Kako ovrednotiti zmožnost oslabitve polja visoke hitrosti motorjev z aksialnim pretokom?

V zadnjih letih, motorji z aksialnim pretokom so pridobili vedno več pozornosti v skupnosti električnih pogonov. Mnogi jih smatrajo za eno od reprezentativnih usmeritev za visokozmogljive motorje naslednje generacije, zlasti v aplikacijah, kjer sta prostornina in teža kritična – kot so motorji na kolesih, brezpilotna letala, električni športni avtomobili in hibridni sistemi. Struktura aksialnega toka ponuja edinstvene prednosti v teh scenarijih.

Vendar pa je za resnično uporabo aksialnih motorjev s pretokom v visokohitrostnih električnih pogonskih sistemih en tehnični izziv neizogiben:  ali je zmogljivost oslabitve polja pri visokih hitrostih zadostna? In kako ga je treba ovrednotiti?

I. Najprej razumejte: zakaj je 'oslabitev polja' vedno potrebna pri visoki hitrosti?

Temeljna značilnost sinhronskih motorjev s trajnimi magneti (PMSM) je, da povratni EMF narašča s hitrostjo.

Povratni EMF lahko preprosto razumemo kot napetost, ki jo 'generira' sam motor, ko se vrti. Ko se hitrost dvigne do določene točke, se povratni EMF približa ali celo preseže največjo napetost, ki jo krmilnik lahko zagotovi—tj. napetost vodila DC. Na tej točki motor ne more več vbrizgati toka ali povečati hitrosti; učinkovito ga blokira 'napetostni zid'.

Torej, kaj je mogoče storiti?

Metoda je:  aktivno zmanjšajte pretočno povezavo motorja, tj. naredite magnetno polje 'šibkejše' , s čimer znižate povratni EMF in sprostite napetostni prostor za višje hitrosti. To je tisto, kar običajno imenujemo 'kontrola oslabitve polja'.

Analogija:
standardno kolo potrebuje veliko prestavno razmerje za speljevanje in visok navor; če ohranjate to veliko razmerje pri visoki hitrosti, vaše noge ne morejo dohajati kadence. Nadzor z oslabitvijo polja je kot prestavljanje na nižje prestavno razmerje pri visoki hitrosti, kar omogoča, da hitrost vozila še naprej narašča, medtem ko kadenca vaše noge ostane enaka.

II. Posebnosti motorjev z aksialnim pretokom pri oslabitvi polja

Motorji z aksialnim pretokom niso enotna fiksna zasnova, temveč široka kategorija topologij. Njihova skupna značilnost je, da tok zračne reže teče v aksialni smeri in ne radialno kot pri običajnih motorjih z radialnim pretokom.

Ta struktura prinaša prednosti, kot so visoka gostota navora, ploski faktor oblike in kratka osna dolžina, uvaja pa tudi nekatere značilnosti, pomembne za zmožnost oslabitve polja.

Eden najvplivnejših dejavnikov je:  veliko motorjev z aksialnim pretokom ima relativno nizko induktivnost.

Zmožnost oslabitve polja motorja je tesno povezana z razmerjem med induktivnostjo neposredne osi  Ld  in pretočno povezavo  Ψm . Preprosto povedano, večja kot je induktivnost neposredne osi in manjša kot je pretočna povezava, teoretično postane slabitev polja lažja in močnejša je zmožnost razširitve pri visoki hitrosti.

Številni motorji z aksialnim pretokom imajo v prizadevanju za visoko gostoto navora kratke magnetne poti in kratka končna navitja, kar ima za posledico naravno nizko induktivnost. Posledično je potreben večji tok za oslabitev polja, da prekliče povezavo toka, kar vodi do znatnega povečanja izgube bakra pri visoki hitrosti, padca učinkovitosti in morda celo nezadostne zmogljivosti za oslabitev polja.

Vendar upoštevajte:  vsi motorji z aksialnim pretokom nimajo slabe zmogljivosti slabljenja polja.
Odvisno je od specifične zasnove. Na primer, uporaba večslojnih magnetov, povečanje števila parov polov, optimizacija konfiguracij navitij ali povečanje prispevka navora upora lahko izboljša učinkovitost oslabitve polja.

