การเข้าชม: 0 ผู้แต่ง: บรรณาธิการเว็บไซต์ เวลาเผยแพร่: 2026-09-04 ที่มา: เว็บไซต์
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มอเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกน ได้รับแรงฉุดเพิ่มขึ้นในชุมชนขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า สิ่งเหล่านี้ได้รับการยกย่องจากหลาย ๆ คนว่าเป็นหนึ่งในแนวทางที่เป็นตัวแทนสำหรับมอเตอร์ประสิทธิภาพสูงรุ่นต่อไป โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้งานที่ปริมาตรและน้ำหนักมีความสำคัญ เช่น มอเตอร์ในล้อ โดรน รถสปอร์ตไฟฟ้า และระบบไฮบริด โครงสร้างฟลักซ์ตามแนวแกนมีข้อได้เปรียบที่ไม่เหมือนใครในสถานการณ์เหล่านี้
อย่างไรก็ตาม ในการใช้มอเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกนในระบบขับเคลื่อนไฟฟ้าความเร็วสูงอย่างแท้จริง ความท้าทายทางเทคนิคประการหนึ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้: ความสามารถในการลดสนามแม่เหล็กความเร็วสูงเพียงพอหรือไม่ และควรประเมินอย่างไร?
ลักษณะพื้นฐานของมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร (PMSM) คือ EMF ด้านหลังจะเพิ่มขึ้นตามความเร็ว
EMF ด้านหลังสามารถเข้าใจได้ง่ายว่าเป็นแรงดันไฟฟ้า 'สร้าง' โดยตัวมอเตอร์เองในขณะที่มันหมุน เมื่อความเร็วเพิ่มขึ้นถึงจุดหนึ่ง EMF ด้านหลังจะเข้าใกล้หรือเกินแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่ตัวควบคุมสามารถจ่ายได้ กล่าวคือ แรงดันไฟฟ้าบัส DC เมื่อถึงจุดนั้น มอเตอร์จะไม่สามารถฉีดกระแสหรือเพิ่มความเร็วได้อีกต่อไป มันถูกบล็อกอย่างมีประสิทธิภาพโดย 'กำแพงแรงดันไฟฟ้า'
แล้วจะทำอะไรได้บ้าง?
วิธีการคือ: ลดการเชื่อมต่อฟลักซ์ของมอเตอร์ลง เช่น ทำให้สนามแม่เหล็ก 'อ่อนลง' ซึ่งจะลด EMF ด้านหลังลง และเพิ่มพื้นที่ว่างของแรงดันไฟฟ้าสำหรับความเร็วที่สูงขึ้น นี่คือสิ่งที่เรามักเรียกว่า 'การควบคุมที่อ่อนแอลง'
ความคล้ายคลึง:
จักรยานมาตรฐานต้องมีอัตราทดเกียร์สูงในการสตาร์ทและแรงบิดสูง หากคุณรักษาอัตราส่วนขนาดใหญ่นั้นไว้ด้วยความเร็วสูง ขาของคุณจะไม่สามารถตามจังหวะได้ การควบคุมที่อ่อนแอลงก็เหมือนกับการเปลี่ยนเกียร์ไปที่อัตราทดเกียร์ที่น้อยลงด้วยความเร็วสูง ช่วยให้ความเร็วของรถเพิ่มขึ้นต่อไปในขณะที่จังหวะขาของคุณยังคงเท่าเดิม
มอเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกนไม่ใช่การออกแบบคงที่เพียงอย่างเดียว แต่เป็นโครงสร้างโทโพโลยีประเภทกว้างๆ คุณลักษณะทั่วไปของพวกมันคือฟลักซ์ช่องว่างอากาศจะไหลในทิศทางตามแนวแกน แทนที่จะเป็นแนวรัศมีเหมือนกับในมอเตอร์ฟลักซ์แนวรัศมีทั่วไป
โครงสร้างนี้นำมาซึ่งข้อได้เปรียบ เช่น ความหนาแน่นของแรงบิดสูง ฟอร์มแฟคเตอร์แบบแบน และความยาวแกนที่สั้น แต่ยังแนะนำคุณลักษณะบางอย่างที่เกี่ยวข้องกับความสามารถในการลดความแรงของสนามไฟฟ้าอีกด้วย
ปัจจัยที่มีอิทธิพลมากที่สุดประการหนึ่งคือ: มอเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกนหลายตัวมีความเหนี่ยวนำค่อนข้างต่ำ
