Banco prova EESM: Avvolgimento del rotore, Eccitazione di campo, e validazione per motori sincroni elettricamente eccitati

Perché l'EESM sta tornando al dibattito sui propulsori elettrici

I motori a magneti permanenti dominano la trazione dei veicoli elettrici da oltre un decennio, ma i motori sincroni eccitati elettricamente stanno registrando un significativo ritorno. La Megane E-Tech di Renault utilizza un EESM con rotore avvolto ed eccitatore senza spazzole. Mercedes-Benz specifica l'EESM per la piattaforma commerciale eSprinter. Il motivo è semplice: nessun magnete delle terre rare, campo controllabile, e un comportamento di smagnetizzazione intrinsecamente sicuro in condizioni di temperatura elevata o di guasto. Poiché gli OEM automobilistici cercano di ridurre la dipendenza dalle catene di approvvigionamento di neodimio e disprosio, Le qualifiche EESM stanno accelerando.

Testare un EESM non è la stessa cosa che testare un PMSM. Il rotore avvolto aggiunge un secondo circuito elettrico, l'avvolgimento di campo, con la propria classe di isolamento, limite termico, e modalità di guasto. L'eccitatore senza spazzole (un piccolo generatore solidale all'albero del rotore) aggiunge complessità meccanica che le procedure di qualificazione PMSM semplicemente ignorano. L'ingegnere di validazione necessita di un protocollo di test che copra esplicitamente il controllo della corrente di campo, isolamento dell'avvolgimento del rotore, prestazioni dell'eccitatore, e l'interazione tra il livello di eccitazione del campo e la coppia erogata, nessuno dei quali appare nei motori a induzione CA standard o nei piani di test PMSM.

In che modo l'EESM differisce elettricamente dal PMSM e dal motore a induzione

• Avvolgimento di campo sul rotore: A differenza del PMSM (magneti permanenti sul rotore) o motore a induzione (rotore a gabbia di scoiattolo in cortocircuito), l'EESM ha una bobina energizzata in corrente continua avvolta attorno al nucleo del rotore. Il livello della corrente di campo controlla direttamente il flusso del traferro, e quindi la curva coppia-velocità, in tempo reale.
• Eccitatore senza spazzole: La maggior parte degli EESM automobilistici utilizza un sistema di eccitazione senza spazzole: un piccolo generatore CA sull'albero del rotore (polarità statore/rotore invertita rispetto alla macchina principale) fornisce corrente continua all'avvolgimento di campo tramite un raddrizzatore integrato che ruota con il rotore. Ciò elimina spazzole e anelli collettori ma richiede che l'eccitatore sia convalidato come sottosistema.
• Coppia massima per Ampere (MTPA) con indebolimento del campo: In un PMSM, L'MTPA e l'indebolimento del campo sono pura ottimizzazione dell'angolo di corrente d-q. In un EESM, l'indebolimento del campo si ottiene riducendo la corrente di campo, un asse di controllo diverso. L’EESM può ottenere un indebolimento di campo più profondo rispetto a un PMSM senza vincoli sui limiti attuali, consentendo una migliore gamma di potenza costante ad alta velocità.
• Coppia di cogging zero: Senza magneti permanenti, la coppia di cogging è eliminata dalla progettazione. Questo è un vantaggio per le operazioni di crociera ad alta efficienza e NVH a basso rumore, ma rimuove un indicatore di autodiagnostica su cui gli ingegneri di test PMSM fanno affidamento per la valutazione dello stato dei magneti.

Elementi di test fondamentali per la convalida EESM

1. Corrente di campo vs. Mappatura della tensione a circuito aperto

Con il rotore che gira alla velocità nominale e lo statore in circuito aperto, la corrente di campo viene portata da zero al valore nominale massimo (tipicamente 5–25 A CC a seconda delle dimensioni della macchina). La tensione a circuito aperto ai terminali dello statore viene registrata ad ogni passo di corrente. Questa curva di magnetizzazione (collegamento del flusso con traferro vs. corrente di campo) caratterizza il comportamento di saturazione del circuito magnetico e conferma che l'eccitatore fornisce una corrente di campo adeguata a tutte le velocità.

Metriche chiave: tensione a circuito aperto alla velocità nominale e alla corrente di campo nominale (V), Corrente di campo di saturazione del punto di ginocchio (UN), richiesta di corrente dell'eccitatore al campo nominale (A dall'inverter).

2. Isolamento e resistenza dell'avvolgimento del rotore

L'avvolgimento di campo del rotore è un punto in cui si verifica un guasto di isolamento ad alto rischio: gira, subisce uno stress centrifugo, vede la dilatazione termica differenziale tra rame e ferro, ed è esposto alla corrente continua raddrizzata anziché alla corrente alternata sinusoidale. La resistenza dell'avvolgimento del rotore viene misurata a freddo e allo stato stazionario termico (calcolo del coefficiente di temperatura). La resistenza di isolamento viene misurata tra i terminali dell'avvolgimento di campo e il nucleo del rotore 500 VCC, con criterio di accettazione tipicamente 10 MΩ minimo. L'induttanza dell'avvolgimento viene misurata per confermare l'assenza di spire in cortocircuito.

