Eksenel Akı Motorlarının Yüksek Hızlı Alan Zayıflatma Yeteneği Nasıl Değerlendirilir?

Son yıllarda, eksenel akılı motorlar , elektrikli tahrik camiasında giderek daha fazla ilgi görmeye başladı. Pek çok kişi tarafından, özellikle tekerlek içi motorlar, drone'lar, elektrikli spor arabalar ve hibrit sistemler gibi hacim ve ağırlığın kritik olduğu uygulamalarda, yeni nesil yüksek performanslı motorlara yönelik temsili yönlerden biri olarak kabul ediliyor. Eksenel akı yapısı bu senaryolarda benzersiz avantajlar sunar.

Ancak eksenel akılı motorları yüksek hızlı elektrikli tahrik sistemlerinde gerçek anlamda uygulamak için bir teknik zorluk kaçınılmazdır:  Yüksek hızlı alan zayıflatma kapasitesi yeterli mi? Peki nasıl değerlendirilmeli?

I. Öncelikle şunu anlayın: Yüksek hızda 'alan zayıflaması' neden her zaman gereklidir?

Sabit mıknatıslı senkron motorların (PMSM'ler) temel bir özelliği, arka EMF'nin hızla artmasıdır.

Geri EMF, basitçe motorun kendisi dönerken 'üretilen' voltaj olarak anlaşılabilir. Hız belirli bir noktaya yükseldiğinde, arka EMF, kontrolörün sağlayabileceği maksimum gerilime (yani DC bara gerilimine) yaklaşır ve hatta onu aşar. Bu noktada motor artık akımı enjekte edemez veya hızı artıramaz; etkili bir şekilde bir 'gerilim duvarı' tarafından engellenir.

Peki ne yapılabilir?

Yöntem şudur:  Motorun akı bağlantısını aktif olarak azaltmak, yani manyetik alanı 'zayıflamak' , böylece arka EMF'yi düşürmek ve daha yüksek hızlar için voltaj boşluğunu serbest bırakmak. Buna genellikle 'alan zayıflatma kontrolü' adını veriyoruz.

Bir benzetme:
Standart bir bisikletin çalıştırma ve yüksek tork için büyük bir dişli oranına ihtiyacı vardır; Yüksek hızda bu büyük oranı korursanız bacaklarınız tempoya ayak uyduramaz. Alan zayıflatma kontrolü, yüksek hızda daha küçük bir vites oranına geçmek gibidir; bacak ritminiz aynı kalırken araç hızının artmaya devam etmesine olanak tanır.

II. Alan zayıflamasında eksenel akılı motorların özellikleri

Eksenel akılı motorlar tek bir sabit tasarımdan ziyade geniş bir topoloji kategorisidir. Ortak özellikleri, hava boşluğu akısının geleneksel radyal akılı motorlarda olduğu gibi radyal olarak değil, eksenel yönde akmasıdır.

Bu yapı, yüksek tork yoğunluğu, düz form faktörü ve kısa eksenel uzunluk gibi avantajlar sağlarken, aynı zamanda alan zayıflatma kapasitesiyle ilgili bazı özellikleri de beraberinde getirir.

En etkili faktörlerden biri şudur:  Birçok eksenel akılı motorların nispeten düşük endüktansı vardır.

Bir motorun alan zayıflatma kapasitesi, doğrudan eksen endüktansı oranıyla yakından ilişkilidir  Ld'nin  akı bağlantısı  Ψm'ye . Basitçe söylemek gerekirse, doğrudan eksen endüktansı ne kadar büyükse ve akı bağlantısı ne kadar küçükse, alan zayıflaması teoride o kadar kolay olur ve yüksek hızlı genişleme kapasitesi o kadar güçlü olur.

Yüksek tork yoğunluğunun peşinde olan birçok eksenel akılı motor, kısa manyetik yollara ve kısa uç sargılara sahiptir, bu da doğal olarak düşük endüktansla sonuçlanır. Sonuç olarak, akı bağlantısını iptal etmek için daha büyük bir alan zayıflatma akımı gerekir, bu da yüksek hızda bakır kaybında önemli bir artışa, verimlilikte bir düşüşe ve hatta muhtemelen yetersiz alan zayıflatma kapasitesine yol açar.

Ancak unutmayın:  tüm eksenel akılı motorların zayıf alan zayıflatma performansı yoktur.
Özel tasarıma bağlıdır. Örneğin, çok katmanlı mıknatıslar kullanmak, kutup çifti sayısını artırmak, sargı konfigürasyonlarını optimize etmek veya isteksizlik torku katkısını arttırmak, alan zayıflatma performansını iyileştirebilir.