ความสามารถในการลดสนาม ของมอเตอร์มีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับอัตราส่วนของตัวเหนี่ยวนำแกนตรง Ld ต่อการเชื่อมต่อฟลักซ์ Ψm ไฟฟ้า พูดง่ายๆ ก็คือ ยิ่งค่าความเหนี่ยวนำของแกนตรงมีขนาดใหญ่ขึ้นและการเชื่อมต่อฟลักซ์ก็จะยิ่งน้อยลง ทฤษฎีสนามอ่อนลงก็จะยิ่งง่ายขึ้น และความสามารถในการขยายความเร็วสูงก็จะยิ่งแข็งแกร่งขึ้นเท่านั้น
มอเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกนหลายตัวเพื่อให้มีความหนาแน่นของแรงบิดสูง มีทางเดินแม่เหล็กสั้นและขดลวดปลายสั้น ส่งผลให้มีการเหนี่ยวนำต่ำตามธรรมชาติ ด้วยเหตุนี้ กระแสไฟอ่อนของสนามที่มีขนาดใหญ่กว่าจึงจำเป็นต้องยกเลิกการเชื่อมต่อฟลักซ์ ส่งผลให้การสูญเสียทองแดงเพิ่มขึ้นอย่างมากที่ความเร็วสูง ประสิทธิภาพลดลง และอาจถึงขั้นความสามารถในการลดสนามไฟฟ้าที่ไม่เพียงพอด้วยซ้ำ
แต่หมายเหตุ: ไม่ใช่ว่ามอเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกนทั้งหมดจะมีประสิทธิภาพในการลดสนามไฟฟ้าต่ำ
ขึ้นอยู่กับการออกแบบเฉพาะ ตัวอย่างเช่น การใช้แม่เหล็กหลายชั้น การเพิ่มจำนวนขั้ว-คู่ การปรับการกำหนดค่าการพันให้เหมาะสม หรือการเพิ่มการมีส่วนร่วมของแรงบิดฝืน ทั้งหมดนี้สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพที่อ่อนตัวลงของสนามได้
ดังนั้น เมื่อประเมิน ไม่มีใครสามารถพูดง่ายๆ ว่า 'มอเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกนมักจะมีสนามอ่อนลงเสมอ'; จะต้องได้รับการประเมินเป็นกรณีไปสำหรับการออกแบบเฉพาะแต่ละอย่าง
ในทางปฏิบัติทางวิศวกรรม การประเมินความสามารถในการลดสนามแม่เหล็กความเร็วสูงของมอเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกน โดยทั่วไปจะเกี่ยวข้องกับพารามิเตอร์หลักและเส้นโค้งต่อไปนี้
ลักษณะปัจจุบันถูกกำหนดเป็น:
โดยที่ Ψm คือส่วนเชื่อมต่อฟลักซ์แม่เหล็กถาวร และ Ld คือตัวเหนี่ยวนำแกนตรง
หากกระแสลักษณะเฉพาะน้อยกว่ากระแสเอาท์พุตสูงสุดของตัวควบคุม มอเตอร์ก็สามารถเข้าสู่บริเวณ 'สนามอ่อนลงอย่างไม่มีที่สิ้นสุด' ในทางทฤษฎี เพื่อให้สามารถขยายความเร็วที่สูงมากได้
ถ้ากระแสลักษณะเฉพาะมากกว่ากระแสสูงสุด หมายความว่าแม้แต่การใช้กระแสทั้งหมดเพื่อทำให้สนามอ่อนลงก็ยังไม่เพียงพอในการยกเลิกการเชื่อมต่อฟลักซ์ ซึ่งจำกัดความสามารถในการขยายความเร็วสูง
กระแสลักษณะเฉพาะเป็นตัวบ่งชี้ที่ใช้งานง่ายที่สุดในการประเมินศักยภาพในการลดความอ่อนแอของสนาม
บนระนาบเวกเตอร์ปัจจุบัน การทำงานของมอเตอร์ถูกจำกัดด้วยวงกลมสองวง:
วงกลมจำกัดกระแส : กำหนดโดยกระแสเอาต์พุตสูงสุดของตัวควบคุม
วงกลมจำกัดแรงดันไฟฟ้า : กำหนดโดยแรงดันบัส DC และความเร็วปัจจุบัน
เมื่อความเร็วเพิ่มขึ้น วงกลมขีดจำกัดแรงดันไฟฟ้าจะหดตัว จุดปฏิบัติการของมอเตอร์ต้องอยู่ภายในจุดตัดของวงกลมทั้งสองวงนี้
มอเตอร์ที่มีความสามารถในการลดสนามแม่เหล็กที่แข็งแกร่งยังคงมีพื้นที่ทางแยกที่เพียงพอที่ความเร็วสูงเพื่อส่งแรงบิดที่เป็นประโยชน์