Zato pri ocenjevanju ne moremo preprosto reči 'motorji z aksialnim pretokom imajo vedno šibko oslabitev polja'; oceniti ga je treba od primera do primera za vsako posebno zasnovo.

III. Kateri so glavni indikatorji za ocenjevanje zmožnosti oslabitve polja?

V inženirski praksi ocenjevanje zmožnosti oslabitve polja pri visoki hitrosti motorja z aksialnim pretokom običajno vključuje naslednje osnovne parametre in krivulje.

1. Karakteristični tok

Karakteristični tok je opredeljen kot:

 kjer je  Ψm  povezava pretoka trajnega magneta,  Ld pa  je induktivnost neposredne osi.

Če je karakteristični tok manjši od največjega izhodnega toka krmilnika, lahko motor teoretično vstopi v območje 'neskončnega oslabitve polja', kar omogoča podaljšanje zelo visoke hitrosti.
Če je karakteristični tok večji od največjega toka, to pomeni, da celo uporaba celotnega toka za oslabitev polja ne zadošča za prekinitev pretočne povezave, kar omejuje zmožnost razširitve visoke hitrosti.

Karakteristični tok je najbolj intuitiven indikator za oceno potenciala oslabitve polja.

2. Napetostni mejni krog in tokovni mejni krog

Na trenutni vektorski ravnini je delovanje motorja omejeno z dvema krogoma:

• Tokovni mejni krog : določen z največjim izhodnim tokom krmilnika;

• Mejni krog napetosti : določen z napetostjo vodila DC in trenutno hitrostjo.

Z naraščanjem hitrosti se mejni krog napetosti krči. Delovna točka motorja mora biti v presečišču teh dveh krogov.

Motor z močno zmožnostjo oslabitve polja ima še vedno dovolj presečišča pri visoki hitrosti, da zagotovi uporaben navor.
Motor s slabo sposobnostjo oslabitve polja opazi, da se mejni krog napetosti skrči prehitro, stisne delovno točko v zelo majhno območje in izhodna zmogljivost močno upade.

3. Širina območja konstantne moči

V tehniki se 'območje konstantne moči' pogosto uporablja za oceno zmožnosti razširitve visoke hitrosti.
Širše območje konstantne moči kaže, da lahko motor vzdržuje relativno visoko izhodno moč pri visokih vrtljajih, namesto da doživi strmoglavi padec navora.

Če je motor z aksialnim pretokom slabo zasnovan za oslabitev polja, bo njegovo območje konstantne moči opazno ozko in moč na koncu visoke hitrosti bo hitro padla.

4. Razmerje med največjo in nazivno hitrostjo

To razmerje se imenuje tudi 'razmerje raztezanja hitrosti z oslabljenim poljem'.
Za tipične pogonske motorje osebnih vozil je zaželeno razmerje raztezanja 3- do 4-krat ali več - na primer ocenjeno pri 4000 vrt./min in največ pri 15.000–18.000 vrt./min.
Ali lahko motor z aksialnim pretokom doseže to raven, je odvisno od kombinirane ocene induktivnosti, pretočne povezave, števila parov polov in napetostne zmogljivosti krmilnika.

5. Visoka učinkovitost in dvig temperature

Pri oslabitvi polja ne gre le za to, 'ali se lahko zavrti', ampak tudi, 'kako učinkovito je, ko se vrti'.
Če je tok oslabitve polja pretirano velik, se izguba bakra dramatično poveča, kar vodi do močnega dviga temperature pri visoki hitrosti, kar lahko celo povzroči ireverzibilno razmagnetenje trajnih magnetov.

Zato je pri ocenjevanju zmogljivosti oslabitve polja bistvenega pomena preučiti tudi MAP učinkovitosti pri visoki hitrosti in toplotno zmogljivost – ne le številk hitrosti.

IV. Kako oceniti v praksi? Trije pristopi

Pristop 1: Elektromagnetna simulacija

V fazi načrtovanja inženirji običajno zgradijo elektromagnetni model motorja z aksialnim pretokom z uporabo programske opreme za simulacijo končnih elementov.