Bu nedenle değerlendirme yaparken 'eksenel akılı motorlarda her zaman zayıf alan zayıflaması vardır' demekle yetinilemez; her özel tasarım için ayrı ayrı değerlendirilmelidir.

III. Alan zayıflatma yeteneğini değerlendirmenin ana göstergeleri nelerdir?

Mühendislik uygulamasında, eksenel akılı motorun yüksek hızlı alan zayıflatma kapasitesinin değerlendirilmesi tipik olarak aşağıdaki temel parametreleri ve eğrileri içerir.

1. Karakteristik akım

Karakteristik akım şu şekilde tanımlanır:

 burada  Ψm  kalıcı mıknatıs akı bağlantısıdır ve  Ld  doğrudan eksen endüktansıdır.

Karakteristik akım kontrolörün maksimum çıkış akımından düşükse motor teorik olarak 'sonsuz alan zayıflatma' bölgesine girebilir ve bu da çok yüksek hız artışına izin verir.
Karakteristik akımın maksimum akımdan büyük olması, alan zayıflatma için tüm akımın kullanılmasının bile akı bağlantısını iptal etmek için yetersiz olduğu ve yüksek hızlı genişleme kapasitesini sınırladığı anlamına gelir.

Karakteristik akım, alan zayıflama potansiyelini değerlendirmek için en sezgisel göstergedir.

2. Gerilim sınır çemberi ve akım sınır çemberi

Geçerli vektör düzleminde motorun çalışması iki daire ile sınırlandırılmıştır:

• Akım sınır çemberi : kontrolörün maksimum çıkış akımı tarafından belirlenir;

• Gerilim sınır çemberi : DC bara gerilimi ve mevcut hız tarafından belirlenir.

Hız arttıkça gerilim sınır çemberi daralır. Motorun çalışma noktası bu iki dairenin kesiştiği noktada bulunmalıdır.

Güçlü alan zayıflatma kapasitesine sahip bir motor, yüksek hızda faydalı tork sağlamak için hala yeterli bir kesişme alanına sahiptir.
Zayıf alan zayıflatma kapasitesine sahip bir motor, voltaj sınır çemberinin çok hızlı daralmasına, çalışma noktasının çok küçük bir bölgeye sıkışmasına ve çıkış kapasitesinin keskin bir şekilde düşmesine neden olur.

3. Sabit güç bölgesi genişliği

Mühendislikte, 'sabit güç bölgesi' genellikle yüksek hızlı genişleme kapasitesini değerlendirmek için kullanılır.
Daha geniş bir sabit güç bölgesi, torkta uçurum benzeri bir düşüş yaşamak yerine, motorun yüksek hızlarda nispeten yüksek güç çıkışını koruyabildiğini gösterir.

Eksenel akılı motor, alan zayıflatma için kötü tasarlanmışsa, sabit güç bölgesi fark edilir derecede dar olacak ve yüksek hız ucundaki güç hızla düşecektir.

4. Maksimum hızın nominal hıza oranı

Bu orana aynı zamanda 'alan zayıflatma hız genişleme oranı' da denir.
Tipik binek araç tahrik motorları için, 3 ila 4 kat veya daha fazla bir genişleme oranı arzu edilir; örneğin, 4000 rpm'de ve maksimum 15000-18000 rpm'de derecelendirilmiştir.
Eksenel akılı motorun bu seviyeye ulaşıp ulaşamayacağı endüktans, akı bağlantısı, kutup çifti sayısı ve kontrolör voltaj kapasitesinin birleşik değerlendirmesine bağlıdır.

5. Yüksek hızlı verimlilik ve sıcaklık artışı

Alan zayıflaması yalnızca 'dönüp dönemeyeceği' değil, aynı zamanda 'döndüğünde ne kadar verimli olduğu' ile de ilgilidir.
Alan zayıflatma akımı aşırı derecede büyükse, bakır kaybı önemli ölçüde artar, bu da yüksek hızda ciddi sıcaklık artışına yol açar, bu da kalıcı mıknatısların geri döndürülemez demanyetizasyonuna bile neden olabilir.

Bu nedenle, alan zayıflatma yeteneğini değerlendirirken, yalnızca hız rakamlarını değil, yüksek hızlı verimli MAP'ı ve termal performansı da incelemek önemlidir.

IV. Uygulamada nasıl değerlendirme yapılır? Üç yaklaşım

Yaklaşım 1: Elektromanyetik simülasyon

Tasarım aşamasında mühendisler genellikle sonlu eleman simülasyon yazılımını kullanarak eksenel akılı motorun elektromanyetik modelini oluştururlar.

