Hur utvärderar man den höghastighetsfältförsvagande förmågan hos axialflödesmotorer?

På senare år har axialflödesmotorer har fått allt större dragkraft i den elektriska drivningen. De betraktas av många som en av de representativa riktningarna för nästa generations högpresterande motorer, särskilt i applikationer där volym och vikt är kritiska – såsom in-wheel-motorer, drönare, elektriska sportbilar och hybridsystem. Den axiella flödesstrukturen erbjuder unika fördelar i dessa scenarier.

Men för att verkligen tillämpa axialflödesmotorer i höghastighets elektriska drivsystem är en teknisk utmaning oundviklig:  Är fältförsvagningsförmågan med hög hastighet tillräcklig? Och hur ska det utvärderas?

I. Först, förstå: Varför är 'fältförsvagning' alltid nödvändigt i hög hastighet?

En grundläggande egenskap hos permanentmagnet synkronmotorer (PMSM) är att den bakre EMF ökar med hastigheten.

Bakåt EMF kan enkelt förstås som spänningen 'genererad' av motorn själv när den roterar. När hastigheten stiger till en viss punkt närmar sig eller till och med den bakre EMF den maximala spänningen som styrenheten kan leverera – dvs DC-bussspänningen. Vid den tidpunkten kan motorn inte längre injicera ström eller öka hastigheten; den är effektivt blockerad av en 'spänningsvägg.'

Så vad kan göras?

Metoden är:  aktivt minska motorns flödeslänkage, dvs göra magnetfältet 'svagare' och därigenom sänka bakre EMF och frigöra spänningsutrymme för högre hastigheter. Detta är vad vi vanligtvis kallar 'fältförsvagande kontroll.'

En analogi:
En standardcykel behöver ett stort utväxlingsförhållande för start och högt vridmoment; om du håller det stora förhållandet i hög hastighet, kan dina ben inte hänga med kadensen. Fältförsvagande kontroll är som att växla till ett mindre utväxlingsförhållande vid hög hastighet, vilket gör att fordonshastigheten kan fortsätta att öka medan din benkadens förblir densamma.

II. Särdragen hos axialflödesmotorer vid fältförsvagning

Axiella flödesmotorer är inte en enda fast design, utan snarare en bred kategori av topologier. Deras gemensamma särdrag är att luftgapflödet flyter i axiell riktning, snarare än radiellt som i konventionella radiella flödesmotorer.

Denna struktur ger fördelar som hög vridmomentdensitet, platt formfaktor och kort axiell längd, men introducerar också vissa egenskaper som är relevanta för fältförsvagningsförmåga.

En av de mest inflytelserika faktorerna är:  många axialflödesmotorer har relativt låg induktans.

Fältförsvagningsförmågan hos en motor är nära relaterad till förhållandet mellan direktaxelinduktansen  Ld  och flödeslänken  Ψm . Enkelt uttryckt, ju större direktaxelinduktansen och ju mindre flödeslänkningen är, desto lättare blir fältförsvagningen i teorin och desto starkare blir höghastighetsförlängningsförmågan.

Många axialflödesmotorer, i jakten på hög vridmomentdensitet, har korta magnetiska banor och korta ändlindningar, vilket resulterar i naturligt låg induktans. Följaktligen krävs en större fältförsvagningsström för att avbryta flödeslänkningen, vilket leder till en signifikant ökning av kopparförlusten vid hög hastighet, en minskning av effektiviteten och möjligen till och med otillräcklig fältförsvagningsförmåga.

Men observera:  inte alla axialflödesmotorer har dålig fältförsvagande prestanda.
Det beror på den specifika designen. Att till exempel använda flerskiktsmagneter, öka polpartalet, optimera lindningskonfigurationer eller öka reluktansvridmomentbidraget kan alla förbättra fältförsvagande prestanda.