S pometanjem različnih hitrosti in tokovnih vektorjev lahko dobimo naslednje:

• Valovna oblika povratnega elektromagnetnega polja;

• Induktivnosti direktne in kvadraturne osi  Ld , Lq;

• Pretočna povezava  Ψm;

• Značilni tok  Ich;

• presečišče napetostne mejne elipse in tokovnega mejnega kroga;

• Teoretična krivulja največjega navora in števila vrtljajev;

• Učinkovitost MAP.

Ti podatki lahko celovito odražajo motorjev potencial oslabitve polja.
Za natančne rezultate simulacije pa mora model natančno predstavljati aksialni tok in tok uhajanja, 3D-poti magnetnega vezja in značilnosti nasičenja. Posledično se simulacija motorjev z aksialnim pretokom v primerjavi z običajnimi radialnimi motorji bolj zanaša na 3D analizo končnih elementov.

Pristop 2: Namizno testiranje

Simulacija je le teoretična; končno so potrebne meritve na klopi.

Namizni preskusi običajno vključujejo:

• Merjenje povratnega EMF koeficienta;

•  Merjenje induktivnosti pri različnih temperaturah;

• zunanja karakteristična krivulja največjega navora in števila vrtljajev;

• zmožnost neprekinjene nazivne izhodne moči;

• Trajen čas delovanja pri največji hitrosti;

• Učinkovitost in dvig temperature v območju oslabitve polja visoke hitrosti;

• Preskus poslabšanja delovanja po razmagnetenju magneta.

Najbolj kritična sta  dvig temperature v območju oslabitve polja visoke hitrosti  in  zmožnost neprekinjenega delovanja .
Številni prototipi aksialnega toka lahko dosežejo zelo visoke hitrosti pri kratkotrajnih najvišjih preskusih, vendar če se po nekaj minutah neprekinjenega delovanja pregrejejo in zmanjšajo zmogljivost, jih ni mogoče šteti za resnično kvalificirano sposobnost oslabitve polja.

Pristop 3: Ujemanje strategije nadzora

Sposobnost oslabitve polja ni odvisna le od samega motorja, temveč tudi od krmilnika in krmilnih algoritmov.

Pogoste nadzorne strategije vključujejo:

• MTPA (največji navor na amper);

• Nadzor oslabitve polja;

• MTPV (največji navor na napetost);

• Napredna napetost in ločitev toka pri globoki oslabitvi polja.

Vrednotenje mora preučiti, ali lahko krmilna strategija v celoti izkoristi omejitve napetosti in toka motorja z aksialnim pretokom.
Če ima ohišje motorja dober potencial oslabitve polja, vendar je krmilni algoritem neustrezen, se lahko pri visokih hitrostih pojavijo težave, kot so tresenje, izguba nadzora ali pretirano nizka učinkovitost.

V. Katere konstrukcijske izboljšave lahko povečajo zmogljivost oslabljenega polja pri visokih hitrostih motorjev z aksialnim pretokom?

Če vrednotenje razkrije nezadostno sposobnost oslabitve polja, običajne smernice za izboljšanje vključujejo:

1. Optimizirajte induktivnost neposredne osi

Ustrezno povečanje induktivnosti neposredne osi lahko zniža karakteristični tok in poveča sposobnost oslabitve polja.
To je mogoče doseči s povečanjem števila parov polov, prilagoditvijo geometrije rež, optimizacijo postavitve navitij, povečanjem širine magnetnega mostu itd.

Vendar je povečanje induktivnosti neposredne osi pogosto v nasprotju z gostoto navora, zato je potrebna optimizacija z več cilji.

2. Zmerno zmanjšajte povezavo toka

Uporaba magnetov z nekoliko nižjo remanenco, vendar višjo temperaturno toleranco ali zmanjšanje debeline magneta lahko zmanjša povratni EMF in značilni tok.
Kompromis je zmanjšanje navora pri nizki hitrosti, ki ga je treba pretehtati glede na splošne zahteve sistema.

3. Povečajte prispevek vrtilnega momenta

S povečanjem razmerja opaznosti (razlika med kvadraturno in induktivnostjo neposredne osi) lahko navor odpora prevzame večji delež izhoda, kar zmanjša odvisnost od povezave trajnega magnetnega toka.
Na ta način pri oslabitvi polja visoke hitrosti pretočna povezava zavzame manj prostora za napetost, zaradi česar je povečanje hitrosti lažje.

