Stanowisko testowe EESM: Uzwojenie wirnika, Wzbudzenie pola, i walidacja silników synchronicznych wzbudzanych elektrycznie

Dlaczego EESM powraca do dyskusji na temat układów napędowych pojazdów elektrycznych

Od ponad dekady w pojazdach elektrycznych dominują silniki z magnesami trwałymi, ale wzbudzone elektrycznie silniki synchroniczne przeżywają znaczący powrót. Renault Megane E-Tech wykorzystuje EESM z uzwojonym wirnikiem i bezszczotkowym wzbudnikiem. Mercedes-Benz określa EESM dla komercyjnej platformy eSprinter. Powód jest prosty: żadnych magnesów ziem rzadkich, kontrolowane pole, i wewnętrznie bezpieczne zachowanie podczas rozmagnesowania w warunkach wysokiej temperatury lub usterek. Ponieważ producenci OEM z branży motoryzacyjnej dążą do zmniejszenia zależności od łańcuchów dostaw neodymu i dysprozu, Kwalifikacje EESM przyspieszają.

Testowanie EESM to nie to samo, co testowanie PMSM. Uzwojony wirnik dodaje drugi obwód elektryczny — uzwojenie wzbudzenia — z własną klasą izolacji, granica termiczna, i tryby usterek. Wzbudnica bezszczotkowa (mały generator zintegrowany z wałem wirnika) dodaje złożoności mechanicznej, którą procedury kwalifikacyjne PMSM po prostu ignorują. Inżynier walidujący potrzebuje protokołu testowego, który wyraźnie obejmuje kontrolę prądu polowego, izolacja uzwojenia wirnika, wydajność wzbudnicy, oraz interakcja między poziomem wzbudzenia pola a wyjściowym momentem obrotowym – z których żaden nie pojawia się w standardowych planach testów silników indukcyjnych prądu przemiennego lub PMSM.

Czym EESM różni się pod względem elektrycznym od PMSM i silnika indukcyjnego

• Uzwojenie pola na wirniku: W przeciwieństwie do PMSM (magnesy trwałe na wirniku) lub silnik indukcyjny (zwarcie wirnika klatkowego), EESM ma cewkę zasilaną prądem stałym nawiniętą wokół rdzenia wirnika. Poziom prądu polowego bezpośrednio steruje strumieniem szczeliny powietrznej – a tym samym krzywą momentu obrotowego – prędkości – w czasie rzeczywistym.
• Wzbudnica bezszczotkowa: Większość samochodowych EESM wykorzystuje bezszczotkowy układ wzbudzenia: mały generator prądu przemiennego na wale wirnika (odwrócona polaryzacja stojana/wirnika w porównaniu z maszyną główną) dostarcza prąd stały do ​​uzwojenia wzbudzenia poprzez wbudowany prostownik obracający się wraz z wirnikiem. Eliminuje to szczotki i pierścienie ślizgowe, ale wymaga sprawdzenia wzbudnicy jako podsystemu.
• Maksymalny moment obrotowy na amper (MTPA) z osłabieniem pola: W PMSM, MTPA i osłabienie pola to czysta optymalizacja kąta prądu d-q. W EESM, osłabienie pola osiąga się poprzez zmniejszenie prądu pola – inna oś sterowania. EESM może osiągnąć głębsze osłabienie pola niż PMSM bez ograniczeń prądu, umożliwiając lepszy zakres stałej mocy przy dużych prędkościach.
• Zerowy moment obrotowy: Bez magnesów trwałych, Moment zaczepowy został wyeliminowany konstrukcyjnie. Jest to zaleta w przypadku wysokowydajnego rejsu i cichego NVH, ale eliminuje wskaźnik autodiagnostyki, na którym polegają inżynierowie testujący PMSM przy ocenie stanu magnesu.

