Làm thế nào để đánh giá khả năng suy yếu trường tốc độ cao của động cơ thông hướng trục?

Trong những năm gần đây, động cơ từ thông hướng trục ngày càng có được lực kéo trong cộng đồng truyền động điện. Chúng được nhiều người coi là một trong những hướng tiêu biểu cho động cơ hiệu suất cao thế hệ tiếp theo, đặc biệt là trong các ứng dụng có khối lượng và trọng lượng rất quan trọng—chẳng hạn như động cơ trong bánh xe, máy bay không người lái, xe thể thao chạy điện và hệ thống hybrid. Cấu trúc từ thông dọc trục mang lại những lợi thế đặc biệt trong những tình huống này.

Tuy nhiên, để thực sự ứng dụng động cơ từ thông hướng trục trong hệ thống truyền động điện tốc độ cao, một thách thức kỹ thuật là không thể tránh khỏi:  Khả năng làm suy yếu trường tốc độ cao có đủ không? Và nó nên được đánh giá như thế nào?

I. Trước tiên, hãy hiểu: Tại sao 'trường suy yếu' luôn cần thiết ở tốc độ cao?

Một đặc điểm cơ bản của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) là EMF phía sau tăng theo tốc độ.

Trở lại EMF có thể hiểu đơn giản là điện áp 'được tạo ra' bởi chính động cơ khi nó quay. Khi tốc độ tăng đến một điểm nhất định, EMF phía sau sẽ đạt đến mức gần hoặc thậm chí vượt quá điện áp tối đa mà bộ điều khiển có thể cung cấp—tức là điện áp bus DC. Khi đó, động cơ không thể bơm dòng điện hoặc tăng tốc độ được nữa; nó thực sự bị chặn bởi 'bức tường điện áp.'

Vậy có thể làm gì?

Phương pháp này là:  chủ động giảm liên kết từ thông của động cơ, tức là làm cho từ trường 'yếu hơn' , từ đó giảm EMF phía sau và giải phóng khoảng không điện áp cho tốc độ cao hơn. Đây là cái mà chúng tôi thường gọi là 'điều khiển làm suy yếu trường.'

Một sự tương tự:
Một chiếc xe đạp tiêu chuẩn cần có tỷ số truyền lớn để khởi động và mô-men xoắn cao; nếu bạn giữ tỷ lệ lớn đó ở tốc độ cao, chân bạn sẽ không thể theo kịp nhịp. Điều khiển giảm trường lực giống như chuyển sang tỷ số truyền nhỏ hơn ở tốc độ cao, cho phép tốc độ xe tiếp tục tăng trong khi nhịp chân của bạn vẫn giữ nguyên.

II. Đặc điểm của động cơ từ thông hướng trục trong trường suy yếu

Động cơ hướng trục không phải là một thiết kế cố định duy nhất mà là một loại cấu trúc liên kết rộng lớn. Đặc điểm chung của chúng là từ thông khe hở không khí chảy theo hướng trục chứ không phải hướng tâm như trong động cơ từ thông hướng tâm thông thường.

Cấu trúc này mang lại những ưu điểm như mật độ mô-men xoắn cao, hệ số dạng phẳng và chiều dài trục ngắn nhưng cũng đưa ra một số đặc điểm liên quan đến khả năng làm suy yếu trường.

Một trong những yếu tố ảnh hưởng nhất là:  nhiều động cơ từ thông hướng trục có độ tự cảm tương đối thấp.

Khả năng làm suy yếu trường của động cơ có liên quan chặt chẽ với tỷ số giữa độ tự cảm trục thuận  Ld  và liên kết từ thông  Ψm . Nói một cách đơn giản, độ tự cảm trục trực tiếp càng lớn và liên kết từ thông càng nhỏ thì về mặt lý thuyết, trường càng suy yếu càng dễ và khả năng mở rộng tốc độ cao càng mạnh.

