica limitu napätia sa zmenšuje. Pracovný bod motora musí ležať v priesečníku týchto dvoch kružníc.

Motor so silnou schopnosťou zoslabovať pole má stále dostatočnú priesečníkovú plochu pri vysokej rýchlosti, aby poskytoval užitočný krútiaci moment.
Motor so zlou schopnosťou zoslabovania poľa vidí, že sa kružnica limitu napätia príliš rýchlo zmenšuje, čím sa pracovný bod stlačí do veľmi malej oblasti a výstupná kapacita prudko klesá.

3. Šírka oblasti konštantného výkonu

V inžinierstve sa 'oblasť konštantného výkonu' často používa na vyhodnotenie schopnosti vysokorýchlostného rozšírenia.
Širšia oblasť konštantného výkonu naznačuje, že motor si môže udržať relatívne vysoký výkon pri vysokých rýchlostiach, namiesto toho, aby zažíval pokles krútiaceho momentu podobný útesu.

Ak je motor s axiálnym tokom zle navrhnutý na zoslabovanie poľa, jeho oblasť konštantného výkonu bude výrazne úzka a výkon na vysokorýchlostnom konci rýchlo klesne.

4. Pomer maximálnej rýchlosti k menovitej rýchlosti

Tento pomer sa tiež nazýva 'pomer expanzie rýchlosti pri zoslabovaní poľa'.
Pre typické hnacie motory osobných vozidiel je požadovaný expanzný pomer 3 až 4 krát alebo viac – napríklad pri hodnote 4 000 ot./min a maximálne pri 15 000 – 18 000 ot./min.
To, či motor s axiálnym tokom môže dosiahnuť túto úroveň, závisí od kombinovaného hodnotenia indukčnosti, prepojenia toku, počtu párov pólov a schopnosti napätia regulátora.

5. Vysokorýchlostná účinnosť a nárast teploty

Oslabovanie poľa nie je len o tom, „či sa môže roztočiť“, ale aj o tom, „aké je efektívne, keď sa to stane.“
Ak je prúd zoslabujúci pole príliš veľký, straty medi sa dramaticky zvýšia, čo vedie k prudkému nárastu teploty pri vysokej rýchlosti, čo môže dokonca spôsobiť nevratnú demagnetizáciu permanentných magnetov.

Preto pri hodnotení schopnosti zoslabovania poľa je nevyhnutné preskúmať aj vysokorýchlostnú účinnosť MAP a tepelný výkon – nielen čísla rýchlosti.

IV. Ako hodnotiť v praxi? Tri prístupy

Prístup 1: Elektromagnetická simulácia

Počas fázy návrhu inžinieri zvyčajne vytvárajú elektromagnetický model motora s axiálnym tokom pomocou softvéru na simuláciu konečných prvkov.

Zametaním rôznych rýchlostí a prúdových vektorov možno získať nasledovné:

• Späť EMF priebeh;

• Priame a kvadratúrne osové indukčnosti  Ld , Lq;

• Spojenie toku  Ψm;

• Charakteristický prúd  Ich;

• Priesečník elipsy limitu napätia a kruhu limitu prúdu;

• Teoretická krivka maximálneho krútiaceho momentu a rýchlosti;

• Mapa účinnosti.

Tieto údaje môžu komplexne odrážať potenciál motora zoslabovať pole.
Pre presné výsledky simulácie však musí model verne reprezentovať axiálny tok a tok úniku, dráhy 3D magnetického obvodu a charakteristiky saturácie. V dôsledku toho sa simulácia motorov s axiálnym tokom viac spolieha na 3D analýzu konečných prvkov v porovnaní s konvenčnými radiálnymi motormi.

Prístup 2: Testovanie na skúšobnej stolici

Simulácia je len teoretická; nakoniec sú potrebné merania na lavičke.