มอเตอร์ที่มีความสามารถในการลดความแรงของสนามได้ไม่ดี จะทำให้วงกลมขีดจำกัดแรงดันไฟฟ้าหดตัวเร็วเกินไป บีบจุดปฏิบัติการลงในพื้นที่ที่เล็กมาก และความสามารถในการเอาท์พุตลดลงอย่างรวดเร็ว
ในทางวิศวกรรม 'บริเวณกำลังคงที่' มักใช้เพื่อประเมินความสามารถในการขยายความเร็วสูง
บริเวณกำลังคงที่ที่กว้างขึ้นบ่งชี้ว่ามอเตอร์สามารถรักษากำลังเอาท์พุตที่ค่อนข้างสูงที่ความเร็วสูง แทนที่จะประสบกับแรงบิดที่ลดลงเหมือนหน้าผา
ถ้ามอเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกนได้รับการออกแบบมาไม่ดีเพื่อลดสนามไฟฟ้า พื้นที่กำลังคงที่ของมันจะแคบลงอย่างเห็นได้ชัด และกำลังที่ปลายความเร็วสูงจะลดลงอย่างรวดเร็ว
อัตราส่วนนี้เรียกอีกอย่างว่า 'อัตราส่วนการขยายความเร็วที่อ่อนลง'
สำหรับมอเตอร์ขับเคลื่อนของรถยนต์นั่งส่วนบุคคลทั่วไป ต้องการอัตราส่วนการขยาย 3 ถึง 4 เท่าหรือมากกว่านั้น ตัวอย่างเช่น พิกัดที่ 4,000 รอบต่อนาที และสูงสุดที่ 15,000–18,000 รอบต่อนาที
มอเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกนสามารถบรรลุระดับนี้ได้หรือไม่นั้นขึ้นอยู่กับการประเมินแบบรวมของการเหนี่ยวนำ การเชื่อมต่อฟลักซ์ หมายเลขขั้วคู่ และความสามารถของแรงดันไฟฟ้าของตัวควบคุม
การอ่อนตัวของสนามแม่เหล็กไม่ได้เป็นเพียงเกี่ยวกับ 'ว่ามันจะหมุนขึ้นได้หรือไม่' แต่ยังรวมถึง 'ว่าจะมีประสิทธิภาพเพียงใดเมื่อหมุนได้'
หากกระแสอ่อนลงของสนามแม่เหล็กมีขนาดใหญ่เกินไป การสูญเสียทองแดงจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก ส่งผลให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้นอย่างรุนแรงที่ความเร็วสูง ซึ่งอาจทำให้เกิดการล้างอำนาจแม่เหล็กของแม่เหล็กถาวรแบบย้อนกลับไม่ได้ด้วยซ้ำ
ดังนั้น เมื่อประเมินความสามารถในการอ่อนตัวของสนาม จึงจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องตรวจสอบ MAP ประสิทธิภาพความเร็วสูงและประสิทธิภาพเชิงความร้อนด้วย ไม่ใช่แค่ตัวเลขความเร็วเท่านั้น
ในระหว่างขั้นตอนการออกแบบ วิศวกรมักจะสร้างแบบจำลองแม่เหล็กไฟฟ้าของมอเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกนโดยใช้ซอฟต์แวร์จำลองไฟไนต์เอลิเมนต์
โดยการกวาดความเร็วและเวกเตอร์ปัจจุบันที่แตกต่างกัน จะได้ค่าต่อไปนี้:
รูปคลื่น EMF ด้านหลัง;
ตัวเหนี่ยวนำแกนตรงและแกนสี่เหลี่ยมจัตุรัส Ld , Lq;
การเชื่อมโยงฟลักซ์ Ψm;
ลักษณะปัจจุบัน Ich;
จุดตัดของวงรีขีดจำกัดแรงดันไฟฟ้าและวงกลมจำกัดกระแส
เส้นโค้งความเร็วแรงบิดสูงสุดตามทฤษฎี
แผนที่ประสิทธิภาพ
ข้อมูลเหล่านี้สามารถสะท้อนถึงศักยภาพในการลดสนามแม่เหล็กของมอเตอร์ได้อย่างครอบคลุม
อย่างไรก็ตาม เพื่อให้ได้ผลลัพธ์การจำลองที่แม่นยำ แบบจำลองจะต้องแสดงฟลักซ์การรั่วไหลที่ปลายฟลักซ์ตามแนวแกน เส้นทางวงจรแม่เหล็ก 3 มิติ และคุณลักษณะความอิ่มตัวของสีอย่างเที่ยงตรง ด้วยเหตุนี้ การจำลองมอเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกนจึงต้องอาศัยการวิเคราะห์องค์ประกอบไฟไนต์ 3 มิติมากกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับมอเตอร์แนวรัศมีทั่วไป