4. Sprejmite hibridno vzbujanje ali spremenljivi tok

To je naprednejši pristop.
Vključitev navitij polja ali magnetov s spremenljivim pretokom v strukturo aksialnega pretoka omogoča aktivno zmanjšanje pretoka zračne reže pri visoki hitrosti, s čimer se 'pasivno oslabitev polja' spremeni v 'aktivno oslabitev polja'.

Ta zasnova lahko znatno izboljša učinkovitost pri visokih hitrostih in širino območja konstantne moči, vendar poveča strukturno kompleksnost in stroške.

5. Izboljšati izkoristek napetosti vodila DC

Če ima sam motor skromno zmožnost oslabitve polja, je možno potisniti 'napetostni zid' tudi z zvišanjem nivoja napetosti krmilnika, uporabo pretvornikov SiC, optimizacijo modulacijskih strategij itd., da zagotovite učinkovitejšo napetost iz iste napetosti vodila.

To pušča več prostora za oslabitev polja.

VI. Pogoste napačne predstave

Pri ocenjevanju zmožnosti oslabljenega polja visoke hitrosti motorjev z aksialnim pretokom je vredno omeniti več napačnih predstav.

Zmota 1: gledamo le na največjo hitrost.

Visoka najvišja hitrost ne pomeni nujno močne zmožnosti oslabitve polja – lahko gre le za kratkotrajni izbruh hitrosti brez trajne koristne izhodne moči.

Napačno prepričanje 2: prepričanje, da imajo motorji z aksialnim pretokom vedno slabo oslabitev polja.

Kot smo že omenili, je aksialni tok topološki koncept in specifična zmogljivost oslabitve polja se zelo razlikuje. Nekateri visoko zmogljivi motorji z aksialnim pretokom lahko celo prekašajo primerljive motorje z radialnim pretokom v zmožnosti oslabitve polja.

Zmota 3: Ignoriranje temperaturnih učinkov.

Povezava trajnega magnetnega toka in odpornost navitja se spreminjata s temperaturo. Pri visokih temperaturah se povezava pretoka zmanjša, kar spremeni zahteve glede toka, ki oslabi polje. Vrednotenje bi moralo uporabljati parametre vročega stanja, ne le podatkov o hladnem stanju.

Zmota 4: Obravnavanje največje hitrosti simulacije kot dejanske uporabne hitrosti.

Simulacije se pogosto izvajajo pod idealnimi pogoji napetosti, toka in temperature. Pri dejanskem testiranju na preskusni napravi bodo nelinearnosti krmilnika in toplotna zaščita omejile praktično območje oslabitve polja.

VII. Zaključek

Zmožnost oslabljenega polja visoke hitrosti motorja z aksialnim pretokom je v bistvu inženirski problem na ravni sistema.

To ni odvisno le od elektromagnetne zasnove ohišja motorja, ampak tudi od strategije krmiljenja, zmogljivosti pretvornika in toplotnega upravljanja.
Vrednotenje se ne sme zanašati le na enega ali dva parametra; namesto tega zahteva celovito presojo na podlagi karakterističnega toka, mejnih krogov napetosti/toka, širine območja konstantne moči, učinkovitosti pri visoki hitrosti, dviga temperature in zmožnosti neprekinjenega delovanja.

Za inženirje, ki želijo motorje z aksialnim pretokom resnično potisniti v aplikacije visokohitrostnih električnih pogonov,  zmožnost oslabitve polja ni vprašanje, 'ali obstaja', ampak bolj 'ali lahko motor vzdržno in učinkovito poveča hitrost.'

V prihodnosti se bo z napredkom na področju novih materialov, novih topologij in večfizikalnih tehnik optimizacije delovanje motorjev z aksialnim pretokom v območju oslabitve polja visoke hitrosti še naprej izboljševalo.
Natančno in sistematično ocenjevanje njihove zmožnosti oslabitve polja bo vedno bolj postalo kritična povezava v razvoju električnih pogonov.