Bench testy zvyčajne zahŕňajú:

• meranie spätného EMF koeficientu;

•  Meranie indukčnosti pri rôznych teplotách;

• Vonkajšia charakteristika špičkového krútiaceho momentu a otáčok;

• Schopnosť trvalého menovitého výkonu;

• Trvalá prevádzková doba pri maximálnej rýchlosti;

• Efektívnosť a nárast teploty v oblasti rýchleho zoslabovania poľa;

• Test degradácie výkonu po demagnetizácii magnetu.

Najkritickejšie sú  zvýšenie teploty v oblasti vysokorýchlostného zoslabovania poľa  a  schopnosť nepretržitej prevádzky .
Mnohé prototypy axiálneho toku môžu dosiahnuť veľmi vysoké rýchlosti v krátkodobých špičkových testoch, ale ak sa prehrejú a znížia po niekoľkých minútach nepretržitej prevádzky, nemožno ich považovať za skutočne kvalifikované so schopnosťou zoslabovania poľa.

Prístup 3: Hodnotenie zhody stratégie riadenia

Schopnosť zoslabenia poľa závisí nielen od samotného motora, ale aj od regulátora a riadiacich algoritmov.

Bežné kontrolné stratégie zahŕňajú:

• MTPA (maximálny krútiaci moment na ampér);

• Kontrola oslabenia poľa;

• MTPV (maximálny krútiaci moment na napätie);

• Dopredné napätie a oddelenie prúdu pri zoslabovaní hlbokého poľa.

Hodnotenie by malo preskúmať, či stratégia riadenia môže plne využiť limity napätia a prúdu motora s axiálnym tokom.
Ak má telo motora dobrý potenciál zoslabovania poľa, ale riadiaci algoritmus je neadekvátny, pri vysokých rýchlostiach sa môžu vyskytnúť problémy, ako je chvenie, strata kontroly alebo príliš nízka účinnosť.

V. Ktoré konštrukčné vylepšenia môžu zlepšiť schopnosť vysokorýchlostného zoslabenia poľa motorov s axiálnym tokom?

Ak hodnotenie odhalí nedostatočnú schopnosť zoslabovať pole, bežné pokyny na zlepšenie zahŕňajú:

1. Optimalizujte indukčnosť priamej osi

Vhodné zvýšenie indukčnosti v priamej osi môže znížiť charakteristický prúd a zvýšiť schopnosť zoslabovania poľa.
To sa dá dosiahnuť zvýšením počtu pólových párov, úpravou geometrie štrbiny, optimalizáciou rozloženia vinutia, zväčšením šírky magnetického mostíka atď.

Zvyšovanie indukčnosti v priamej osi je však často v rozpore s hustotou krútiaceho momentu, takže je potrebná viacúčelová optimalizácia.

2. Mierne znížte prepojenie toku

Použitie magnetov s mierne nižšou remanenciou, ale vyššou teplotnou toleranciou alebo znížením hrúbky magnetu môže znížiť EMF a charakteristický prúd.
Kompromisom je zníženie krútiaceho momentu pri nízkych otáčkach, ktoré je potrebné zvážiť vzhľadom na celkové systémové požiadavky.

3. Zvýšte príspevok k reluktančnému momentu

Zvýšením pomeru výbežkov (rozdiel medzi kvadratúrnou a priamou osovou indukčnosťou) môže reluktančný krútiaci moment prevziať väčší podiel výstupu, čím sa zníži závislosť na toku permanentných magnetov.
Týmto spôsobom pri vysokorýchlostnom zoslabovaní poľa zaberá prepojenie toku menšiu napäťovú výšku, čo uľahčuje rozšírenie rýchlosti.

4. Prijmite hybridnú excitáciu alebo variabilný tok

Toto je pokročilejší prístup.
Začlenenie poľných vinutí alebo magnetov s premenlivým tokom do štruktúry axiálneho toku umožňuje aktívne zníženie toku vzduchovou medzerou pri vysokej rýchlosti, čím sa 'pasívne zoslabovanie poľa' transformuje na 'zoslabovanie aktívneho poľa.'

