Последњих година, аксијални флукс мотори су добили све већу вучу у заједници електричних погона. Многи их сматрају једним од репрезентативних праваца за моторе високих перформанси следеће генерације, посебно у апликацијама где су запремина и тежина критични—као што су мотори у точковима, дронови, електрични спортски аутомобили и хибридни системи. Структура аксијалног флукса нуди јединствене предности у овим сценаријима.
Међутим, да би се истински применили мотори са аксијалним флуксом у системима електричних погона велике брзине, неизбежан је један технички изазов: Да ли је способност брзог слабљења поља довољна? И како то треба оценити?
И. Прво, схватите: зашто је 'слабљење поља' увек неопходно при великој брзини?
Основна карактеристика синхроних мотора са трајним магнетима (ПМСМ) је да се повратни ЕМФ повећава са брзином.
Повратни ЕМФ се једноставно може схватити као напон који „генерише“ сам мотор док се ротира. Када брзина порасте до одређене тачке, повратни ЕМФ се приближава или чак премашује максимални напон који контролер може да обезбеди—тј. напон ДЦ магистрале. У том тренутку, мотор више не може убризгати струју или повећати брзину; ефективно је блокиран 'напонским зидом'.
Па шта се може учинити?
Метода је: активно смањите везу флукса мотора, тј. учините магнетно поље „слабијим“ , чиме се смањује повратни ЕМФ и ослобађа напон за веће брзине. То је оно што обично називамо „контрола слабљења поља“.
Аналогија: Стандардном бициклу је потребан велики преносни однос за покретање и велики обртни момент; ако држите тај велики однос при великој брзини, ваше ноге не могу пратити ритам. Контрола слабљења поља је попут пребацивања на мањи степен преноса при великој брзини, омогућавајући да брзина возила настави да расте док ритам ваше ноге остаје исти.
ИИ. Посебности мотора са аксијалним флуксом у слабљењу поља
Мотори са аксијалним флуксом нису јединствени фиксни дизајн, већ широка категорија топологија. Њихова заједничка карактеристика је да флукс ваздушног зазора тече у аксијалном смеру, а не радијално као код конвенционалних мотора са радијалним флуксом.
Ова структура доноси предности као што су велика густина обртног момента, раван фактор облика и кратка аксијална дужина, али такође уводи неке карактеристике релевантне за способност слабљења поља.
Један од најутицајнијих фактора је: многи мотори са аксијалним флуксом имају релативно ниску индуктивност.
Способност мотора да ослаби поље је уско повезана са односом индуктивности директне осе Лд према вези флукса Ψм . Једноставно речено, што је већа индуктивност директне осе и мања веза флукса, у теорији постаје лакше слабљење поља и јача могућност проширења велике брзине.
Многи мотори са аксијалним флуксом, у потрази за великом густином обртног момента, имају кратке магнетне путање и кратке крајње намотаје, што резултира природно ниском индуктивношћу. Сходно томе, потребна је већа струја слабљења поља да би се поништила веза флукса, што доводи до значајног повећања губитка бакра при великој брзини, пада ефикасности, а можда чак и недовољне способности за слабљење поља.
Али имајте на уму: немају сви мотори са аксијалним флуксом лоше перформансе слабљења поља. Зависи од специфичног дизајна. На пример, коришћење вишеслојних магнета, повећање броја пара полова, оптимизација конфигурација намотаја или повећање доприноса релуктантног обртног момента могу побољшати перформансе слабљења поља.
Стога, приликом процене, не може се једноставно рећи 'мотори са аксијалним флуксом увек имају слабљење поља'; мора се проценити од случаја до случаја за сваки конкретан дизајн.
ИИИ. Који су главни индикатори за процену способности слабљења терена?
У инжењерској пракси, процена способности слабљења поља велике брзине код мотора аксијалног флукса обично укључује следеће основне параметре и криве.
1. Карактеристична струја
Карактеристична струја се дефинише као:
где је Ψм веза флукса перманентног магнета, а Лд је индуктивност директне осе.
Ако је карактеристична струја мања од максималне излазне струје контролера, онда мотор теоретски може ући у регион 'бесконачног слабљења поља', омогућавајући проширење веома велике брзине. Ако је карактеристична струја већа од максималне струје, то значи да чак и коришћење свих струја за слабљење поља није довољно да се поништи веза флукса, ограничавајући могућност проширења велике брзине.
Карактеристична струја је најинтуитивнији индикатор за процену потенцијала слабљења поља.
2. Круг ограничења напона и гранични круг струје
На тренутној векторској равни, рад мотора је ограничен са два круга:
Гранични круг струје : одређен максималном излазном струјом контролера;
Гранични круг напона : одређен напоном ДЦ магистрале и тренутном брзином.
