Як оцінити високошвидкісну здатність двигунів з осьовим потоком до ослаблення поля?

В останні роки двигуни з осьовим потоком набувають все більшої популярності в спільноті електроприводів. Багато хто вважає їх одним із репрезентативних напрямків для високопродуктивних двигунів наступного покоління, особливо в додатках, де об’єм і вага є критичними, наприклад, у колесних двигунах, дронах, електричних спортивних автомобілях і гібридних системах. Структура осьового потоку дійсно пропонує унікальні переваги в цих сценаріях.

Однак, щоб справді застосувати двигуни з осьовим потоком у системах високошвидкісного електроприводу, одна технічна проблема неминуча:  чи достатньо високошвидкісної здатності ослаблення поля? І як це має бути оцінено?

I. По-перше, зрозумійте: чому 'послаблення поля' завжди необхідно на високій швидкості?

Основною характеристикою синхронних двигунів з постійними магнітами (PMSM) є те, що зворотна ЕРС зростає зі швидкістю.

Зворотню ЕРС можна просто зрозуміти як напругу, «генеровану» самим двигуном під час його обертання. Коли швидкість підвищується до певної точки, зворотна ЕРС наближається або навіть перевищує максимальну напругу, яку може забезпечити контролер, тобто напругу шини постійного струму. У цей момент двигун більше не може подавати струм або збільшувати швидкість; він ефективно заблокований 'стіною напруги'.

Отже, що можна зробити?

Метод такий:  активно зменшити потокозчеплення двигуна, тобто зробити магнітне поле 'слабшим' , тим самим знижуючи зворотну ЕРС і звільняючи запас напруги для вищих швидкостей. Це те, що ми зазвичай називаємо 'контролем послаблення поля'.

Аналогія:
стандартний велосипед потребує великого передавального числа для старту та високого крутного моменту; якщо ви підтримуєте це велике співвідношення на високій швидкості, ваші ноги не зможуть встигати за каденцією. Контроль із ослабленням поля схожий на перемикання на менше передавальне число на високій швидкості, дозволяючи швидкості транспортного засобу продовжувати збільшуватися, а частота обертання ноги залишається незмінною.

II. Особливості аксіальних двигунів при ослабленні поля

Двигуни з осьовим потоком — це не єдина фіксована конструкція, а широка категорія топологій. Їх спільною особливістю є те, що потік повітряного зазору тече в осьовому напрямку, а не радіально, як у звичайних двигунах з радіальним потоком.

Ця структура забезпечує такі переваги, як висока щільність крутного моменту, плоский форм-фактор і коротка осьова довжина, але також вводить деякі характеристики, пов’язані з можливістю ослаблення поля.

Одним із найвпливовіших факторів є:  багато двигунів з осьовим потоком мають відносно низьку індуктивність.

Здатність двигуна до послаблення поля тісно пов’язана з відношенням індуктивності прямої осі  Ld  до потокозчеплення  Ψm . Простіше кажучи, чим більша індуктивність прямої осі та чим менший потокозчеплення, тим легшим стає теоретично послаблення поля та тим сильнішою є можливість високошвидкісного розширення.

Багато двигунів з осьовим потоком, прагнучи отримати високу щільність крутного моменту, мають короткі магнітні шляхи та короткі кінці обмоток, що призводить до природної низької індуктивності. Отже, більший струм ослаблення поля необхідний для скасування зчеплення потоку, що призводить до значного збільшення втрат міді на високій швидкості, падіння ефективності та, можливо, навіть недостатньої здатності ослаблення поля.

Але зауважте:  не всі двигуни з осьовим потоком мають низьку продуктивність послаблення поля.
Це залежить від конкретної конструкції. Наприклад, використання багатошарових магнітів, збільшення кількості пар полюсів, оптимізація конфігурації обмоток або збільшення внеску крутного моменту неохочі можуть покращити ефективність ослаблення поля.

Тому при оцінці не можна просто сказати 'двигуни з осьовим потоком завжди мають слабке ослаблення поля'; його необхідно оцінювати в кожному конкретному випадку для кожного конкретного проекту.

III. Які основні показники для оцінки здатності до ослаблення поля?

У інженерній практиці оцінка високошвидкісної здатності двигуна з осьовим потоком ослаблення поля зазвичай включає такі основні параметри та криві.

1. Характеристика струму

Характерний струм визначається як:

 де  Ψm  — зчеплення потоку постійного магніту, а  Ld  — індуктивність прямої осі.

Якщо характеристичний струм менший за максимальний вихідний струм контролера, то двигун теоретично може увійти в область 'нескінченного ослаблення поля', що дозволяє збільшити дуже високу швидкість.
Якщо характеристичний струм перевищує максимальний струм, це означає, що навіть використання всього струму для ослаблення поля недостатньо для скасування зчеплення потоку, що обмежує можливість високошвидкісного розширення.

Характерний струм є найбільш інтуїтивно зрозумілим показником для оцінки потенціалу ослаблення поля.