Podstawowe elementy testowe do walidacji EESM

1. Prąd pola vs. Mapowanie napięcia w obwodzie otwartym

Gdy wirnik obraca się z prędkością znamionową, a obwód stojana jest otwarty, prąd pola jest przesuwany od zera do maksymalnej wartości znamionowej (zazwyczaj 5–25 A DC w zależności od wielkości maszyny). Napięcie jałowe na zaciskach stojana jest rejestrowane przy każdym stopniu prądu. Ta krzywa namagnesowania (połączenie strumienia w szczelinie powietrznej vs. prąd pola) charakteryzuje zachowanie nasycenia obwodu magnetycznego i potwierdza, że ​​wzbudnica dostarcza odpowiedni prąd pola przy wszystkich prędkościach.

Kluczowe wskaźniki: napięcie obwodu otwartego przy prędkości znamionowej i znamionowym prądzie pola (V), prąd pola nasycenia punktu kolanowego (A), zapotrzebowanie prądu wzbudnicy przy polu znamionowym (A z falownika).

2. Izolacja i rezystancja uzwojenia wirnika

Uzwojenie pola wirnika jest miejscem uszkodzenia izolacji wysokiego ryzyka: to się kręci, doświadcza naprężeń odśrodkowych, widzi różnicę rozszerzalności cieplnej miedzi i żelaza, i jest wystawiony na działanie wyprostowanego prądu stałego, a nie sinusoidalnego prądu przemiennego. Rezystancję uzwojenia wirnika mierzy się w stanie ustalonym na zimno i w stanie termicznym (obliczanie współczynnika temperaturowego). Rezystancję izolacji mierzy się pomiędzy zaciskami uzwojenia wzbudzenia a rdzeniem wirnika w 500 VDC, zazwyczaj z kryterium akceptacji 10 Minimum MΩ. Indukcyjność uzwojenia jest mierzona w celu potwierdzenia braku zwartych zwojów.

Kluczowe wskaźniki: rezystancja zimnego prądu stałego (Oh), odporność na gorąco w stanie ustalonym termicznie (Oh), rezystancja izolacji (MΩ przy 500 VDC), indukcyjność uzwojenia pola (mH).

3. Produkcja momentu obrotowego vs. Prąd pola w wielu punktach prędkości

Przy każdej z trzech wartości zadanych prędkości (30%, 70%, I 100% prędkość znamionowa), prąd stojana jest utrzymywany na wartości znamionowej, podczas gdy prąd pola jest usuwany 20% Do 120% ocenianych. Wyjściowy moment obrotowy jest rejestrowany w każdym punkcie kombinacji. Generuje to podstawową powierzchnię MTPA – poziom prądu pola, który wytwarza maksymalny moment obrotowy dla danego prądu stojana – i ujawnia każdą asymetrię na powierzchni sterującej, która wskazuje na niewyważenie uzwojenia wirnika lub ograniczenie wzbudnicy.

Kluczowe wskaźniki: Prąd pola MTPA przy prędkości znamionowej (A), moment obrotowy przy MTPA znormalizowany do momentu znamionowego (%), prąd pola, przy którym moment obrotowy nasyca się.

4. Zasięg osłabienia pola i wydajność przy dużych prędkościach

Silnik jest przyspieszany od znamionowej prędkości podstawowej do maksymalnej prędkości testowej (zazwyczaj 1,5–2 × prędkość podstawowa) przy znamionowym prądzie stojana, podczas gdy prąd pola jest stopniowo zmniejszany. Moment obrotowy i moc są rejestrowane jako funkcja prędkości w obszarze osłabienia pola. Stosunek prędkości przy stałej mocy – stosunek prędkości maksymalnej do prędkości podstawowej – jest kluczową specyfikacją silników trakcyjnych i musi zostać zweryfikowany eksperymentalnie w stosunku do celu projektowego.