Како се брзина повећава, круг ограничења напона се смањује. Радна тачка мотора мора да лежи унутар пресека ова два круга.
Мотор са јаком способношћу слабљења поља и даље има довољну површину пресека при великој брзини да испоручи користан обртни момент. Мотор са лошом способношћу слабљења поља види да се гранични круг напона пребрзо смањује, потискујући радну тачку у веома мали регион, а излазна способност нагло опада.
3. Ширина региона са константном снагом
У инжењерингу, „подручје константне снаге“ се често користи за процену могућности проширења велике брзине. Шири регион константне снаге указује на то да мотор може да одржава релативно високу излазну снагу при великим брзинама, уместо да доживи пад обртног момента налик на литицу.
Ако је мотор аксијалног флукса лоше дизајниран за слабљење поља, његов регион константне снаге ће бити приметно уски, а снага на крају велике брзине ће брзо пасти.
4. Однос максималне брзине према називној брзини
Овај однос се такође назива „однос експанзије брзине слабљења поља“. За типичне погонске моторе путничких возила, пожељан је однос експанзије од 3 до 4 пута или више—на пример, оцењен на 4000 о/мин и максимално при 15000–18000 о/мин. Да ли мотор са аксијалним флуксом може да постигне овај ниво зависи од комбиноване процене индуктивности, везе флукса, броја пара полова и могућности напона контролера.
5. Ефикасност велике брзине и пораст температуре
Слабљење поља се не односи само на то „да ли може да се окрене“, већ и на „колико је ефикасно када то ради“. Ако је струја слабљења поља претерано велика, губитак бакра се драматично повећава, што доводи до озбиљног пораста температуре при великој брзини, што може чак изазвати и неповратну демагнетизацију трајних магнета.
Стога, када се процењује способност слабљења поља, од суштинске је важности да се испита и МАП ефикасности велике брзине и топлотне перформансе — не само бројеви брзине.
ИВ. Како проценити у пракси? Три приступа
Приступ 1: Електромагнетна симулација
Током фазе пројектовања, инжењери обично граде електромагнетни модел мотора аксијалног флукса користећи софтвер за симулацију коначних елемената.
Пребацивањем различитих брзина и вектора струје може се добити следеће:
Таласни облик повратне ЕМФ;
Индуктивности директне осе и квадратурне осе Лд , Лк;
Веза флукса Ψм;
Карактеристична струја Ицх;
Пресек граничне елипсе напона и струјног граничног круга;
Теоретски максимални обртни момент-брзина крива;
Ефикасност МАП.
Ови подаци могу свеобухватно да одражавају потенцијал слабљења поља мотора. Међутим, за тачне резултате симулације, модел мора верно да представља ток цурења на крају аксијалног флукса, путање 3Д магнетног кола и карактеристике засићења. Као резултат тога, симулација мотора са аксијалним флуксом се више ослања на 3Д анализу коначних елемената у поређењу са конвенционалним радијалним моторима.
Приступ 2: Испитивање на клупи
Симулација је само теоријска; на крају, потребна су мерења на клупи.
Тестови на клупи обично укључују:
Мерење коефицијента повратне ЕМФ;
Мерење индуктивности на различитим температурама;
Екстерна карактеристична крива вршног обртног момента и брзине;
Могућност континуалне номиналне излазне снаге;
Трајно време рада при максималној брзини;
Ефикасност и пораст температуре у области велике брзине слабљења поља;
Тест деградације перформанси након демагнетизације магнета.
Најкритичнији су пораст температуре у области велике брзине слабљења поља и способност континуираног рада. . Многи прототипови аксијалног флукса могу постићи веома велике брзине у краткотрајним вршним тестовима, али ако се прегреју и смање после неколико минута непрекидног рада, не може се сматрати да имају заиста квалификовану способност слабљења поља.
Приступ 3: Контрола евалуације усклађености стратегије
Способност слабљења поља зависи не само од самог мотора, већ и од контролера и контролних алгоритама.
Уобичајене стратегије контроле укључују:
МТПА (максимални обртни момент по амперу);
Контрола слабљења поља;
МТПВ (максимални обртни момент по напону);
Одвајање напона и струје у дубоком слабљењу поља.
Процена треба да испита да ли стратегија управљања може у потпуности да искористи границе напона и струје аксијалног флукс мотора. Ако тело мотора има добар потенцијал за слабљење поља, али алгоритам управљања није адекватан, проблеми као што су подрхтавање, губитак контроле или претерано ниска ефикасност могу се појавити при великим брзинама.
