Si të vlerësoni aftësinë e dobësimit të fushës me shpejtësi të lartë të motorëve me fluks boshtor?

Në vitet e fundit, Motorët e fluksit aksial kanë fituar tërheqje në rritje në komunitetin e lëvizjes elektrike. Ata konsiderohen nga shumë njerëz si një nga drejtimet përfaqësuese për motorët me performancë të lartë të gjeneratës së ardhshme, veçanërisht në aplikacionet ku vëllimi dhe pesha janë kritike - të tilla si motorët në rrota, dronët, makinat sportive elektrike dhe sistemet hibride. Struktura e fluksit aksial ofron avantazhe unike në këto skenarë.

Megjithatë, për të aplikuar me të vërtetë motorët e fluksit boshtor në sistemet e lëvizjes elektrike me shpejtësi të lartë, një sfidë teknike është e pashmangshme:  A është e mjaftueshme aftësia për dobësimin e fushës me shpejtësi të lartë? Dhe si duhet vlerësuar?

I. Së pari, kuptoni: Pse 'dobësimi i fushës' është gjithmonë i nevojshëm me shpejtësi të lartë?

Një karakteristikë themelore e motorëve sinkron me magnet të përhershëm (PMSM) është se EMF e pasme rritet me shpejtësi.

EMF e pasme mund të kuptohet thjesht si voltazhi 'i gjeneruar' nga vetë motori ndërsa rrotullohet. Kur shpejtësia rritet në një pikë të caktuar, EMF-ja e pasme i afrohet ose edhe e tejkalon tensionin maksimal që kontrolluesi mund të furnizojë - dmth, tensioni i autobusit DC. Në atë pikë, motori nuk mund të injektojë më rrymë ose të rrisë shpejtësinë; është bllokuar në mënyrë efektive nga një 'mur tensioni'.

Pra, çfarë mund të bëhet?

Metoda është:  zvogëloni në mënyrë aktive lidhjen e fluksit të motorit, d.m.th., bëni fushën magnetike 'më të dobët' , duke ulur kështu EMF-në e pasme dhe duke liruar hapësirën kryesore të tensionit për shpejtësi më të larta. Kjo është ajo që ne zakonisht e quajmë 'kontroll i dobësimit të fushës'.

Një analogji:
Një biçikletë standarde ka nevojë për një raport të madh ingranazhesh për nisje dhe çift rrotullues të lartë; nëse e mbani atë raport të madh me shpejtësi të lartë, këmbët tuaja nuk mund të vazhdojnë me kadencën. Kontrolli i dobësimit të fushës është si kalimi në një raport më të vogël marshi me shpejtësi të lartë, duke lejuar që shpejtësia e automjetit të vazhdojë të rritet ndërsa ritmi i këmbës suaj mbetet i njëjtë.

II. Veçoritë e motorëve të fluksit boshtor në dobësimin e fushës

Motorët e fluksit boshtor nuk janë një dizajn i vetëm fiks, por një kategori e gjerë topologjish. Karakteristika e tyre e përbashkët është se fluksi i hendekut të ajrit rrjedh në drejtim boshtor, dhe jo në mënyrë radiale si në motorët konvencionalë të fluksit radial.

Kjo strukturë sjell avantazhe të tilla si densiteti i lartë i çift rrotullues, faktori i formës së sheshtë dhe gjatësia e shkurtër boshtore, por gjithashtu prezanton disa karakteristika të rëndësishme për aftësinë e dobësimit të fushës.

Një nga faktorët më me ndikim është:  shumë motorë me fluks boshtor kanë induktivitet relativisht të ulët.

Aftësia e dobësimit të fushës së një motori është e lidhur ngushtë me raportin e induktivitetit të boshtit të drejtpërdrejtë  Ld  me lidhjen e fluksit  Ψm . E thënë thjesht, sa më e madhe të jetë induktanca e boshtit të drejtpërdrejtë dhe sa më e vogël të jetë lidhja e fluksit, aq më e lehtë bëhet dobësimi i fushës në teori dhe aq më e fortë është aftësia e zgjatjes me shpejtësi të lartë.