Därför, när man utvärderar, kan man inte bara säga 'axialflödesmotorer har alltid svag fältförsvagning'; det måste bedömas från fall till fall för varje specifik design.

III. Vilka är de viktigaste indikatorerna för att utvärdera fältförsvagande förmåga?

I teknisk praxis involverar utvärdering av höghastighetsfältförsvagningsförmågan hos en axialflödesmotor vanligtvis följande kärnparametrar och kurvor.

1. Karakteristisk ström

Karakteristisk ström definieras som:

 där  Ψm  är permanentmagnetens flödeslänkning och  Ld  är direktaxelinduktansen.

Om den karakteristiska strömmen är mindre än styrenhetens maximala utgångsström, kan motorn teoretiskt gå in i området 'oändligt fältförsvagning', vilket möjliggör förlängning av mycket hög hastighet.
Om den karakteristiska strömmen är större än den maximala strömmen, betyder det att även användningen av all ström för fältförsvagning är otillräcklig för att avbryta flödeslänkningen, vilket begränsar höghastighetsförlängningsförmågan.

Karakteristisk ström är den mest intuitiva indikatorn för att utvärdera fältförsvagningspotential.

2. Spänningsgränscirkel och strömgränscirkel

På det aktuella vektorplanet är motordriften begränsad av två cirklar:

• Strömgränscirkel : bestäms av styrenhetens maximala utström;

• Spänningsgränscirkel : bestäms av DC-bussspänningen och strömhastigheten.

När hastigheten ökar, krymper spänningsgränscirkeln. Motorns arbetspunkt måste ligga inom skärningspunkten mellan dessa två cirklar.

En motor med stark fältförsvagningsförmåga har fortfarande en tillräcklig skärningsarea vid hög hastighet för att leverera användbart vridmoment.
En motor med dålig fältförsvagningsförmåga ser spänningsgränscirkeln krympa för snabbt, vilket pressar ihop driftspunkten i ett mycket litet område, och uteffekten sjunker kraftigt.

3. Områdesbredd med konstant effekt

Inom tekniken används ofta 'konstanteffektregionen' för att utvärdera höghastighetsförlängningsförmåga.
Ett bredare område med konstant effekt indikerar att motorn kan bibehålla relativt hög effekt vid höga hastigheter, snarare än att uppleva ett klippliknande vridmoment.

Om en axiell flödesmotor är dåligt konstruerad för fältförsvagning, kommer dess område med konstant effekt att vara märkbart smalt, och kraften i höghastighetsänden kommer att sjunka snabbt.

4. Förhållande mellan maximal hastighet och nominell hastighet

Detta förhållande kallas också 'fältförsvagande hastighetsexpansionsförhållande'.
För typiska drivmotorer för passagerarfordon är ett expansionsförhållande på 3 till 4 gånger eller mer önskvärt – till exempel märkt vid 4000 rpm och maximalt vid 15000–18000 rpm.
Huruvida en axiell flödesmotor kan uppnå denna nivå beror på en kombinerad utvärdering av induktans, flödeslänkage, pol-parnummer och styrspänningskapacitet.

5. Höghastighetseffektivitet och temperaturhöjning

Fältförsvagning handlar inte bara om 'huruvida den kan snurra upp' utan också 'hur effektiv den är när den gör det.'
Om fältförsvagningsströmmen är för stor ökar kopparförlusten dramatiskt, vilket leder till kraftig temperaturhöjning vid hög hastighet, vilket till och med kan orsaka irreversibel avmagnetisering av permanentmagneterna.

När man utvärderar fältförsvagningsförmågan är det därför viktigt att även undersöka höghastighetseffektiviteten MAP och termisk prestanda – inte bara hastighetssiffrorna.

IV. Hur utvärderar man i praktiken? Tre tillvägagångssätt

Metod 1: Elektromagnetisk simulering

Under designfasen bygger ingenjörer vanligtvis en elektromagnetisk modell av axialflödesmotorn med hjälp av finita element-simuleringsmjukvara.