การจำลองเป็นเพียงทฤษฎีเท่านั้น ท้ายที่สุดแล้ว จำเป็นต้องมีการวัดแบบตั้งโต๊ะ
โดยทั่วไปการทดสอบแบบตั้งโต๊ะจะประกอบด้วย:
การวัดค่าสัมประสิทธิ์ EMF ด้านหลัง
การวัดความเหนี่ยวนำที่อุณหภูมิต่างๆ
เส้นโค้งคุณลักษณะภายนอกความเร็วแรงบิดสูงสุด
ความสามารถในการส่งออกพลังงานที่ได้รับการจัดอันดับอย่างต่อเนื่อง
เวลาการทำงานคงที่ที่ความเร็วสูงสุด
ประสิทธิภาพและอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นในภูมิภาคที่สนามอ่อนตัวด้วยความเร็วสูง
การทดสอบการเสื่อมประสิทธิภาพหลังการล้างอำนาจแม่เหล็ก
สิ่งที่สำคัญที่สุดคือ อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นในบริเวณที่มีสนามแม่เหล็กอ่อนด้วยความเร็วสูง และ ความสามารถในการดำเนินงานอย่างต่อเนื่อง .
ต้นแบบฟลักซ์ตามแนวแกนจำนวนมากสามารถเข้าถึงความเร็วสูงมากในการทดสอบจุดสูงสุดในระยะเวลาสั้น ๆ แต่หากพวกมันร้อนมากเกินไปและลดความเร็วลงหลังจากการทำงานต่อเนื่องไม่กี่นาที พวกมันก็ไม่ถือว่ามีความสามารถในการลดสนามไฟฟ้าที่มีคุณสมบัติเหมาะสมอย่างแท้จริง
ความสามารถในการลดความแรงของสนามไม่เพียงแต่ขึ้นอยู่กับตัวมอเตอร์เท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับตัวควบคุมและอัลกอริธึมการควบคุมด้วย
กลยุทธ์การควบคุมทั่วไป ได้แก่:
MTPA (แรงบิดสูงสุดต่อแอมแปร์);
การควบคุมสนามอ่อนแอ;
MTPV (แรงบิดสูงสุดต่อแรงดันไฟฟ้า);
แรงดันไฟฟ้าป้อนไปข้างหน้าและการแยกกระแสไฟฟ้าในการอ่อนตัวของสนามลึก
การประเมินควรตรวจสอบว่ากลยุทธ์การควบคุมสามารถใช้ประโยชน์จากขีดจำกัดแรงดันและกระแสของมอเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกนได้อย่างเต็มที่หรือไม่
หากตัวมอเตอร์มีศักยภาพในการลดสนามไฟฟ้าได้ดี แต่อัลกอริธึมการควบคุมไม่เพียงพอ อาจเกิดปัญหาต่างๆ เช่น การกระวนกระวายใจ การสูญเสียการควบคุม หรือประสิทธิภาพต่ำเกินไปที่ความเร็วสูง
หากการประเมินเผยให้เห็นความสามารถในการอ่อนแอของสนามไม่เพียงพอ แนวทางการปรับปรุงทั่วไป ได้แก่:
การเพิ่มความเหนี่ยวนำของแกนตรงอย่างเหมาะสมสามารถลดกระแสคุณลักษณะและเพิ่มความสามารถในการลดความแรงของสนามได้
ซึ่งสามารถทำได้โดยการเพิ่มจำนวนขั้วคู่ การปรับรูปทรงของช่อง การปรับโครงร่างการม้วนให้เหมาะสม การเพิ่มความกว้างของสะพานแม่เหล็ก ฯลฯ
อย่างไรก็ตาม การเพิ่มตัวเหนี่ยวนำแกนตรงมักจะขัดแย้งกับความหนาแน่นของแรงบิด ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีการปรับให้เหมาะสมหลายวัตถุประสงค์
การใช้แม่เหล็กที่มีค่าคงตัวต่ำกว่าเล็กน้อยแต่ทนทานต่ออุณหภูมิได้สูงกว่า หรือลดความหนาของแม่เหล็ก สามารถลด EMF ด้านหลังและกระแสไฟฟ้าที่เป็นลักษณะเฉพาะได้
ข้อเสียเปรียบคือการลดแรงบิดที่ความเร็วต่ำ ซึ่งจำเป็นต้องชั่งน้ำหนักกับข้อกำหนดโดยรวมของระบบ
