Bancada de Testes EESM: Enrolamento do Rotor, Excitação de campo, e Validação para Motores Síncronos Eletricamente Excitados

Por que o EESM está retornando à conversa sobre trem de força EV

Os motores de ímã permanente dominaram a tração de veículos elétricos por mais de uma década, mas os motores síncronos eletricamente excitados estão realizando um retorno significativo. Megane E-Tech da Renault usa um EESM com rotor enrolado e excitatriz sem escova. Mercedes-Benz especifica EESM para plataforma comercial eSprinter. A razão é simples: sem ímãs de terras raras, campo controlável, e comportamento de desmagnetização inerentemente seguro em condições de alta temperatura ou falha. À medida que os OEMs automotivos buscam reduzir a dependência das cadeias de fornecimento de neodímio e disprósio, As qualificações da EESM estão a acelerar.

Testar um EESM não é o mesmo que testar um PMSM. O rotor enrolado adiciona um segundo circuito elétrico – o enrolamento de campo – com sua própria classe de isolamento, limite térmico, e modos de falha. O excitador sem escova (um pequeno gerador integrado ao eixo do rotor) acrescenta complexidade mecânica que os procedimentos de qualificação do PMSM simplesmente ignoram. O engenheiro de validação precisa de um protocolo de teste que cubra explicitamente o controle de corrente de campo, isolamento do enrolamento do rotor, desempenho do excitador, e a interação entre o nível de excitação de campo e a saída de torque - nenhum dos quais aparece no motor de indução CA padrão ou nos planos de teste PMSM.

Como o EESM difere eletricamente do PMSM e do motor de indução

• Enrolamento de campo no rotor: Ao contrário do PMSM (ímãs permanentes no rotor) ou motor de indução (rotor de gaiola de esquilo em curto-circuito), o EESM tem uma bobina energizada por CC enrolada em torno do núcleo do rotor. O nível de corrente de campo controla diretamente o fluxo do entreferro – e, portanto, a curva torque-velocidade – em tempo real.
• Excitador sem escova: A maioria dos EESMs automotivos usa um sistema de excitação sem escova: um pequeno gerador CA no eixo do rotor (polaridade estator/rotor invertida em comparação com a máquina principal) fornece CC ao enrolamento de campo através de um retificador integrado girando com o rotor. Isso elimina escovas e anéis coletores, mas exige que o excitador seja validado como um subsistema.
• Torque máximo por ampere (MTPA) com enfraquecimento de campo: Em um PMSM, MTPA e enfraquecimento de campo são pura otimização do ângulo de corrente d-q. Numa EESM, o enfraquecimento do campo é conseguido através da redução da corrente de campo - um eixo de controle diferente. O MEES pode alcançar um enfraquecimento de campo mais profundo do que um PMSM sem as atuais restrições de limite, permitindo melhor faixa de potência constante em alta velocidade.
• Torque de engrenagem zero: Sem ímãs permanentes, o torque de engrenagem é eliminado pelo projeto. Esta é uma vantagem para operação de cruzeiro de alta eficiência e NVH de baixo ruído, mas elimina um indicador de autodiagnóstico no qual os engenheiros de teste PMSM confiam para avaliação da integridade do ímã.

Itens principais de teste para validação EESM

1. Corrente de campo vs.. Mapeamento de tensão em circuito aberto

Com o rotor girando na velocidade nominal e o estator em circuito aberto, a corrente de campo é varrida de zero até o valor nominal máximo (normalmente 5–25 A DC dependendo do tamanho da máquina). A tensão de circuito aberto nos terminais do estator é registrada em cada etapa de corrente. Esta curva de magnetização (ligação de fluxo de entreferro vs.. corrente de campo) caracteriza o comportamento de saturação do circuito magnético e confirma que o excitador fornece corrente de campo adequada em todas as velocidades.

Métricas principais: tensão de circuito aberto na velocidade nominal e corrente nominal de campo (V), corrente do campo de saturação do ponto de joelho (UM), demanda atual do excitador no campo nominal (A do inversor).

2. Isolamento e resistência do enrolamento do rotor

O enrolamento de campo do rotor é um local de falha de isolamento de alto risco: gira, experimenta estresse centrífugo, vê expansão térmica diferencial entre cobre e ferro, e é exposto a CC retificada em vez de CA senoidal. A resistência do enrolamento do rotor é medida a frio e em estado estacionário térmico (calculando o coeficiente de temperatura). A resistência de isolamento é medida entre os terminais do enrolamento de campo e o núcleo do rotor em 500 CCV, com critério de aceitação normalmente 10 MΩ mínimo. A indutância do enrolamento é medida para confirmar a ausência de espiras em curto.