Shumë motorë me fluks boshtor, në ndjekje të densitetit të lartë të çift rrotullues, kanë shtigje të shkurtra magnetike dhe mbështjellje të shkurtra fundore, duke rezultuar në induktivitet të ulët natyrshëm. Rrjedhimisht, kërkohet një rrymë më e madhe e dobësimit të fushës për të anuluar lidhjen e fluksit, duke çuar në një rritje të konsiderueshme të humbjes së bakrit me shpejtësi të lartë, një rënie të efikasitetit dhe ndoshta edhe në aftësi të pamjaftueshme për dobësimin e fushës.

Por vini re:  jo të gjithë motorët me fluks boshtor kanë performancë të dobët në dobësimin e fushës.
Varet nga dizajni specifik. Për shembull, përdorimi i magneteve me shumë shtresa, rritja e numrit të çiftit të poleve, optimizimi i konfigurimeve të mbështjelljes ose rritja e kontributit të çift rrotullues të ngurtësimit mund të përmirësojnë performancën e dobësimit të fushës.

Prandaj, kur vlerësohet, nuk mund të thuhet thjesht 'motorët e fluksit aksial gjithmonë kanë dobësim të dobët të fushës'; ai duhet të vlerësohet rast pas rasti për çdo dizajn specifik.

III. Cilët janë treguesit kryesorë për vlerësimin e aftësisë për dobësimin e fushës?

Në praktikën inxhinierike, vlerësimi i aftësisë së dobësimit të fushës me shpejtësi të lartë të një motori me fluks aksial zakonisht përfshin parametrat dhe kthesat kryesore të mëposhtme.

1. Rryma karakteristike

Rryma karakteristike përcaktohet si:

 ku  Ψm  është lidhja e përhershme e fluksit të magnetit dhe  Ld  është induktanca e boshtit të drejtpërdrejtë.

Nëse rryma karakteristike është më e vogël se rryma maksimale e daljes së kontrolluesit, atëherë motori teorikisht mund të hyjë në rajonin 'dobësimi i pafundmë i fushës', duke lejuar zgjatjen me shpejtësi shumë të lartë.
Nëse rryma karakteristike është më e madhe se rryma maksimale, kjo do të thotë se edhe përdorimi i të gjithë rrymës për dobësimin e fushës është i pamjaftueshëm për të anuluar lidhjen e fluksit, duke kufizuar aftësinë e zgjatjes me shpejtësi të lartë.

Rryma karakteristike është treguesi më intuitiv për vlerësimin e potencialit të dobësimit të fushës.

2. Rrethi i kufirit të tensionit dhe rrethi i kufirit të rrymës

Në rrafshin vektorial aktual, funksionimi i motorit kufizohet nga dy rrathë:

• Rrethi i kufirit të rrymës : përcaktohet nga rryma maksimale e daljes së kontrolluesit;

• Rrethi i kufirit të tensionit : përcaktohet nga tensioni i autobusit DC dhe shpejtësia aktuale.

Me rritjen e shpejtësisë, rrethi i kufirit të tensionit zvogëlohet. Pika e funksionimit të motorit duhet të jetë brenda kryqëzimit të këtyre dy rrathëve.

Një motor me aftësi të fortë të dobësimit të fushës ka ende një zonë të mjaftueshme kryqëzimi me shpejtësi të lartë për të dhënë çift rrotullues të dobishëm.
Një motor me aftësi të dobët të dobësimit të fushës sheh rrethin e kufirit të tensionit të tkurret shumë shpejt, duke e shtrydhur pikën e funksionimit në një zonë shumë të vogël dhe aftësia e daljes bie ndjeshëm.

3. Gjerësia e rajonit me fuqi konstante

Në inxhinieri, 'rajoni me fuqi konstante' përdoret shpesh për të vlerësuar aftësinë e zgjerimit me shpejtësi të lartë.
Një rajon më i gjerë me fuqi konstante tregon se motori mund të mbajë fuqi relativisht të lartë me shpejtësi të lartë, në vend që të përjetojë një rënie të çift rrotullues si shkëmb.

