Испытательный стенд ЕЭСМ: Обмотка ротора, Возбуждение поля, и валидация синхронных двигателей с электрическим возбуждением

Почему EESM возвращается к обсуждению электродвигателей

Двигатели с постоянными магнитами доминируют в тяге электромобилей уже более десяти лет., но синхронные двигатели с электрическим возбуждением переживают значительное возвращение. Megane E-Tech от Renault использует EESM с фазным ротором и бесщеточным возбудителем.. Mercedes-Benz использует EESM для коммерческой платформы eSprinter. Причина проста: нет редкоземельных магнитов, контролируемое поле, и изначально безопасное поведение при размагничивании в условиях высокой температуры или неисправности.. Поскольку производители автомобильного оборудования стремятся снизить зависимость от цепочек поставок неодима и диспрозия, Квалификации EESM ускоряются.

Тестирование EESM — это не то же самое, что тестирование PMSM.. Фасонный ротор добавляет вторую электрическую цепь — обмотку возбуждения — со своим собственным классом изоляции., тепловой предел, и режимы неисправности. Бесщеточный возбудитель (небольшой генератор, встроенный в вал ротора) добавляет механическую сложность, которую процедуры квалификации PMSM просто игнорируют. Инженеру по валидации нужен протокол испытаний, который явно охватывает контроль тока возбуждения., изоляция обмотки ротора, производительность возбудителя, и взаимодействие между уровнем возбуждения поля и выходным крутящим моментом — ни один из которых не фигурирует в планах испытаний стандартных асинхронных двигателей переменного тока или СДСМ..

Чем EESM отличается от PMSM и асинхронного двигателя с электрической точки зрения

• Обмотка возбуждения на роторе: В отличие от ПМСМ (постоянные магниты на роторе) или асинхронный двигатель (короткозамкнутый ротор с короткозамкнутым ротором), EESM имеет катушку с постоянным током, намотанную вокруг сердечника ротора.. Уровень тока возбуждения напрямую контролирует поток в воздушном зазоре — и, следовательно, кривую крутящего момента-скорости — в режиме реального времени..
• Бесщеточный возбудитель: В большинстве автомобильных ЭЭСМ используется бесщеточная система возбуждения.: небольшой генератор переменного тока на валу ротора (обратная полярность статора/ротора по сравнению с основной машиной) подает постоянный ток на обмотку возбуждения через встроенный выпрямитель, вращающийся вместе с ротором.. Это исключает использование щеток и контактных колец, но требует проверки возбудителя как подсистемы..
• Максимальный крутящий момент на ампер (МТПА) с ослаблением поля: В ПМСМ, MTPA и ослабление поля — это чистая оптимизация угла тока d-q.. В ЕЭСМ, ослабление поля достигается за счет уменьшения тока возбуждения — другая ось управления. EESM может обеспечить более глубокое ослабление поля, чем PMSM, без ограничений по току., обеспечивая лучший высокоскоростной диапазон постоянной мощности.
• Нулевой крутящий момент: Без постоянных магнитов, зубчатый крутящий момент исключен конструкцией. Это преимущество для высокоэффективного круизного режима и низкого шума NVH, но устраняет индикатор самодиагностики, на который инженеры-испытатели PMSM полагаются при оценке состояния магнита..

Основные тестовые задания для проверки EESM

1. Полевой ток против. Отображение напряжения холостого хода

Ротор вращается с номинальной скоростью, а статор разомкнут., ток возбуждения изменяется от нуля до максимального номинального значения (обычно 5–25 А постоянного тока в зависимости от размера машины). Напряжение холостого хода на выводах статора регистрируется на каждом шаге тока.. Эта кривая намагничивания (потокосцепление с воздушным зазором против. ток возбуждения) характеризует поведение магнитной цепи при насыщении и подтверждает, что возбудитель обеспечивает достаточный ток возбуждения на всех скоростях..

Ключевые показатели: напряжение холостого хода при номинальной скорости и номинальном токе возбуждения (V.), ток насыщения в точке перегиба (А), потребляемый ток возбудителя в номинальном поле (А от инвертора).

2. Изоляция и сопротивление обмотки ротора

Обмотка возбуждения ротора является местом повреждения изоляции с высоким риском.: оно вращается, испытывает центробежное напряжение, видит дифференциальное тепловое расширение между медью и железом, и подвергается воздействию выпрямленного постоянного тока, а не синусоидального переменного тока.. Сопротивление обмотки ротора измеряется в холодном и термическом устойчивом состоянии. (расчет температурного коэффициента). Сопротивление изоляции измеряется между клеммами обмотки возбуждения и сердечником ротора при 500 В постоянного тока, с критерием приемки обычно 10 МОм минимум. Winding inductance is measured to confirm absence of shorted turns.