Métricas principais: resistência CC fria (Oh), resistência quente em estado estacionário térmico (Oh), resistência de isolamento (MΩ em 500 CCV), indutância do enrolamento de campo (mH).

3. Produção de torque vs.. Corrente de Campo em Vários Pontos de Velocidade

Em cada um dos três pontos de ajuste de velocidade (30%, 70%, e 100% velocidade nominal), a corrente do estator é mantida no valor nominal enquanto a corrente de campo é varrida 20% para 120% de avaliado. O torque de saída é registrado em cada ponto de combinação. Isto gera a superfície MTPA fundamental – o nível de corrente de campo que produz o torque máximo para uma determinada corrente do estator – e revela qualquer assimetria na superfície de controle que indique desequilíbrio no enrolamento do rotor ou limitação do excitador..

Métricas principais: Corrente de campo MTPA na velocidade nominal (UM), torque em MTPA normalizado para torque nominal (%), corrente de campo na qual o torque satura.

4. Alcance de enfraquecimento de campo e desempenho em alta velocidade

O motor é acelerado da velocidade base nominal até a velocidade máxima de teste (normalmente 1,5–2× velocidade base) na corrente nominal do estator enquanto a corrente de campo é progressivamente reduzida. O torque e a potência são registrados em função da velocidade na região de enfraquecimento do campo. A relação de velocidade de potência constante - a relação entre a velocidade máxima e a velocidade base - é uma especificação chave para motores de tração e deve ser verificada experimentalmente em relação ao objetivo do projeto..

Métricas principais: relação de velocidade de potência constante, torque na velocidade máxima, corrente do estator necessária para enfraquecimento do campo de velocidade máxima (UM), excitador back-EMF na velocidade máxima (V).

5. Desempenho do excitador sem escova e validação do retificador

O subsistema excitador - o pequeno gerador enrolado ao contrário no eixo mais o retificador rotativo - é testado independentemente conectando uma carga resistiva conhecida (simulando o enrolamento de campo) para a saída do retificador enquanto varre a corrente de entrada do estator da excitatriz e a velocidade do rotor. A tensão CC de saída e a ondulação são medidas. Este teste identifica falhas no diodo retificador (detectável como aumento da ondulação) e assimetria do enrolamento do excitador antes da montagem completa da máquina.

Métricas principais: Tensão de saída CC na corrente nominal de entrada do excitador (V), Ondulação AC na saída retificada (mV), saída do retificador na velocidade mínima de partida (V em 200 rpm).

6. Gerenciamento térmico do enrolamento de campo do rotor

O enrolamento do rotor não tem caminho de resfriamento direto – o calor deve ser conduzido através do ferro do rotor até o eixo e o entreferro. A temperatura do enrolamento do rotor é medida usando aumento de resistência (Método ΔR por IEC 60034-1) porque os sensores diretos são difíceis de montar em componentes rotativos. O teste faz o motor funcionar com carga nominal durante a duração definida do teste térmico e confirma que o aumento da temperatura do enrolamento do rotor permanece dentro do limite da classe de isolamento (Classe F: 100 K sobe acima de 40°C ambiente, Classe H: 125 K subir).

Métricas principais: aumento da temperatura do enrolamento do rotor em estado estacionário térmico (K), aumento da temperatura do enrolamento do estator (K), temperatura do rolamento em estado térmico estável (°C).

Integrando testes EESM em seu programa de desenvolvimento de EV

A qualificação EESM não substitui a experiência de teste PMSM – ela a amplia. O mesmo dinamômetro de quatro quadrantes, os mesmos requisitos de precisão do transdutor de torque (0.1% FS ou melhor), e a mesma instrumentação térmica se aplica. O que muda é a interface de controle: a bancada de testes deve fornecer e controlar com precisão uma fonte de corrente de campo CC independente do inversor estator principal, sincronizado com a posição do rotor para mapeamento MTPA preciso. O diagnóstico do enrolamento do rotor – resistência de isolamento, aumento de resistência, indutância — requer um canal de medição CC de baixa tensão separado que possa acessar com segurança os terminais de saída da excitatriz através de um anel coletor ou conexão aos terminais do enrolamento do rotor antes da montagem.

Se o seu programa de desenvolvimento de EV está caminhando para motores de tração EESM – seja para redução de terras raras, extensão de alcance de enfraquecimento de campo, ou tolerância a falhas térmicas – a especificação da bancada de testes precisa ser atualizada antes da chegada do primeiro protótipo. Contate nossa equipe de engenharia para revisar seus requisitos de validação do EESM e configurar a solução de teste correta.