Farklı hızları ve akım vektörlerini tarayarak aşağıdakiler elde edilebilir:

• Geri EMF dalga biçimi;

• Doğrudan eksen ve karesel eksen endüktansları  Ld , Lq;

• Akı bağlantısı  Ψm;

• Karakteristik akım  Ich;

• Gerilim sınırı elipsi ile akım sınırı çemberinin kesişimi;

• Teorik maksimum tork-hız eğrisi;

• Verimlilik HARİTASI.

Bu veriler motorun alan zayıflatma potansiyelini kapsamlı bir şekilde yansıtabilir.
Bununla birlikte, doğru simülasyon sonuçları için modelin eksenel akı ve kaçak akıyı, 3 boyutlu manyetik devre yollarını ve doygunluk özelliklerini aslına sadık bir şekilde temsil etmesi gerekir. Sonuç olarak eksenel akılı motorların simülasyonu, geleneksel radyal motorlarla karşılaştırıldığında daha çok 3 boyutlu sonlu elemanlar analizine dayanır.

Yaklaşım 2: Karşılaştırmalı testler

Simülasyon yalnızca teoriktir; sonuçta tezgah ölçümleri gereklidir.

Bench testleri genellikle şunları içerir:

• Geri EMF katsayısı ölçümü;

•  Farklı sıcaklıklarda endüktans ölçümü;

• Tepe tork-hız harici karakteristik eğrisi;

• Sürekli nominal güç çıkışı kapasitesi;

• Maksimum hızda sürekli çalışma süresi;

• Yüksek hızlı alan zayıflatma bölgesinde verimlilik ve sıcaklık artışı;

• Mıknatıs demanyetizasyonundan sonra performans bozulma testi.

En kritik olanı,  yüksek hızlı alan zayıflatma bölgesindeki sıcaklık artışı  ve  sürekli çalışma yeteneğidir .
. Birçok eksenel akı prototipi, kısa süreli tepe testlerinde çok yüksek hızlara ulaşabilir, ancak birkaç dakikalık sürekli çalışmanın ardından aşırı ısınır ve düşerse, gerçek anlamda nitelikli alan zayıflatma kapasitesine sahip oldukları düşünülemez.

Yaklaşım 3: Kontrol stratejisi eşleştirme değerlendirmesi

Alan zayıflatma yeteneği yalnızca motorun kendisine değil aynı zamanda kontrolöre ve kontrol algoritmalarına da bağlıdır.

Ortak kontrol stratejileri şunları içerir:

• MTPA (Amper Başına Maksimum Tork);

• Alan zayıflatma kontrolü;

• MTPV (Voltaj Başına Maksimum Tork);

• Derin alan zayıflamasında gerilim ileri beslemesi ve akım ayrıştırması.

Değerlendirme, kontrol stratejisinin eksenel akılı motorun voltaj ve akım limitlerinden tam olarak yararlanıp yararlanamayacağını incelemelidir.
Motor gövdesi iyi bir alan zayıflatma potansiyeline sahipse ancak kontrol algoritması yetersizse yüksek hızlarda titreşim, kontrol kaybı veya aşırı düşük verimlilik gibi sorunlar ortaya çıkabilir.

V. Eksenel akılı motorların yüksek hızlı alan zayıflatma kapasitesini hangi tasarım iyileştirmeleri artırabilir?

Değerlendirme yetersiz alan zayıflatma yeteneği ortaya çıkarırsa, ortak iyileştirme yönleri şunları içerir:

1. Doğrudan eksen endüktansını optimize edin

Doğrudan eksen endüktansının uygun şekilde arttırılması karakteristik akımı azaltabilir ve alan zayıflatma kapasitesini artırabilir.
Bu, kutup çifti sayısını artırarak, yuva geometrisini ayarlayarak, sarım düzenini optimize ederek, manyetik köprü genişliğini artırarak vb. başarılabilir.

Bununla birlikte, doğrudan eksen endüktansının arttırılması sıklıkla tork yoğunluğu ile çelişir, bu nedenle çok amaçlı optimizasyon gereklidir.

2. Akı bağlantısını orta derecede azaltın

Kalıcılığı biraz daha düşük ancak sıcaklık toleransı daha yüksek olan mıknatısların kullanılması veya mıknatıs kalınlığının azaltılması, EMF'yi ve karakteristik akımı azaltabilir.
Takas, düşük hız torkunda bir azalmadır ve bunun genel sistem gereksinimlerine göre tartılması gerekir.

3. İsteksizlik torku katkısını artırın

Belirginlik oranının (dörtlü ve doğrudan eksen endüktansları arasındaki fark) arttırılmasıyla, isteksizlik torku, kalıcı mıknatıs akı bağlantısına olan bağımlılığı azaltarak daha büyük bir çıktı payı üstlenebilir.
Bu şekilde, yüksek hızlı alan zayıflamasında akı bağlantısı daha az gerilim boşluğu kaplar ve hız artışını kolaylaştırır.