Tento dizajn môže výrazne zlepšiť vysokorýchlostnú účinnosť a šírku oblasti konštantného výkonu, ale zvyšuje štrukturálnu zložitosť a náklady.

5. Zlepšite využitie napätia DC zbernice

Ak má samotný motor miernu schopnosť zoslabenia poľa, je tiež možné potlačiť 'napäťovú stenu' zvýšením úrovne napätia regulátora, použitím SiC invertorov, optimalizáciou modulačných stratégií atď., aby bolo možné dodať efektívnejšie napätie z rovnakého napätia zbernice.

To ponecháva viac priestoru na oslabenie poľa.

VI. Bežné mylné predstavy

Pri hodnotení schopnosti vysokorýchlostného zoslabovania poľa motorov s axiálnym tokom stojí za zmienku niekoľko mylných predstáv.

Mylná predstava 1: Pozeráme sa len na maximálnu rýchlosť.

Vysoká maximálna rýchlosť nemusí nutne znamenať silnú schopnosť zoslabovať pole – môže to byť len krátkodobý nárast rýchlosti bez trvalého užitočného výkonu.

Mylná predstava 2: Veriť, že motory s axiálnym tokom majú vždy slabé zoslabenie poľa.

Ako už bolo spomenuté, axiálny tok je topologický koncept a špecifický výkon pri zoslabovaní poľa sa značne líši. Niektoré vysokovýkonné motory s axiálnym tokom môžu dokonca prekonať porovnateľné motory s radiálnym tokom v schopnosti zoslabovať pole.

Mylná predstava 3: Ignorovanie teplotných vplyvov.

Spojenie toku permanentného magnetu a odpor vinutia sa menia s teplotou. Pri vysokých teplotách sa väzba toku znižuje, čím sa menia požiadavky na prúd zoslabujúci pole. Hodnotenie by malo používať parametre horúceho stavu, nielen údaje o studenom stave.

Mylná predstava 4: Zaobchádzanie s maximálnou rýchlosťou simulácie ako so skutočnou využiteľnou rýchlosťou.

Simulácie často prebiehajú za ideálnych podmienok napätia, prúdu a teploty. Pri skutočnom testovaní na skúšobnom zariadení obmedzia nelinearity regulátora a tepelná ochrana praktickú oblasť zoslabovania poľa.

VII. Záver

Schopnosť vysokorýchlostného zoslabenia poľa motora s axiálnym tokom je v podstate inžinierskym problémom na úrovni systému.

Závisí to nielen od elektromagnetického dizajnu tela motora, ale aj od stratégie riadenia, schopnosti meniča a tepelného manažmentu.
Hodnotenie by sa nemalo spoliehať len na jeden alebo dva parametre; namiesto toho vyžaduje komplexný úsudok založený na charakteristickom prúde, medzných kruhoch napätia/prúdu, šírke oblasti konštantného výkonu, vysokorýchlostnej účinnosti, náraste teploty a schopnosti nepretržitej prevádzky.

Pre inžinierov, ktorí chcú skutočne presadiť motory s axiálnym tokom do aplikácií s vysokorýchlostným elektrickým pohonom,  nie je schopnosť zoslabovania poľa otázkou „či existuje“, ale skôr „či motor dokáže predĺžiť rýchlosť udržateľne a efektívne.“

V budúcnosti, s pokrokmi v nových materiáloch, nových topológiách a technikách optimalizácie viacerých fyzikov, sa výkon motorov s axiálnym tokom v oblasti vysokorýchlostného zoslabovania poľa bude naďalej zlepšovať.
A presné a systematické vyhodnocovanie ich schopnosti zoslabovať pole bude čoraz viac kritickým článkom vo vývoji elektrických pohonov.