Nëse një motor me fluks boshtor është projektuar keq për dobësimin e fushës, rajoni i tij me fuqi konstante do të jetë dukshëm i ngushtë dhe fuqia në skajin me shpejtësi të lartë do të bjerë shpejt.

4. Raporti i shpejtësisë maksimale ndaj shpejtësisë së vlerësuar

Ky raport quhet gjithashtu 'raporti i zgjerimit të shpejtësisë së dobësimit të fushës'.
Për motorët tipikë të lëvizjes së automjeteve të pasagjerëve, dëshirohet një raport zgjerimi prej 3 deri në 4 herë ose më shumë - për shembull, i vlerësuar në 4000 rpm dhe maksimumi në 15000–18000 rpm.
Nëse një motor fluksi boshtor mund ta arrijë këtë nivel varet nga një vlerësim i kombinuar i induktivitetit, lidhjes së fluksit, numrit të çiftit të poleve dhe aftësisë së tensionit të kontrolluesit.

5. Efikasiteti me shpejtësi të lartë dhe rritja e temperaturës

Dobësimi i fushës nuk ka të bëjë vetëm me 'nëse mund të rrotullohet lart', por gjithashtu 'sa efikas është kur bëhet'.
Nëse rryma e dobësimit të fushës është tepër e madhe, humbja e bakrit rritet në mënyrë dramatike, duke çuar në një rritje të fortë të temperaturës me shpejtësi të lartë, gjë që mund të shkaktojë edhe çmagnetizim të pakthyeshëm të magnetëve të përhershëm.

Prandaj, kur vlerësohet aftësia e dobësimit të fushës, është thelbësore të ekzaminohet gjithashtu MAP e efikasitetit të shpejtësisë së lartë dhe performanca termike - jo vetëm numrat e shpejtësisë.

IV. Si të vlerësohet në praktikë? Tre qasje

Qasja 1: Simulimi elektromagnetik

Gjatë fazës së projektimit, inxhinierët zakonisht ndërtojnë një model elektromagnetik të motorit të fluksit boshtor duke përdorur softuerin e simulimit të elementeve të fundme.

Duke fshirë shpejtësi të ndryshme dhe vektorë të rrymës, mund të përftohen sa vijon:

• Forma e valës së pasme EMF;

• Induktancat e boshtit të drejtpërdrejtë dhe të boshtit kuadraturë  Ld , Lq;

• Lidhja fluksore  Ψm;

• Rryma karakteristike  Ich;

• Kryqëzimi i elipsës së kufirit të tensionit dhe rrethit kufitar të rrymës;

• Kurba teorike maksimale çift rrotullues-shpejtësi;

• Harta e efikasitetit.

Këto të dhëna mund të pasqyrojnë plotësisht potencialin e dobësimit të fushës së motorit.
Megjithatë, për rezultate të sakta të simulimit, modeli duhet të përfaqësojë me besnikëri fluksin e rrjedhjes fundore të fluksit boshtor, shtigjet e qarkut magnetik 3D dhe karakteristikat e ngopjes. Si rezultat, simulimi i motorëve të fluksit boshtor mbështetet më shumë në analizën e elementeve të fundme 3D në krahasim me motorët radialë konvencionalë.

Qasja 2: Testimi në stol

Simulimi është vetëm teorik; në fund të fundit, kërkohen matjet në stol.

Testet e stolit zakonisht përfshijnë:

• Matja e koeficientit të EMF prapa;

•  Matja e induktivitetit në temperatura të ndryshme;

• Kurba e jashtme karakteristike e maksimumit çift rrotullues-shpejtësi;

• Aftësia e vazhdueshme e prodhimit të fuqisë së vlerësuar;

• Koha e qëndrueshme e funksionimit me shpejtësi maksimale;

• Efikasiteti dhe rritja e temperaturës në rajonin e dobësimit të fushës me shpejtësi të lartë;

• Testi i degradimit të performancës pas demagnetizimit të magnetit.

