Banco de pruebas EESM: Bobinado del rotor, Excitación de campo, y validación de motores síncronos excitados eléctricamente

Por qué EESM está volviendo a la conversación sobre sistemas de propulsión de vehículos eléctricos

Los motores de imanes permanentes han dominado la tracción de los vehículos eléctricos durante más de una década, pero los motores síncronos excitados eléctricamente están experimentando un importante regreso. El Megane E-Tech de Renault utiliza un EESM con rotor bobinado y excitador sin escobillas. Mercedes-Benz especifica EESM para la plataforma comercial eSprinter. La razón es sencilla: sin imanes de tierras raras, campo controlable, y comportamiento de desmagnetización inherentemente seguro en condiciones de alta temperatura o falla. Mientras los fabricantes de equipos originales de automóviles buscan reducir la dependencia de las cadenas de suministro de neodimio y disprosio, Las cualificaciones EESM se están acelerando.

Probar un EESM no es lo mismo que probar un PMSM. El rotor bobinado añade un segundo circuito eléctrico, el devanado de campo, con su propia clase de aislamiento., límite térmico, y modos de falla. El excitador sin escobillas (un pequeño generador integral al eje del rotor) agrega complejidad mecánica que los procedimientos de calificación PMSM simplemente ignoran. El ingeniero de validación necesita un protocolo de prueba que cubra explícitamente el control de corriente de campo., aislamiento del devanado del rotor, rendimiento del excitador, y la interacción entre el nivel de excitación de campo y la salida de par, ninguno de los cuales aparece en los planes de prueba estándar de motores de inducción de CA o PMSM..

En qué se diferencia eléctricamente el EESM del PMSM y del motor de inducción

• Devanado de campo en el rotor.: A diferencia del PMSM (imanes permanentes en el rotor) o motor de inducción (rotor de jaula de ardilla de cortocircuito), El EESM tiene una bobina energizada por CC enrollada alrededor del núcleo del rotor.. El nivel de corriente de campo controla directamente el flujo del entrehierro y, por lo tanto, la curva de par-velocidad, en tiempo real..
• Excitador sin escobillas: La mayoría de los EESM automotrices utilizan un sistema de excitación sin escobillas.: un pequeño generador de CA en el eje del rotor (Polaridad estator/rotor invertida en comparación con la máquina principal.) Proporciona CC al devanado de campo a través de un rectificador integrado que gira con el rotor.. Esto elimina las escobillas y los anillos colectores, pero requiere que el excitador se valide como un subsistema..
• Par máximo por amperio (MTPA) con debilitamiento del campo: En un PMSM, MTPA y el debilitamiento de campo son pura optimización del ángulo actual d-q. En una EESM, el debilitamiento del campo se logra reduciendo la corriente del campo: un eje de control diferente. El EESM puede lograr un debilitamiento de campo más profundo que un PMSM sin las restricciones límite actuales, permitiendo un mejor rango de potencia constante de alta velocidad.
• Par de engranaje cero: Sin imanes permanentes, El par dentado se elimina por diseño.. Esta es una ventaja para la operación de crucero de alta eficiencia y NVH de bajo ruido, pero elimina un indicador de autodiagnóstico en el que confían los ingenieros de pruebas de PMSM para evaluar el estado del imán..

Elementos de prueba básicos para la validación EESM

1. Corriente de campo vs.. Mapeo de voltaje de circuito abierto

Con el rotor girando a la velocidad nominal y el estator en circuito abierto, La corriente de campo se barre desde cero hasta el valor nominal máximo. (normalmente de 5 a 25 A CC, según el tamaño de la máquina). El voltaje de circuito abierto en los terminales del estator se registra en cada paso actual.. Esta curva de magnetización (enlace de flujo de entrehierro vs. corriente de campo) Caracteriza el comportamiento de saturación del circuito magnético y confirma que el excitador entrega una corriente de campo adecuada a todas las velocidades..

Métricas clave: Tensión de circuito abierto a velocidad nominal y corriente de campo nominal. (V), corriente de campo de saturación del punto de inflexión (A), demanda actual del excitador en el campo nominal (A del inversor).

2. Aislamiento y resistencia del devanado del rotor

El devanado inductor del rotor es un lugar de fallo de aislamiento de alto riesgo.: gira, experimenta estrés centrífugo, ve expansión térmica diferencial entre el cobre y el hierro, y está expuesto a CC rectificada en lugar de CA sinusoidal. La resistencia del devanado del rotor se mide en frío y en estado térmico estable. (calcular el coeficiente de temperatura). La resistencia de aislamiento se mide entre los terminales del devanado de campo y el núcleo del rotor en 500 VCC, con criterio de aceptación típicamente 10 MΩ mínimo. Se mide la inductancia del devanado para confirmar la ausencia de vueltas en cortocircuito..