Nhiều động cơ từ thông hướng trục, nhằm đạt được mật độ mô-men xoắn cao, có đường dẫn từ ngắn và cuộn dây đầu ngắn, dẫn đến độ tự cảm thấp tự nhiên. Do đó, cần có dòng điện làm suy yếu trường lớn hơn để hủy bỏ liên kết từ thông, dẫn đến tổn hao đồng tăng đáng kể ở tốc độ cao, giảm hiệu suất và thậm chí có thể không đủ khả năng làm suy yếu trường.

Nhưng lưu ý:  không phải tất cả các động cơ từ thông hướng trục đều có hiệu suất làm suy yếu từ trường kém.
Nó phụ thuộc vào thiết kế cụ thể. Ví dụ, sử dụng nam châm nhiều lớp, tăng số cặp cực, tối ưu hóa cấu hình cuộn dây hoặc tăng đóng góp mô-men xoắn từ trở đều có thể cải thiện hiệu suất làm suy yếu trường.

Vì vậy, khi đánh giá không thể nói một cách đơn giản “động cơ từ thông hướng trục luôn có trường suy yếu”; nó phải được đánh giá theo từng trường hợp cụ thể cho từng thiết kế cụ thể.

III. Các chỉ số chính để đánh giá khả năng làm suy yếu trường là gì?

Trong thực hành kỹ thuật, việc đánh giá khả năng suy yếu trường tốc độ cao của động cơ từ thông hướng trục thường liên quan đến các thông số và đường cong cốt lõi sau.

1. Dòng điện đặc trưng

Dòng điện đặc trưng được định nghĩa là:

 trong đó  Ψm  là liên kết từ thông nam châm vĩnh cửu và  Ld  là độ tự cảm trục trực tiếp.

Nếu dòng điện đặc tính nhỏ hơn dòng điện đầu ra tối đa của bộ điều khiển thì về mặt lý thuyết, động cơ có thể đi vào vùng 'làm suy yếu trường vô hạn', cho phép mở rộng tốc độ rất cao.
Nếu dòng đặc tính lớn hơn dòng tối đa, điều đó có nghĩa là ngay cả việc sử dụng toàn bộ dòng điện để làm suy yếu trường cũng không đủ để hủy liên kết từ thông, hạn chế khả năng mở rộng tốc độ cao.

Dòng điện đặc trưng là chỉ báo trực quan nhất để đánh giá khả năng suy yếu trường.

2. Vòng giới hạn điện áp và vòng giới hạn dòng điện

Trên mặt phẳng vectơ hiện tại, hoạt động của động cơ bị ràng buộc bởi hai vòng tròn:

• Vòng giới hạn hiện tại : được xác định bởi dòng điện đầu ra tối đa của bộ điều khiển;

• Vòng giới hạn điện áp : được xác định bởi điện áp bus DC và tốc độ dòng điện.

Khi tốc độ tăng lên, vòng tròn giới hạn điện áp co lại. Điểm làm việc của động cơ phải nằm trong giao điểm của hai đường tròn này.

Một động cơ có khả năng làm suy yếu từ trường mạnh vẫn có đủ diện tích giao nhau ở tốc độ cao để cung cấp mômen hữu ích.
Một động cơ có khả năng làm suy yếu trường kém sẽ thấy vòng giới hạn điện áp co lại quá nhanh, ép điểm vận hành vào một vùng rất nhỏ và công suất đầu ra giảm mạnh.

3. Độ rộng vùng công suất không đổi

Trong kỹ thuật, 'vùng công suất không đổi' thường được sử dụng để đánh giá khả năng mở rộng tốc độ cao.
Vùng công suất không đổi rộng hơn cho thấy rằng động cơ có thể duy trì công suất đầu ra tương đối cao ở tốc độ cao, thay vì gặp phải tình trạng mô-men xoắn giảm mạnh như vách đá.

Nếu một động cơ từ thông hướng trục được thiết kế kém để làm suy yếu trường, thì vùng công suất không đổi của nó sẽ bị thu hẹp đáng kể và công suất ở đầu tốc độ cao sẽ giảm nhanh chóng.