2. Коло граничної напруги та коло граничної сили струму

На векторній площині струму робота двигуна обмежена двома колами:

• Коло обмеження струму : визначається максимальним вихідним струмом контролера;

• Граничне коло напруги : визначається напругою шини постійного струму та поточною швидкістю.

Зі збільшенням швидкості коло обмеження напруги звужується. Робоча точка двигуна повинна лежати в межах перетину цих двох кіл.

Двигун із сильною здатністю ослаблення поля все ще має достатню площу перетину на високій швидкості, щоб забезпечити корисний крутний момент.
Двигун із поганою здатністю до ослаблення поля бачить, що коло обмеження напруги скорочується занадто швидко, стискаючи робочу точку в дуже малу область, і вихідна здатність різко падає.

3. Ширина області постійної потужності

У техніці 'область постійної потужності' часто використовується для оцінки можливостей високошвидкісного розширення.
Більш широка область постійної потужності вказує на те, що двигун може підтримувати відносно високу вихідну потужність на високих швидкостях, а не відчувати різке падіння крутного моменту.

Якщо двигун з осьовим потоком погано сконструйований для ослаблення поля, його область постійної потужності буде помітно вузькою, а потужність на кінці високої швидкості швидко впаде.

4. Відношення максимальної швидкості до номінальної

Цей коефіцієнт також називають 'коефіцієнтом розширення швидкості з послабленням поля'.
Для типових двигунів приводу легкових автомобілів бажаний коефіцієнт розширення в 3-4 рази або більше, наприклад, номінальний при 4000 об/хв і максимальний при 15000–18000 об/хв.
Чи зможе двигун з осьовим потоком досягти цього рівня, залежить від комбінованої оцінки індуктивності, потокозчеплення, кількості пар полюсів і можливостей напруги контролера.

5. Високошвидкісна ефективність і підвищення температури

Ослаблення поля залежить не лише від того, 'чи може воно обертатися', але також і від того, 'наскільки воно ефективне, коли це відбувається'.
Якщо струм ослаблення поля є надмірно великим, втрати міді різко збільшуються, що призводить до різкого підвищення температури на високій швидкості, що може навіть спричинити необоротне розмагнічування постійних магнітів.

Тому, оцінюючи здатність послаблення поля, важливо також досліджувати високошвидкісну ефективність MAP і теплові характеристики, а не лише швидкісні показники.

IV. Як оцінити на практиці? Три підходи

Підхід 1: Електромагнітне моделювання

На етапі проектування інженери зазвичай створюють електромагнітну модель двигуна з осьовим потоком, використовуючи програмне забезпечення моделювання кінцевих елементів.

Шляхом розгортки різних швидкостей і векторів струму можна отримати наступне:

• Форма хвилі зворотної ЕРС;

• Індуктивності прямої та квадратурної осей  Ld , Lq;

• Поточне зчеплення  Ψm;

• Характеристика струму  Іч;

• Перетин граничного еліпса напруги та граничного кола струму;

• Теоретична крива максимального моменту-швидкості;

• Ефективність КАРТА.

Ці дані можуть всебічно відображати потенціал ослаблення поля двигуна.
Однак для отримання точних результатів моделювання модель повинна точно відображати осьовий потік і потік витоку, тривимірні шляхи магнітного кола та характеристики насичення. Як наслідок, моделювання двигунів з осьовим потоком більшою мірою покладається на 3D-аналіз кінцевих елементів порівняно зі звичайними радіальними двигунами.

Підхід 2: Стендове тестування

Моделювання є лише теоретичним; зрештою, потрібні стендові вимірювання.

Стендові випробування зазвичай включають:

• Вимірювання коефіцієнта зворотної ЕРС;

•  Вимірювання індуктивності при різних температурах;

• Зовнішня характеристика пікового крутного моменту-швидкості;

• Безперервна номінальна вихідна потужність;

• Тривалий час роботи на максимальній швидкості;

• Підвищення ефективності та температури в області ослаблення високошвидкісного поля;

• Тест на погіршення продуктивності після розмагнічування магніту.

Найбільш критичними є  підвищення температури в області високошвидкісного ослаблення поля  та  здатність до безперервної роботи. .
Багато прототипів осьового потоку можуть досягати дуже високих швидкостей під час короткочасних пікових випробувань, але якщо вони перегріваються та знижуються після кількох хвилин безперервної роботи, їх не можна вважати такими, що мають справді кваліфіковану здатність до ослаблення поля.

Підхід 3: Оцінка відповідності стратегії контролю

Можливість ослаблення поля залежить не тільки від самого двигуна, але й від контролера та алгоритмів керування.

Загальні стратегії контролю включають:

• MTPA (максимальний крутний момент на Ампер);

• Контроль послаблення поля;

• MTPV (максимальний крутний момент на напругу);

• Випереджаюча подача напруги та розв’язка струму при глибокому ослабленні поля.

Оцінка повинна перевірити, чи може стратегія керування повністю використовувати обмеження напруги та струму двигуна з осьовим потоком.
Якщо корпус двигуна має хороший потенціал послаблення поля, але алгоритм керування неадекватний, на високих швидкостях можуть виникнути такі проблеми, як тремтіння, втрата контролю або надмірно низька ефективність.