4. Hibrit uyarımı veya değişken akışı benimseyin

Bu daha gelişmiş bir yaklaşımdır.
Eksenel akı yapısına alan sargılarının veya değişken akı mıknatıslarının dahil edilmesi, yüksek hızda hava boşluğu akısının aktif olarak azaltılmasına olanak tanır ve 'pasif alan zayıflamasını', 'aktif alan zayıflamasına' dönüştürür.

Bu tasarım, yüksek hız verimliliğini ve sabit güç bölgesi genişliğini önemli ölçüde artırabilir, ancak yapısal karmaşıklığı ve maliyeti artırır.

5. DC bara voltajı kullanımını iyileştirin

Motorun kendisi mütevazı bir alan zayıflatma kapasitesine sahipse, aynı veri yolu voltajından daha etkili voltaj sağlamak için kontrolör voltaj seviyesini yükselterek, SiC invertörleri kullanarak, modülasyon stratejilerini optimize ederek vb. 'gerilim duvarını' geri itmek de mümkündür.

Bu, alanın zayıflaması için daha fazla boşluk bırakır.

VI. Yaygın yanlış anlamalar

Eksenel akılı motorların yüksek hızlı alan zayıflatma kapasitesi değerlendirilirken bazı yanlış anlamaların dikkate alınması gerekir.

Yanılgı 1: Yalnızca maksimum hıza bakmak.

Maksimum hızın yüksek olması, mutlaka güçlü alan zayıflatma kapasitesi anlamına gelmez; bu, yalnızca sürdürülebilir yararlı güç çıkışı olmadan kısa süreli bir hız artışı olabilir.

Yanılgı 2: Eksenel akılı motorların her zaman zayıf alan zayıflamasına sahip olduğuna inanmak.

Daha önce de belirtildiği gibi, eksenel akı topolojik bir kavramdır ve spesifik alan zayıflatma performansı büyük ölçüde değişiklik gösterir. Bazı yüksek performanslı eksenel akılı motorlar, alan zayıflatma kapasitesi açısından karşılaştırılabilir radyal akılı motorlardan bile daha iyi performans gösterebilir.

Yanılgı 3: Sıcaklık etkilerini göz ardı etmek.

Hem kalıcı mıknatıs akı bağlantısı hem de sargı direnci sıcaklığa göre değişir. Yüksek sıcaklıklarda akı bağlantısı azalır ve alan zayıflatan akım gereksinimleri değişir. Değerlendirmede yalnızca soğuk durum verileri değil, sıcak durum parametreleri de kullanılmalıdır.

Yanlış Kanı 4: Simülasyonun maksimum hızını gerçek kullanılabilir hız olarak ele almak.

Simülasyonlar genellikle ideal voltaj, akım ve sıcaklık koşulları altında çalıştırılır. Gerçek laboratuvar testlerinde, denetleyicinin doğrusal olmayan durumları ve termal koruma, pratik alan zayıflama bölgesini sınırlayacaktır.

VII. Çözüm

Eksenel akılı motorun yüksek hızlı alan zayıflatma kapasitesi özünde sistem düzeyinde bir mühendislik problemidir.

Bu sadece motor gövdesinin elektromanyetik tasarımına değil aynı zamanda kontrol stratejisine, invertör kapasitesine ve termal yönetime de bağlıdır.
Değerlendirme yalnızca bir veya iki parametreye dayanmamalıdır; bunun yerine karakteristik akım, gerilim/akım sınır çemberleri, sabit güç bölgesi genişliği, yüksek hız verimliliği, sıcaklık artışı ve sürekli çalışma kabiliyetine dayalı kapsamlı bir karar gerektirir.

Eksenel akılı motorları yüksek hızlı elektrikli tahrik uygulamalarına gerçekten dahil etmeyi amaçlayan mühendisler için,  alan zayıflatma yeteneği 'var olup olmadığı' meselesi değil, 'motorun hızı sürdürülebilir ve verimli bir şekilde artırıp artıramayacağı' meselesidir.

Gelecekte, yeni malzemeler, yeni topolojiler ve çoklu fizik optimizasyon tekniklerindeki gelişmelerle birlikte, eksenel akılı motorların yüksek hızlı alan zayıflama bölgesindeki performansı artmaya devam edecektir.
Alan zayıflatma yeteneklerinin doğru ve sistematik bir şekilde değerlendirilmesi, elektrikli tahrik geliştirmede giderek daha kritik bir bağlantı haline gelecektir.