4. Tỷ lệ tốc độ tối đa và tốc độ định mức

Tỷ lệ này còn được gọi là 'tỷ lệ mở rộng tốc độ suy yếu từ trường.'
Đối với động cơ truyền động của xe chở khách thông thường, tỷ lệ mở rộng mong muốn từ 3 đến 4 lần trở lên—ví dụ: được đánh giá ở tốc độ 4000 vòng/phút và tối đa ở 15000–18000 vòng/phút.
Động cơ từ thông hướng trục có thể đạt được mức này hay không phụ thuộc vào việc đánh giá tổng hợp độ tự cảm, liên kết từ thông, số cặp cực và khả năng điện áp của bộ điều khiển.

5. Hiệu suất tốc độ cao và tăng nhiệt độ

Sự suy yếu của trường không chỉ liên quan đến việc 'liệu nó có thể quay lên hay không' mà còn là 'hiệu suất của nó khi nó quay như thế nào'.
Nếu dòng điện làm suy yếu trường quá lớn, tổn thất đồng sẽ tăng lên đáng kể, dẫn đến nhiệt độ tăng nghiêm trọng ở tốc độ cao, thậm chí có thể gây ra hiện tượng khử từ không thể đảo ngược của nam châm vĩnh cửu.

Do đó, khi đánh giá khả năng làm suy yếu trường, điều cần thiết là cũng phải kiểm tra MAP hiệu suất tốc độ cao và hiệu suất nhiệt—không chỉ các con số tốc độ.

IV. Làm thế nào để đánh giá trong thực tế? Ba cách tiếp cận

Cách tiếp cận 1: Mô phỏng điện từ

Trong giai đoạn thiết kế, các kỹ sư thường xây dựng mô hình điện từ của động cơ từ thông hướng trục bằng phần mềm mô phỏng phần tử hữu hạn.

Bằng cách quét các tốc độ và vectơ dòng điện khác nhau, có thể thu được kết quả sau:

• Trở lại dạng sóng EMF;

• Độ tự cảm trục trực tiếp và trục vuông  Ld , Lq;

• Liên kết thông lượng  Ψm;

• Dòng điện đặc trưng  Ich;

• Giao điểm của đường tròn giới hạn điện áp và đường tròn giới hạn dòng điện;

• Đường cong tốc độ mô-men xoắn cực đại lý thuyết;

• BẢN ĐỒ hiệu quả.

Những dữ liệu này có thể phản ánh toàn diện khả năng suy yếu từ trường của động cơ.
Tuy nhiên, để có kết quả mô phỏng chính xác, mô hình phải thể hiện trung thực thông lượng rò rỉ cuối từ thông dọc trục, đường mạch từ 3D và các đặc tính bão hòa. Do đó, việc mô phỏng động cơ từ thông hướng trục phụ thuộc nhiều hơn vào phân tích phần tử hữu hạn 3D so với động cơ hướng tâm thông thường.

Cách tiếp cận 2: Thử nghiệm trên băng ghế dự bị

Mô phỏng chỉ mang tính lý thuyết; cuối cùng, các phép đo băng ghế dự bị là bắt buộc.

Các bài kiểm tra trên băng ghế dự bị thường bao gồm:

• Quay lại đo hệ số EMF;

•  Đo điện cảm ở nhiệt độ khác nhau;

• Đường cong đặc tính bên ngoài tốc độ mô-men xoắn cực đại;

• Khả năng đầu ra công suất định mức liên tục;

• Duy trì thời gian hoạt động ở tốc độ tối đa;

• Hiệu suất và sự gia tăng nhiệt độ ở vùng suy yếu trường tốc độ cao;

• Kiểm tra sự suy giảm hiệu suất sau khi khử từ nam châm.

Điều quan trọng nhất là  sự tăng nhiệt độ ở vùng suy yếu trường tốc độ cao  và  khả năng hoạt động liên tục. .
Nhiều nguyên mẫu từ thông hướng trục có thể đạt tốc độ rất cao trong các thử nghiệm đỉnh trong thời gian ngắn, nhưng nếu chúng quá nóng và giảm đi sau vài phút hoạt động liên tục thì chúng không thể được coi là có khả năng làm suy yếu trường thực sự đủ tiêu chuẩn.