V. Які вдосконалення конструкції можуть підвищити високошвидкісну здатність двигунів з осьовим потоком послаблювати поле?

Якщо оцінка виявить недостатню здатність послаблення поля, загальні напрямки вдосконалення включають:

1. Оптимізуйте індуктивність прямої осі

Відповідне збільшення індуктивності прямої осі може знизити характеристичний струм і збільшити здатність послаблення поля.
Цього можна досягти шляхом збільшення кількості пар полюсів, регулювання геометрії слота, оптимізації розташування обмоток, збільшення ширини магнітного мосту тощо.

Однак збільшення прямої індуктивності часто суперечить щільності крутного моменту, тому необхідна оптимізація за багатьма параметрами.

2. Помірно зменшити зчеплення потоку

Використання магнітів із трохи нижчою залишковою намагніченістю, але вищою температурною стійкістю або зменшення товщини магніту може знизити зворотну ЕРС і характеристичний струм.
Компромісом є зменшення крутного моменту на низькій швидкості, який потрібно зважити із загальними системними вимогами.

3. Збільште внесок крутного моменту

Збільшуючи коефіцієнт помітності (різниця між квадратурною індуктивністю та індуктивністю прямої осі), опорний момент може отримати більшу частку виходу, зменшуючи залежність від з’єднання потоку постійного магніту.
Таким чином, при високошвидкісному ослабленні поля, потокозчеплення займає менше запасу напруги, полегшуючи збільшення швидкості.

4. Використовуйте гібридне збудження або змінний потік

Це більш просунутий підхід.
Включення обмоток поля або магнітів зі змінним потоком в структуру осьового потоку дозволяє активно зменшувати потік повітряного зазору на високій швидкості, перетворюючи «пасивне ослаблення поля» на «активне послаблення поля».

Ця конструкція може значно підвищити високошвидкісну ефективність і ширину області постійної потужності, але збільшує структурну складність і вартість.

5. Покращення використання напруги шини постійного струму

Якщо сам двигун має скромну здатність до ослаблення поля, також можна відштовхнути «стіну напруги» шляхом підвищення рівня напруги контролера, використання інверторів SiC, оптимізації стратегій модуляції тощо, щоб забезпечити більш ефективну напругу від тієї ж напруги шини.

Це залишає більше простору для ослаблення поля.

VI. Поширені помилки

Оцінюючи високошвидкісну здатність двигунів з осьовим потоком ослаблювати поле, варто звернути увагу на кілька помилкових уявлень.

Помилка 1: Дивлячись лише на максимальну швидкість.

Висока максимальна швидкість не обов’язково означає потужну здатність послаблювати поле — це може бути лише короткочасний сплеск швидкості без тривалої корисної вихідної потужності.

Помилка 2: Вважати, що двигуни з осьовим потоком завжди мають слабке ослаблення поля.

Як згадувалося раніше, осьовий потік є топологічним поняттям, і конкретні показники послаблення поля можуть бути різними. Деякі високопродуктивні двигуни з осьовим потоком можуть навіть перевершувати аналогічні двигуни з радіальним потоком за здатністю ослаблення поля.

Помилка 3: Ігнорування впливу температури.

Як з’єднання потоку постійного магніту, так і опір обмотки змінюються залежно від температури. При високих температурах зв'язок потоку зменшується, змінюючи вимоги до струму послаблення поля. Оцінка повинна використовувати параметри гарячого стану, а не лише дані холодного стану.

Помилка 4: трактування максимальної швидкості симуляції як фактично корисної швидкості.

Симуляції часто виконуються за ідеальних умов напруги, струму та температури. У фактичних стендових випробуваннях нелінійності контролера та тепловий захист обмежуватимуть практичну область ослаблення поля.

VII. Висновок

Здатність двигуна з осьовим потоком високошвидкісного ослаблення поля є, по суті, інженерною проблемою системного рівня.

Це залежить не лише від електромагнітної конструкції корпусу двигуна, але й від стратегії керування, можливостей інвертора та керування температурою.
Оцінка не повинна спиратися лише на один або два параметри; натомість для цього потрібне комплексне судження на основі характеристичного струму, граничних кіл напруги/струму, ширини області постійної потужності, високошвидкісної ефективності, підвищення температури та можливості безперервної роботи.

Для інженерів, які прагнуть справді застосувати двигуни з осьовим потоком у високошвидкісних електроприводах,  можливість ослаблення поля залежить не від того, «чи вона існує», а скоріше від того, «чи може двигун збільшувати швидкість стабільно та ефективно».

У майбутньому завдяки розвитку нових матеріалів, нових топологій і багатофізичних методів оптимізації продуктивність двигунів з осьовим потоком у високошвидкісній області ослаблення поля продовжуватиме покращуватися.
І точна та систематична оцінка їхньої здатності послаблювати поле все більше ставатиме критичною ланкою у розробці електроприводів.