Ключевые показатели: cold DC resistance (Ω), hot resistance at thermal steady state (Ω), устойчивость к изоляции (МОм при 500 В постоянного тока), field winding inductance (мГн).

3. Torque Production vs. Field Current at Multiple Speed Points

At each of three speed setpoints (30%, 70%, и 100% номинальная скорость), stator current is held at rated value while field current is swept from 20% к 120% рейтинговых. Output torque is recorded at each combination point. This generates the fundamental MTPA surface — the field current level that produces maximum torque for a given stator current — and reveals any asymmetry in the control surface that indicates rotor winding imbalance or exciter limitation.

Ключевые показатели: MTPA field current at rated speed (А), torque at MTPA normalized to rated torque (%), field current at which torque saturates.

4. Field Weakening Range and High-Speed Performance

Двигатель ускоряется от номинальной базовой скорости до максимальной испытательной скорости. (обычно 1,5–2 × базовая скорость) при номинальном токе статора, в то время как ток возбуждения постепенно снижается. Крутящий момент и мощность регистрируются как функция скорости в области ослабления поля.. Коэффициент скорости постоянной мощности — отношение максимальной скорости к базовой скорости — является ключевой характеристикой для тяговых двигателей и должен быть проверен экспериментально на соответствие проектной цели..

Ключевые показатели: передаточное отношение постоянной мощности, крутящий момент на максимальной скорости, ток статора, необходимый для максимального ослабления поля скорости (А), противо-ЭДС возбудителя на максимальной скорости (V.).

5. Проверка производительности бесщеточного возбудителя и выпрямителя

Подсистема возбудителя — небольшой генератор, намотанный в обратном направлении на валу, плюс вращающийся выпрямитель — тестируется независимо путем подключения известной резистивной нагрузки. (моделирование обмотки возбуждения) к выходу выпрямителя при изменении входного тока статора возбудителя и скорости ротора. Измеряются выходное постоянное напряжение и пульсации.. Этот тест выявляет неисправности выпрямительных диодов. (обнаруживается по повышенной пульсации) и асимметрия обмотки возбудителя до полной сборки машины.

Ключевые показатели: Выходное напряжение постоянного тока при номинальном входном токе возбудителя (V.), Пульсации переменного тока на выпрямленном выходе (мВ), Выход выпрямителя при минимальной скорости проворачивания (В в 200 об/мин).

6. Управление температурой обмотки возбуждения ротора

Обмотка ротора не имеет прямого пути охлаждения — тепло должно передаваться через железо ротора к валу и воздушному зазору.. Температура обмотки ротора измеряется по повышению сопротивления. (Метод ΔR согласно IEC 60034-1) поскольку датчики прямого действия сложно установить на вращающиеся компоненты. Испытание запускает двигатель при номинальной нагрузке в течение заданной продолжительности термического испытания и подтверждает, что повышение температуры обмотки ротора остается в пределах предела класса изоляции. (Класс F: 100 K поднимается выше 40°C окружающей среды, Класс Н: 125 К подъем).

Ключевые показатели: Повышение температуры обмотки ротора в установившемся термическом состоянии (К), повышение температуры обмотки статора (К), температура подшипника в установившемся термическом состоянии (°С).

Интеграция тестирования EESM в вашу программу разработки электромобилей

Квалификация EESM не заменяет опыт тестирования PMSM, а расширяет его.. Тот же четырехквадрантный динамометр, те же требования к точности датчика крутящего момента (0.1% ФС или лучше), и применяются те же тепловые приборы. Что меняется, так это интерфейс управления: испытательный стенд должен питать и точно контролировать источник постоянного тока возбуждения, независимый от инвертора главного статора., синхронизирован с положением ротора для точного отображения MTPA. Диагностика обмотки ротора — сопротивление изоляции, повышение сопротивления, индуктивность — требуется отдельный канал измерения постоянного тока низкого напряжения, который может обеспечить безопасный доступ к выходным клеммам возбудителя через приспособление контактного кольца или соединение с клеммами обмотки ротора перед сборкой..

Если ваша программа разработки электромобилей движется в сторону тяговых двигателей EESM — будь то сокращение количества редкоземельных элементов, расширение диапазона ослабления поля, или термическая отказоустойчивость — технические характеристики испытательного стенда необходимо обновить до прибытия первого прототипа.. Свяжитесь с нашей командой инженеров просмотреть ваши требования к проверке EESM и настроить правильное тестовое решение.