Më kritikët janë  rritja e temperaturës në rajonin e dobësimit të fushës me shpejtësi të lartë  dhe  aftësia e funksionimit të vazhdueshëm .
Shumë prototipe të fluksit boshtor mund të arrijnë shpejtësi shumë të larta në testet e pikut me kohëzgjatje të shkurtër, por nëse mbinxehen dhe zvogëlohen pas disa minutash funksionimi të vazhdueshëm, ato nuk mund të konsiderohen se kanë aftësi vërtet të kualifikuar për dobësimin e fushës.

Qasja 3: Kontrolli i vlerësimit të përputhjes së strategjisë

Aftësia e dobësimit të fushës varet jo vetëm nga vetë motori, por edhe nga kontrolluesi dhe algoritmet e kontrollit.

Strategjitë e zakonshme të kontrollit përfshijnë:

• MTPA (Maksimum Çift rrotullues për Amper);

• Kontrolli i dobësimit të fushës;

• MTPV (Moment rrotullues maksimal për tension);

• Përhapja e tensionit dhe shkëputja e rrymës në dobësimin e thellë të fushës.

Vlerësimi duhet të ekzaminojë nëse strategjia e kontrollit mund të shfrytëzojë plotësisht kufijtë e tensionit dhe rrymës së motorit të fluksit aksial.
Nëse trupi i motorit ka potencial të mirë për dobësimin e fushës, por algoritmi i kontrollit është i pamjaftueshëm, çështje të tilla si nervozizmi, humbja e kontrollit ose efikasiteti tepër i ulët mund të ndodhin me shpejtësi të lartë.

V. Cilat përmirësime të projektimit mund të rrisin aftësinë e dobësimit të fushës me shpejtësi të lartë të motorëve me fluks aksial?

Nëse vlerësimi zbulon aftësi të pamjaftueshme për dobësimin e fushës, drejtimet e zakonshme të përmirësimit përfshijnë:

1. Optimizoni induktivitetin e boshtit të drejtpërdrejtë

Rritja e duhur e induktivitetit të boshtit të drejtpërdrejtë mund të ulë rrymën karakteristike dhe të përmirësojë aftësinë e dobësimit të fushës.
Kjo mund të arrihet duke rritur numrin e çiftit të poleve, duke rregulluar gjeometrinë e folesë, duke optimizuar shtrirjen e mbështjelljes, duke rritur gjerësinë e urës magnetike, etj.

Megjithatë, rritja e induktivitetit të boshtit të drejtpërdrejtë shpesh bie ndesh me densitetin e çift rrotullues, kështu që kërkohet optimizim me shumë objektiva.

2. Reduktoni mesatarisht lidhjen e fluksit

Përdorimi i magneteve me remanencë pak më të ulët, por me tolerancë më të lartë të temperaturës, ose zvogëlimi i trashësisë së magnetit, mund të ulë EMF-në e shpinës dhe rrymën karakteristike.
Kombinimi është një reduktim në çift rrotullues me shpejtësi të ulët, i cili duhet të peshohet kundrejt kërkesave të përgjithshme të sistemit.

3. Rritja e kontributit të çift rrotullues të ngurrimit

Duke rritur raportin e spikatur (ndryshimi midis induktancës së kuadraturës dhe boshtit të drejtpërdrejtë), çift rrotullimi i ngurtësimit mund të marrë një pjesë më të madhe të prodhimit, duke reduktuar mbështetjen në lidhjen e përhershme të fluksit magnetik.
Në këtë mënyrë, me dobësimin e fushës me shpejtësi të lartë, lidhja e fluksit zë më pak hapësirë ​​të tensionit, duke e bërë më të lehtë zgjerimin e shpejtësisë.

4. Adoptoni ngacmimin hibrid ose fluksin e ndryshueshëm

Kjo është një qasje më e avancuar.
Përfshirja e mbështjelljeve të fushës ose magneteve me fluks të ndryshueshëm në strukturën e fluksit boshtor lejon reduktimin aktiv të fluksit të hapësirës ajrore me shpejtësi të lartë, duke e shndërruar 'dobësimin pasiv të fushës' në 'dobësim të fushës aktive'.

Ky dizajn mund të përmirësojë ndjeshëm efikasitetin e shpejtësisë së lartë dhe gjerësinë e rajonit me fuqi konstante, por rrit kompleksitetin strukturor dhe koston.