В. Која побољшања дизајна могу побољшати способност слабљења поља велике брзине код мотора аксијалног флукса?
Одговарајуће повећање индуктивности директне осе може смањити карактеристичну струју и побољшати способност слабљења поља. Ово се може постићи повећањем броја пара полова, подешавањем геометрије прореза, оптимизацијом распореда намотаја, повећањем ширине магнетног моста итд.
Међутим, повећање индуктивности директне осе често је у сукобу са густином обртног момента, тако да је потребна оптимизација са више циљева.
2. Умерено смањити везу флукса
Коришћење магнета са нешто нижом реманентношћу, али вишом температурном толеранцијом, или смањењем дебљине магнета, може смањити повратни ЕМФ и карактеристичну струју. Компромис је смањење обртног момента при малим брзинама, који треба одмерити у односу на укупне системске захтеве.
3. Повећајте допринос обртног момента одбијања
Повећањем односа видљивости (разлика између индуктивности квадратуре и индуктивности директне осе), релуктантни момент може да преузме већи удео у излазу, смањујући ослањање на везу флукса перманентног магнета. На овај начин, при слабљењу поља велике брзине, веза флукса заузима мањи напон, што олакшава проширење брзине.
4. Усвојити хибридну побуду или променљиви флукс
Ово је напреднији приступ. Укључивање намотаја поља или магнета са променљивим флуксом у структуру аксијалног флукса омогућава активно смањење флукса ваздушног зазора при великој брзини, трансформишући 'слабљење пасивног поља' у 'слабљење активног поља'.
Овај дизајн може значајно побољшати ефикасност велике брзине и ширину региона константне снаге, али повећава структурну сложеност и цену.
5. Побољшајте искоришћеност напона ДЦ магистрале
Ако сам мотор има скромну способност слабљења поља, такође је могуће потиснути „напонски зид“ подизањем нивоа напона контролера, коришћењем СиЦ претварача, оптимизацијом модулационих стратегија итд., да би се испоручио ефикаснији напон са истог напона магистрале.
Ово оставља више простора за слабљење поља.
ВИ. Уобичајене заблуде
Када се процењује способност слабљења поља велике брзине код мотора аксијалног флукса, вреди напоменути неколико заблуда.
Заблуда 1: Гледајући само максималну брзину.
Висока максимална брзина не значи нужно и снажну способност слабљења поља – то може бити само краткотрајна брзина без трајне корисне излазне снаге.
Заблуда 2: Веровање да мотори са аксијалним флуксом увек имају слабо слабљење поља.
Као што је раније поменуто, аксијални флукс је тополошки концепт, а специфичне перформансе слабљења поља увелико варирају. Неки мотори са аксијалним флуксом високих перформанси могу чак и надмашити упоредиве моторе са радијалним флуксом у способности слабљења поља.
Заблуда 3: Игнорисање утицаја температуре.
И веза флукса перманентних магнета и отпор намотаја варирају у зависности од температуре. На високим температурама, веза флукса се смањује, мењајући захтеве струје за слабљење поља. Евалуација треба да користи параметре топлог стања, а не само податке о хладном стању.
Заблуда 4: Третирање максималне брзине симулације као стварне употребљиве брзине.
Симулације се често изводе под идеалним условима напона, струје и температуре. У стварном тестирању на клупи, нелинеарности контролера и термичка заштита ће ограничити практичну област слабљења поља.
ВИИ. Закључак
Могућност слабљења поља велике брзине код мотора аксијалног флукса је, у суштини, инжењерски проблем на нивоу система.
То зависи не само од електромагнетног дизајна тела мотора, већ и од стратегије управљања, могућности претварача и управљања топлотом. Евалуација не би требало да се ослања на само један или два параметра; уместо тога, захтева свеобухватну процену засновану на карактеристичној струји, граничним круговима напона/струје, ширини региона константне снаге, ефикасности велике брзине, порасту температуре и способности континуираног рада.
За инжењере који имају за циљ да истински потисну моторе са аксијалним флуксом у апликације за електричне погоне велике брзине, способност слабљења поља није питање „да ли постоји“, већ „да ли мотор може да повећа брзину одрживо и ефикасно“.
У будућности, са напретком у новим материјалима, новим топологијама и техникама оптимизације мулти-физике, перформансе мотора аксијалног флукса у области велике брзине слабљења поља ће наставити да се побољшавају. А тачна и систематска процена њихове способности слабљења поља све више ће постати критична карика у развоју електричног погона.
СДМ Магнетицс је један од најинтегративнијих произвођача магнета у Кини. Главни производи: Трајни магнет, неодимијумски магнети, статор и ротор мотора, резолверт сензора и магнетни склопови.