Metriche chiave: resistenza DC fredda (OH), resistenza al caldo a regime termico (OH), resistenza di isolamento (MΩ a 500 VCC), induttanza dell'avvolgimento di campo (mH).

3. Produzione di coppia vs. Corrente di campo a più punti di velocità

A ciascuno dei tre setpoint di velocità (30%, 70%, E 100% velocità nominale), la corrente dello statore viene mantenuta al valore nominale mentre la corrente di campo viene eliminata 20% A 120% di valutato. La coppia di uscita viene registrata in ciascun punto di combinazione. Ciò genera la superficie MTPA fondamentale (il livello di corrente di campo che produce la coppia massima per una determinata corrente dello statore) e rivela qualsiasi asimmetria nella superficie di controllo che indica uno squilibrio dell'avvolgimento del rotore o una limitazione dell'eccitatrice..

Metriche chiave: Corrente di campo MTPA alla velocità nominale (UN), coppia a MTPA normalizzata alla coppia nominale (%), corrente di campo alla quale la coppia satura.

4. Gamma di indebolimento del campo e prestazioni ad alta velocità

Il motore viene accelerato dalla velocità base nominale alla velocità massima di prova (tipicamente 1,5–2 volte la velocità base) alla corrente nominale dello statore mentre la corrente di campo viene progressivamente ridotta. Coppia e potenza vengono registrate in funzione della velocità nella regione di indebolimento del campo. Il rapporto di velocità a potenza costante, ovvero il rapporto tra la velocità massima e la velocità di base, è una specifica chiave per i motori di trazione e deve essere verificato sperimentalmente rispetto all'obiettivo di progettazione.

Metriche chiave: rapporto di velocità a potenza costante, coppia alla massima velocità, corrente dello statore richiesta per l'indebolimento del campo della velocità massima (UN), eccitatore back-EMF alla massima velocità (V).

5. Convalida delle prestazioni dell'eccitatore senza spazzole e del raddrizzatore

Il sottosistema eccitatore - il piccolo generatore avvolto all'inverso sull'albero più il raddrizzatore rotante - viene testato in modo indipendente collegando un carico resistivo noto (simulando l'avvolgimento di campo) all'uscita del raddrizzatore mentre si analizzano la corrente di ingresso dello statore dell'eccitatrice e la velocità del rotore. Vengono misurati la tensione CC e l'ondulazione in uscita. Questo test identifica i guasti del diodo raddrizzatore (rilevabile come aumento dell'ondulazione) e asimmetria dell'avvolgimento dell'eccitatrice prima dell'assemblaggio completo della macchina.

Metriche chiave: Tensione di uscita CC alla corrente di ingresso nominale dell'eccitatrice (V), Ondulazione AC sull'uscita raddrizzata (mV), uscita del raddrizzatore alla velocità di avviamento minima (V a 200 giri/min).

6. Gestione termica dell'avvolgimento di campo del rotore

L'avvolgimento del rotore non ha un percorso di raffreddamento diretto: il calore deve essere condotto attraverso il ferro del rotore fino all'albero e al traferro. La temperatura dell'avvolgimento del rotore viene misurata utilizzando l'aumento della resistenza (Metodo ΔR secondo IEC 60034-1) perché i sensori diretti sono difficili da montare su componenti rotanti. Il test fa funzionare il motore al carico nominale per la durata definita del test termico e conferma che l'aumento della temperatura dell'avvolgimento del rotore rimane entro il limite della classe di isolamento (Classe F: 100 K aumenta sopra i 40°C ambiente, Classe H: 125 Aumento K).

Metriche chiave: aumento della temperatura dell'avvolgimento del rotore allo stato stazionario termico (K), aumento della temperatura dell'avvolgimento dello statore (K), temperatura del cuscinetto allo stato stazionario termico (° C.).

Integrazione dei test EESM nel tuo programma di sviluppo di veicoli elettrici

La qualifica EESM non sostituisce l’esperienza di test PMSM, ma la estende. Lo stesso dinamometro a quattro quadranti, gli stessi requisiti di precisione del trasduttore di coppia (0.1% FS o meglio), e si applica la stessa strumentazione termica. Ciò che cambia è l'interfaccia di controllo: il banco prova deve fornire e controllare con precisione una sorgente di corrente di campo CC indipendente dall'inverter dello statore principale, sincronizzato con la posizione del rotore per una mappatura MTPA accurata. La diagnostica dell'avvolgimento del rotore: resistenza di isolamento, aumento della resistenza, induttanza: richiede un canale di misurazione CC separato a bassa tensione che possa accedere in sicurezza ai terminali di uscita dell'eccitatrice attraverso un dispositivo ad anello collettore o un collegamento ai terminali dell'avvolgimento del rotore prima del montaggio.

Se il tuo programma di sviluppo di veicoli elettrici si sta spostando verso i motori di trazione EESM, sia per la riduzione delle terre rare, estensione del campo di indebolimento del campo, o tolleranza ai guasti termici: le specifiche del banco di prova devono essere aggiornate prima dell'arrivo del primo prototipo. Contatta il nostro team di ingegneri per rivedere i requisiti di convalida EESM e configurare la giusta soluzione di test.