Métricas clave: resistencia CC fría (Oh), resistencia caliente en estado térmico estable (Oh), resistencia de aislamiento (MΩ en 500 VCC), inductancia del devanado de campo (mH).

3. Producción de par vs.. Corriente de campo en múltiples puntos de velocidad

En cada uno de los tres puntos de ajuste de velocidad (30%, 70%, y 100% velocidad nominal), La corriente del estator se mantiene en el valor nominal mientras la corriente de campo se barre desde 20% a 120% de clasificado. El par de salida se registra en cada punto de combinación.. Esto genera la superficie MTPA fundamental (el nivel de corriente de campo que produce el par máximo para una corriente del estator determinada) y revela cualquier asimetría en la superficie de control que indique un desequilibrio en el devanado del rotor o una limitación del excitador..

Métricas clave: Corriente de campo MTPA a velocidad nominal (A), par en MTPA normalizado al par nominal (%), Corriente de campo a la que el par se satura..

4. Rango de debilitamiento de campo y rendimiento de alta velocidad

El motor se acelera desde la velocidad base nominal hasta la velocidad máxima de prueba. (normalmente entre 1,5 y 2 veces la velocidad base) a la corriente nominal del estator mientras que la corriente de campo se reduce progresivamente. El par y la potencia se registran en función de la velocidad en la región de debilitamiento del campo.. La relación de velocidad a potencia constante (la relación entre la velocidad máxima y la velocidad base) es una especificación clave para los motores de tracción y debe verificarse experimentalmente con el objetivo de diseño..

Métricas clave: relación de velocidad de potencia constante, par a máxima velocidad, corriente del estator requerida para el debilitamiento del campo de velocidad máxima (A), excitador back-EMF a máxima velocidad (V).

5. Validación del rectificador y rendimiento del excitador sin escobillas

El subsistema excitador (el pequeño generador enrollado al revés en el eje más el rectificador giratorio) se prueba de forma independiente conectando una carga resistiva conocida. (simulando el devanado de campo) a la salida del rectificador mientras se barre la corriente de entrada del estator del excitador y la velocidad del rotor. Se miden el voltaje CC de salida y la ondulación.. Esta prueba identifica fallas en los diodos rectificadores. (detectable como aumento de la ondulación) y asimetría del devanado del excitador antes del montaje completo de la máquina.

Métricas clave: Tensión de salida de CC a la corriente de entrada nominal del excitador (V), Ondulación de CA en salida rectificada (mV), Salida del rectificador a velocidad mínima de arranque. (V en 200 rpm).

6. Gestión térmica del devanado del campo del rotor.

El devanado del rotor no tiene una ruta de enfriamiento directa: el calor debe conducirse a través del hierro del rotor hasta el eje y el entrehierro.. La temperatura del devanado del rotor se mide mediante el aumento de resistencia. (Método ΔR según IEC 60034-1) porque los sensores directos son difíciles de montar en componentes giratorios. La prueba hace funcionar el motor con carga nominal durante la duración definida de la prueba térmica y confirma que el aumento de temperatura del devanado del rotor permanece dentro del límite de la clase de aislamiento. (Clase F: 100 K aumenta por encima de 40°C ambiente, Clase H: 125 k aumento).

Métricas clave: Aumento de la temperatura del devanado del rotor en estado térmico estable. (k), aumento de temperatura del devanado del estator (k), Temperatura del rodamiento en estado térmico estable. (°C).

Integración de las pruebas EESM en su programa de desarrollo de vehículos eléctricos

La calificación EESM no reemplaza la experiencia en la prueba PMSM, sino que la amplía. El mismo dinamómetro de cuatro cuadrantes, Los mismos requisitos de precisión del transductor de par. (0.1% FS o mejor), y se aplica la misma instrumentación térmica.. Lo que cambia es la interfaz de control.: el banco de pruebas debe suministrar y controlar con precisión una fuente de corriente de campo CC independiente del inversor del estator principal, sincronizado con la posición del rotor para un mapeo MTPA preciso. Diagnóstico del devanado del rotor: resistencia de aislamiento., aumento de resistencia, Inductancia: requiere un canal de medición de CC de bajo voltaje separado que pueda acceder de manera segura a los terminales de salida del excitador a través de un accesorio de anillo colector o una conexión a los terminales del devanado del rotor antes del ensamblaje..

Si su programa de desarrollo de vehículos eléctricos avanza hacia motores de tracción EESM, ya sea para reducir las tierras raras, extensión del rango de debilitamiento del campo, o tolerancia a fallas térmicas: la especificación del banco de pruebas debe actualizarse antes de que llegue el primer prototipo. Póngase en contacto con nuestro equipo de ingeniería para revisar sus requisitos de validación EESM y configurar la solución de prueba adecuada.