Genom att svepa olika hastigheter och strömvektorer kan följande erhållas:

• Bakre EMF-vågform;

• Direktaxel- och kvadraturaxelinduktanser  Ld , Lq;

• Fluxlänkage  Ψm;

• Karakteristisk ström  Ich;

• Skärningen mellan spänningsgränsellipsen och strömgränscirkeln;

• Teoretisk kurva för maximalt vridmoment-hastighet;

• Effektivitetskarta.

Dessa data kan heltäckande återspegla motorns fältförsvagningspotential.
Men för korrekta simuleringsresultat måste modellen troget representera läckageflödet för axiellt flöde, 3D-magnetiska kretsvägar och mättnadsegenskaper. Som ett resultat är simulering av axialflödesmotorer mer beroende av 3D finita elementanalys jämfört med konventionella radiella motorer.

Tillvägagångssätt 2: Bänktestning

Simulering är endast teoretisk; i slutändan krävs bänkmått.

Bänktester inkluderar vanligtvis:

• Tillbaka EMF-koefficientmätning;

•  Induktansmätning vid olika temperaturer;

• Högsta vridmoment-hastighet yttre karakteristisk kurva;

• Kontinuerlig märkeffekt;

• Uthållig drifttid vid maximal hastighet;

• Effektivitet och temperaturökning i det höghastighetsfältförsvagande området;

• Prestandaförsämringstest efter magnetavmagnetisering.

De mest kritiska är  temperaturökning i det höghastighetsfältförsvagande området  och  kontinuerlig driftkapacitet. .
Många axiella flödesprototyper kan nå mycket höga hastigheter i kortvariga topptester, men om de överhettas och minskar efter några minuters kontinuerlig drift kan de inte anses ha verkligt kvalificerad fältförsvagningsförmåga.

Tillvägagångssätt 3: Matchningsutvärdering av kontrollstrategi

Fältförsvagningsförmågan beror inte bara på själva motorn utan också på styrenheten och styralgoritmerna.

Vanliga kontrollstrategier inkluderar:

• MTPA (Maximum Torque per Ampere);

• Fältförsvagande kontroll;

• MTPV (Maximum vridmoment per spänning);

• Framkoppling av spänning och strömavkoppling vid djup fältförsvagning.

Utvärderingen bör undersöka om styrstrategin fullt ut kan utnyttja spännings- och strömgränserna för axialflödesmotorn.
Om motorkroppen har god fältförsvagningspotential men kontrollalgoritmen är otillräcklig, kan problem som jitter, förlust av kontroll eller överdrivet låg verkningsgrad uppstå vid höga hastigheter.

V. Vilka designförbättringar kan förbättra axialflödesmotorers höghastighetsfältförsvagande förmåga?

Om utvärderingen avslöjar otillräcklig fältförsvagande förmåga, inkluderar vanliga förbättringsanvisningar:

1. Optimera direktaxelinduktansen

Lämplig ökning av direktaxelinduktansen kan sänka den karakteristiska strömmen och förbättra fältförsvagningsförmågan.
Detta kan uppnås genom att öka antalet polpar, justera spårgeometrin, optimera lindningslayouten, öka den magnetiska bryggbredden, etc.

Ökande direktaxelinduktans kommer emellertid ofta i konflikt med vridmomentdensiteten, så multi-objektiv optimering krävs.

2. Minska flödeskopplingen måttligt

Användning av magneter med något lägre remanens men högre temperaturtolerans, eller minskande magnettjocklek, kan sänka EMF och karakteristisk ström.
Avvägningen är en minskning av vridmomentet vid låga varvtal, som måste vägas mot övergripande systemkrav.