5. Përmirësoni përdorimin e tensionit të autobusit DC

Nëse vetë motori ka aftësi modeste të dobësimit të fushës, është gjithashtu e mundur të shtyhet 'muri i tensionit' duke ngritur nivelin e tensionit të kontrolluesit, duke përdorur invertorët SiC, duke optimizuar strategjitë e modulimit, etj., për të dhënë një tension më efektiv nga i njëjti tension autobusi.

Kjo lë më shumë hapësirë ​​për dobësimin e fushës.

VI. Keqkuptime të zakonshme

Kur vlerësohet aftësia për dobësimin e fushës me shpejtësi të lartë të motorëve me fluks boshtor, vlen të përmenden disa keqkuptime.

Keqkuptimi 1: Vetëm duke parë shpejtësinë maksimale.

Një shpejtësi maksimale e lartë nuk do të thotë domosdoshmërisht aftësi e fortë e dobësimit të fushës—mund të jetë thjesht një shpërthim shpejtësie afatshkurtër pa prodhim të qëndrueshëm të energjisë së dobishme.

Keqkuptim 2: Besimi se motorët me fluks boshtor kanë gjithmonë dobësim të dobët të fushës.

Siç u përmend më herët, fluksi boshtor është një koncept topologjik dhe performanca specifike e dobësimit të fushës ndryshon shumë. Disa motorë me fluks boshtor me performancë të lartë madje mund të tejkalojnë motorët e krahasueshëm të fluksit radial në aftësinë e dobësimit të fushës.

Keqkuptimi 3: Injorimi i efekteve të temperaturës.

Si lidhja e përhershme e fluksit magnetik ashtu edhe rezistenca e mbështjelljes ndryshojnë me temperaturën. Në temperatura të larta, lidhja e fluksit zvogëlohet, duke ndryshuar kërkesat aktuale të dobësimit të fushës. Vlerësimi duhet të përdorë parametrat e gjendjes së nxehtë, jo vetëm të dhënat e gjendjes së ftohtë.

Keqkuptimi 4: Trajtimi i shpejtësisë maksimale të simulimit si shpejtësia aktuale e përdorshme.

Simulimet shpesh kryhen në kushte ideale të tensionit, rrymës dhe temperaturës. Në testimin aktual të stolit, jolinearitetet e kontrolluesit dhe mbrojtja termike do të kufizojnë rajonin praktik të dobësimit të fushës.

VII. konkluzioni

Aftësia për dobësimin e fushës me shpejtësi të lartë të një motori me fluks boshtor është, në thelb, një problem inxhinierik i nivelit të sistemit.

Kjo varet jo vetëm nga dizajni elektromagnetik i trupit të motorit, por edhe nga strategjia e kontrollit, aftësia e inverterit dhe menaxhimi termik.
Vlerësimi nuk duhet të mbështetet vetëm në një ose dy parametra; në vend të kësaj, ai kërkon një gjykim gjithëpërfshirës bazuar në rrymën karakteristike, rrathët e kufirit të tensionit/rrymës, gjerësinë e rajonit me fuqi konstante, efikasitetin me shpejtësi të lartë, rritjen e temperaturës dhe aftësinë e funksionimit të vazhdueshëm.

Për inxhinierët që synojnë të shtyjnë me të vërtetë motorët e fluksit boshtor në aplikacionet e lëvizjes elektrike me shpejtësi të lartë,  aftësia e dobësimit të fushës nuk është çështje 'nëse ekziston', por më tepër 'nëse motori mund të zgjasë shpejtësinë në mënyrë të qëndrueshme dhe efikase'.

Në të ardhmen, me përparimet në materialet e reja, topologjitë e reja dhe teknikat e optimizimit të shumë-fizikës, performanca e motorëve të fluksit aksial në rajonin e dobësimit të fushës me shpejtësi të lartë do të vazhdojë të përmirësohet.
Dhe vlerësimi i saktë dhe sistematik i aftësisë së tyre për dobësimin e fushës do të bëhet gjithnjë e më shumë një lidhje kritike në zhvillimin e makinës elektrike.