ด้วยการเพิ่มอัตราส่วนความเค็ม (ความแตกต่างระหว่างการสร้างพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัสและตัวเหนี่ยวนำของแกนตรง) แรงบิดฝืนจึงสามารถรับส่วนแบ่งเอาท์พุตได้มากขึ้น ซึ่งช่วยลดการพึ่งพาการเชื่อมโยงฟลักซ์แม่เหล็กถาวร
ด้วยวิธีนี้ เมื่อสนามความเร็วสูงอ่อนตัวลง การเชื่อมต่อฟลักซ์จะใช้พื้นที่ว่างของแรงดันไฟฟ้าน้อยลง ทำให้การขยายความเร็วทำได้ง่ายขึ้น
นี่เป็นแนวทางขั้นสูงกว่า
การรวมขดลวดสนามหรือแม่เหล็กฟลักซ์แปรผันในโครงสร้างฟลักซ์ตามแนวแกนทำให้สามารถลดฟลักซ์ช่องว่างอากาศได้อย่างแอคทีฟด้วยความเร็วสูง โดยเปลี่ยน 'สนามแม่เหล็กที่อ่อนลง' ให้เป็น 'สนามแม่เหล็กที่อ่อนลง'
การออกแบบนี้สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพความเร็วสูงและความกว้างของภูมิภาคพลังงานคงที่ได้อย่างมีนัยสำคัญ แต่เพิ่มความซับซ้อนของโครงสร้างและต้นทุน
หากตัวมอเตอร์มีความสามารถในการลดความแรงของสนามในระดับปานกลาง ก็ยังสามารถดัน 'ผนังแรงดันไฟฟ้า' กลับไปได้ด้วยการเพิ่มระดับแรงดันไฟฟ้าของตัวควบคุม โดยใช้อินเวอร์เตอร์ SiC การปรับกลยุทธ์การมอดูเลตให้เหมาะสม ฯลฯ เพื่อจ่ายแรงดันไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นจากแรงดันบัสเดียวกัน
สิ่งนี้ทำให้มีพื้นที่ว่างมากขึ้นสำหรับการอ่อนตัวลงของสนาม
เมื่อประเมินความสามารถในการลดสนามแม่เหล็กความเร็วสูงของมอเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกน มีความเข้าใจผิดหลายประการที่น่าสังเกต
โดยพื้นฐานแล้ว ความสามารถในการลดสนามแม่เหล็กด้วยความเร็วสูงของมอเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกนเป็นปัญหาทางวิศวกรรมระดับระบบ
ไม่เพียงแต่ขึ้นอยู่กับการออกแบบแม่เหล็กไฟฟ้าของตัวมอเตอร์เท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับกลยุทธ์การควบคุม ความสามารถของอินเวอร์เตอร์ และการจัดการความร้อนด้วย
การประเมินไม่ควรอาศัยพารามิเตอร์เพียงตัวเดียวหรือสองตัว แต่ต้องใช้วิจารณญาณที่ครอบคลุมโดยพิจารณาจากกระแสเฉพาะ วงกลมจำกัดแรงดัน/กระแส ความกว้างของบริเวณกำลังไฟฟ้าคงที่ ประสิทธิภาพความเร็วสูง อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น และความสามารถในการทำงานต่อเนื่อง
สำหรับวิศวกรที่มุ่งหวังที่จะผลักดันมอเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกนไปสู่การใช้งานไดรฟ์ไฟฟ้าความเร็วสูง ความสามารถในการลดสนามแม่เหล็กนั้นไม่สำคัญว่า 'มีอยู่หรือไม่' แต่สำคัญกว่า 'มอเตอร์จะขยายความเร็วได้อย่างยั่งยืนและมีประสิทธิภาพหรือไม่'
ในอนาคต ด้วยความก้าวหน้าในวัสดุใหม่ โทโพโลยีใหม่ และเทคนิคการเพิ่มประสิทธิภาพแบบหลายฟิสิกส์ ประสิทธิภาพของมอเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกนในภูมิภาคที่มีสนามอ่อนลงด้วยความเร็วสูงจะยังคงปรับปรุงต่อไป
และการประเมินความสามารถในการอ่อนแอภาคสนามอย่างแม่นยำและเป็นระบบจะกลายเป็นส่วนเชื่อมโยงที่สำคัญในการพัฒนาไดรฟ์ไฟฟ้ามากขึ้น