3. Öka motviljans vridmomentbidrag

Genom att öka saliencykvoten (skillnaden mellan kvadratur- och direktaxelinduktanser) kan reluktansvridmomentet anta en större andel av uteffekten, vilket minskar beroendet av permanentmagnetflödeslänkning.
På detta sätt, vid höghastighetsfältförsvagning, upptar flödeslänken mindre spänningshöjd, vilket gör hastighetsförlängningen enklare.

4. Använd hybridexcitation eller variabelt flöde

Detta är ett mer avancerat tillvägagångssätt.
Att införliva fältlindningar eller magneter med variabelt flöde i den axiella flödesstrukturen möjliggör aktiv minskning av luftgapflödet vid hög hastighet, vilket omvandlar 'passiv fältförsvagning' till 'aktiv fältförsvagning'.

Denna design kan avsevärt förbättra höghastighetseffektiviteten och områdets bredd med konstant effekt, men ökar strukturell komplexitet och kostnad.

5. Förbättra DC-bussens spänningsutnyttjande

Om motorn i sig har en blygsam fältförsvagningsförmåga är det också möjligt att trycka tillbaka 'spänningsväggen' genom att höja regulatorns spänningsnivå, använda SiC-växelriktare, optimera moduleringsstrategier etc. för att leverera mer effektiv spänning från samma bussspänning.

Detta lämnar mer utrymme för fältförsvagning.

VI. Vanliga missuppfattningar

När man utvärderar den höghastighetsfältförsvagande förmågan hos axialflödesmotorer är flera missuppfattningar värda att notera.

Missuppfattning 1: Tittar bara på maxhastigheten.

En hög maxhastighet betyder inte nödvändigtvis stark fältförsvagningsförmåga – det kan bara vara en kortvarig fartskur utan ihållande användbar effekt.

Missuppfattning 2: Att tro att axialflödesmotorer alltid har dålig fältförsvagning.

Som nämnts tidigare är axiellt flöde ett topologiskt koncept, och specifika fältförsvagande prestanda varierar kraftigt. Vissa högpresterande axialflödesmotorer kan till och med överträffa jämförbara radiella flödesmotorer i fältförsvagande förmåga.

Missuppfattning 3: Ignorera temperatureffekter.

Både permanentmagnetflödeslänkning och lindningsmotstånd varierar med temperaturen. Vid höga temperaturer minskar flödeslänkningen, vilket ändrar kraven på fältförsvagande ström. Utvärdering bör använda hot-state-parametrar, inte bara cold state-data.

Missuppfattning 4: Behandla simuleringens maximala hastighet som faktisk användbar hastighet.

Simuleringar körs ofta under idealiska spännings-, ström- och temperaturförhållanden. I faktiska bänktestning kommer styrenhetens olinjäriteter och termiskt skydd att begränsa det praktiska området för fältförsvagning.

VII. Slutsats

Höghastighetsfältförsvagningsförmågan hos en axialflödesmotor är i huvudsak ett tekniskt problem på systemnivå.

Det beror inte bara på motorkroppens elektromagnetiska design, utan också på styrstrategin, växelriktarens förmåga och termisk hantering.
Utvärdering bör inte förlita sig på bara en eller två parametrar; istället kräver det en omfattande bedömning baserad på karakteristisk ström, spännings-/strömgränscirklar, områdesbredd med konstant effekt, höghastighetseffektivitet, temperaturökning och kontinuerlig drift.

För ingenjörer som verkligen strävar efter att driva in axialflödesmotorer i höghastighets-tillämpningar för elektriska drivningar,  är fältförsvagande förmåga inte en fråga om 'om den existerar' utan snarare 'om motorn kan öka hastigheten på ett hållbart och effektivt sätt.'

I framtiden, med framsteg inom nya material, nya topologier och multifysiska optimeringstekniker, kommer prestandan hos axialflödesmotorer i höghastighetsfältförsvagningsområdet att fortsätta att förbättras.
Och att noggrant och systematiskt utvärdera deras fältförsvagande förmåga kommer alltmer att bli en kritisk länk i utvecklingen av elektriska drivenheter.