Cách tiếp cận 3: Kiểm soát đánh giá phù hợp chiến lược

Khả năng làm suy yếu trường không chỉ phụ thuộc vào bản thân động cơ mà còn phụ thuộc vào bộ điều khiển và thuật toán điều khiển.

Các chiến lược kiểm soát chung bao gồm:

• MTPA (Mô-men xoắn tối đa trên mỗi Ampe);

• Kiểm soát suy yếu trường;

• MTPV (Mô-men xoắn tối đa trên mỗi điện áp);

• Tiếp điện áp và tách dòng điện trong trường sâu suy yếu.

Việc đánh giá cần kiểm tra xem chiến lược điều khiển có thể khai thác triệt để giới hạn điện áp và dòng điện của động cơ từ thông hướng trục hay không.
Nếu thân động cơ có khả năng làm suy yếu trường tốt nhưng thuật toán điều khiển không phù hợp thì các vấn đề như giật hình, mất điều khiển hoặc hiệu suất quá thấp có thể xảy ra ở tốc độ cao.

V. Những cải tiến thiết kế nào có thể nâng cao khả năng làm suy yếu trường tốc độ cao của động cơ từ thông hướng trục?

Nếu đánh giá cho thấy khả năng làm suy yếu trường không đủ, các hướng cải tiến chung bao gồm:

1. Tối ưu hóa độ tự cảm trục trực tiếp

Việc tăng độ tự cảm trục trực tiếp một cách thích hợp có thể làm giảm dòng điện đặc tính và tăng cường khả năng làm suy yếu trường.
Điều này có thể đạt được bằng cách tăng số cặp cực, điều chỉnh hình dạng khe, tối ưu hóa cách bố trí cuộn dây, tăng chiều rộng cầu từ, v.v.

Tuy nhiên, việc tăng độ tự cảm trục trực tiếp thường xung đột với mật độ mô-men xoắn, do đó cần phải tối ưu hóa đa mục tiêu.

2. Giảm vừa phải liên kết từ thông

Sử dụng nam châm có độ dư thấp hơn một chút nhưng khả năng chịu nhiệt độ cao hơn hoặc giảm độ dày nam châm có thể làm giảm EMF và dòng điện đặc tính.
Sự đánh đổi là việc giảm mô-men xoắn ở tốc độ thấp, điều này cần được cân nhắc so với yêu cầu tổng thể của hệ thống.

3. Tăng sự đóng góp của mômen từ trở

Bằng cách tăng tỷ lệ độ mặn (sự khác biệt giữa điện cảm cầu phương và trục trực tiếp), mô-men xoắn từ trở có thể chiếm tỷ trọng đầu ra lớn hơn, giảm sự phụ thuộc vào liên kết từ thông nam châm vĩnh cửu.
Bằng cách này, khi trường tốc độ cao suy yếu, liên kết từ thông chiếm ít khoảng không điện áp hơn, giúp việc mở rộng tốc độ dễ dàng hơn.

4. Áp dụng kích thích lai hoặc thông lượng thay đổi

Đây là một cách tiếp cận tiên tiến hơn.
Việc kết hợp các cuộn dây kích từ hoặc nam châm có từ thông thay đổi trong cấu trúc từ thông hướng trục cho phép chủ động giảm từ thông khe hở không khí ở tốc độ cao, biến đổi 'sự suy yếu trường thụ động' thành 'sự suy yếu trường chủ động'.

Thiết kế này có thể cải thiện đáng kể hiệu suất tốc độ cao và độ rộng vùng công suất không đổi, nhưng làm tăng độ phức tạp về cấu trúc và chi phí.