Kluczowe wskaźniki: współczynnik prędkości przy stałej mocy, moment obrotowy przy maksymalnej prędkości, prąd stojana wymagany do osłabienia pola przy maksymalnej prędkości (A), Wsteczne pole elektromagnetyczne wzbudnicy przy maksymalnej prędkości (V).

5. Sprawdzanie wydajności wzbudnicy bezszczotkowej i prostownika

Podukład wzbudnicy — mały generator nawinięty odwrotnie na wale oraz obrotowy prostownik — testuje się niezależnie, podłączając znane obciążenie rezystancyjne (symulowanie uzwojenia pola) do wyjścia prostownika podczas zmiany prądu wejściowego stojana wzbudnicy i prędkości wirnika. Mierzone jest wyjściowe napięcie prądu stałego i tętnienie. Ten test identyfikuje awarie diod prostowniczych (wykrywalne jako zwiększone tętnienie) i asymetrię uzwojeń wzbudnicy przed pełnym montażem maszyny.

Kluczowe wskaźniki: Napięcie wyjściowe prądu stałego przy znamionowym prądzie wejściowym wzbudnicy (V), Tętnienie prądu przemiennego na wyprostowanym wyjściu (mV), moc prostownika przy minimalnej prędkości rozruchu (V o godz 200 obr./min).

6. Zarządzanie termiczne uzwojenia pola wirnika

Uzwojenie wirnika nie ma bezpośredniej ścieżki chłodzenia — ciepło musi przewodzić przez żelazo wirnika do wału i szczeliny powietrznej. Temperaturę uzwojenia wirnika mierzy się za pomocą wzrostu rezystancji (Metoda ΔR zgodnie z IEC 60034-1) ponieważ czujniki bezpośrednie są trudne do zamontowania na elementach obrotowych. Test uruchamia silnik przy obciążeniu znamionowym przez zdefiniowany czas trwania testu termicznego i potwierdza, że ​​wzrost temperatury uzwojenia wirnika mieści się w granicach klasy izolacji (Klasa F: 100 Wzrost K powyżej 40°C otoczenia, Klasa H: 125 wzrost K).

Kluczowe wskaźniki: wzrost temperatury uzwojenia wirnika w stanie termicznym ustalonym (K), wzrost temperatury uzwojenia stojana (K), temperatura łożyska w stanie ustalonym termicznie (°C).

Integracja testów EESM z programem rozwoju pojazdów elektrycznych

Kwalifikacja EESM nie zastępuje doświadczenia w testowaniu PMSM – ona je rozszerza. Ten sam czterokwadrantowy dynamometr, te same wymagania dotyczące dokładności przetwornika momentu obrotowego (0.1% FS lub lepszy), i stosuje się to samo oprzyrządowanie termiczne. Zmiany dotyczy interfejsu sterowania: stanowisko testowe musi zasilać i precyzyjnie sterować źródłem prądu pola stałego niezależnym od głównego falownika stojana, zsynchronizowane z pozycją wirnika w celu dokładnego mapowania MTPA. Diagnostyka uzwojenia wirnika — rezystancja izolacji, wzrost oporu, indukcyjność — wymaga oddzielnego kanału pomiarowego prądu stałego niskiego napięcia, który umożliwia bezpieczny dostęp do zacisków wyjściowych wzbudnicy poprzez uchwyt z pierścieniem ślizgowym lub połączenie z zaciskami uzwojenia wirnika przed montażem.

Jeśli Twój program rozwoju pojazdów elektrycznych zmierza w stronę silników trakcyjnych EESM – czy to w celu redukcji emisji pierwiastków ziem rzadkich, rozszerzenie zakresu osłabienia pola, lub odporność na uszkodzenia termiczne — specyfikacja stanowiska badawczego musi zostać zaktualizowana przed pojawieniem się pierwszego prototypu. Skontaktuj się z naszym zespołem inżynierów aby przejrzeć wymagania dotyczące walidacji EESM i skonfigurować odpowiednie rozwiązanie testowe.