5. Cải thiện việc sử dụng điện áp bus DC

Nếu bản thân động cơ có khả năng làm suy yếu trường ở mức khiêm tốn, thì cũng có thể đẩy lùi 'tường điện áp' bằng cách tăng mức điện áp của bộ điều khiển, sử dụng bộ biến tần SiC, tối ưu hóa các chiến lược điều chế, v.v., để cung cấp điện áp hiệu quả hơn từ cùng một điện áp bus.

Điều này để lại nhiều khoảng trống hơn cho trường suy yếu.

VI. Những quan niệm sai lầm phổ biến

Khi đánh giá khả năng làm suy yếu trường tốc độ cao của động cơ từ thông hướng trục, cần lưu ý một số quan niệm sai lầm.

Quan niệm sai lầm 1: Chỉ nhìn vào tốc độ tối đa.

Tốc độ tối đa cao không nhất thiết có nghĩa là khả năng làm suy yếu trường mạnh—nó có thể chỉ là sự bùng nổ tốc độ trong thời gian ngắn mà không duy trì được công suất hữu ích đầu ra.

Quan niệm sai lầm 2: Tin rằng động cơ từ thông hướng trục luôn có độ suy yếu từ trường kém.

Như đã đề cập trước đó, thông lượng dọc trục là một khái niệm tôpô và hiệu suất làm suy yếu trường cụ thể rất khác nhau. Một số động cơ từ thông hướng trục hiệu suất cao thậm chí có thể hoạt động tốt hơn các động cơ từ thông hướng tâm tương đương ở khả năng làm suy yếu từ trường.

Quan niệm sai lầm 3: Bỏ qua ảnh hưởng của nhiệt độ.

Cả liên kết từ thông nam châm vĩnh cửu và điện trở cuộn dây đều thay đổi theo nhiệt độ. Ở nhiệt độ cao, liên kết từ thông giảm đi, làm thay đổi các yêu cầu về dòng điện làm suy yếu trường. Đánh giá nên sử dụng các tham số ở trạng thái nóng, không chỉ dữ liệu ở trạng thái lạnh.

Quan niệm sai lầm 4: Coi tốc độ tối đa của mô phỏng là tốc độ có thể sử dụng thực tế.

Mô phỏng thường được chạy trong điều kiện điện áp, dòng điện và nhiệt độ lý tưởng. Trong thử nghiệm băng ghế thực tế, tính phi tuyến của bộ điều khiển và bảo vệ nhiệt sẽ hạn chế vùng suy yếu trường thực tế.

VII. Phần kết luận

Về bản chất, khả năng làm suy yếu trường ở tốc độ cao của động cơ từ thông hướng trục là một vấn đề kỹ thuật ở cấp độ hệ thống.

Nó không chỉ phụ thuộc vào thiết kế điện từ của thân động cơ mà còn phụ thuộc vào chiến lược điều khiển, khả năng biến tần và quản lý nhiệt.
Đánh giá không nên chỉ dựa vào một hoặc hai tham số; thay vào đó, nó đòi hỏi sự đánh giá toàn diện dựa trên đặc tính dòng điện, vòng tròn giới hạn điện áp/dòng điện, độ rộng vùng công suất không đổi, hiệu suất tốc độ cao, độ tăng nhiệt độ và khả năng hoạt động liên tục.

Đối với các kỹ sư muốn thực sự đẩy động cơ từ thông hướng trục vào các ứng dụng truyền động điện tốc độ cao,  khả năng làm suy yếu trường không phải là vấn đề 'nó có tồn tại hay không' mà là 'liệu động cơ có thể tăng tốc độ một cách bền vững và hiệu quả hay không'.'

Trong tương lai, với những tiến bộ về vật liệu mới, cấu trúc liên kết mới và kỹ thuật tối ưu hóa đa vật lý, hiệu suất của động cơ từ thông hướng trục trong vùng suy yếu trường tốc độ cao sẽ tiếp tục được cải thiện.
Và việc đánh giá chính xác và có hệ thống khả năng làm suy yếu trường của chúng sẽ ngày càng trở thành một mắt xích quan trọng trong việc phát triển truyền động điện.