Αποδυνάμωση πεδίου (field weakening): πώς να πάτε πιο γρήγορα από ό,τι επιτρέπει η τάση

Κάθε κινητήρας με μόνιμους μαγνήτες έχει μια «φυσική» μέγιστη ταχύτητα, η οποία καθορίζεται από την τάση της μπαταρίας. Η αποδυνάμωση πεδίου, γνωστή συχνά με την αγγλική της ονομασία field weakening, επιτρέπει την υπέρβαση αυτού του ορίου χωρίς αλλαγή μπαταρίας ή κινητήρα. Πρόκειται για μια ισχυρή ρύθμιση, δημοφιλή στους αγώνες, η οποία ωστόσο έχει ένα τίμημα και κίνδυνη που πρέπει να γνωρίζετε.

Γιατί ένας κινητήρας φτάνει σε όριο ταχύτητας

Ένας κινητήρας με μαγνήτες λειτουργεί και ως δυναμό: καθώς περιστρέφεται, παράγει μια τάση, την ηλεκτromotrice force (αντιηλεκτροεγερτική δύναμη), ανάλογη της ταχύτητάς του. Για να εισχωρήσει ρεύμα στον κινητήρα, ο ελεγκτής πρέπει να του εφαρμόσει τάση υψηλότερη από αυτή που παράγει ο ίδιος.

Όταν η ταχύτητα αυξάνεται, η τάση που παράγει ο κινητήρας πλησιάζει εκείνη της μπαταρίας. Ο ελεγκτής δεν μπορεί πλέον να τροφοδοτήσει με ρεύμα, άρα ούτε με ροπή: η ταχύτητα φτάνει στο όριο. Αυτό το όριο υπολογίζεται από τη σταθερά ταχύτητας του κινητήρα, το Kv, και την τάση της μπαταρίας. Δείτε τον οδηγό μας για τα Kv, Kt και τους πόλους.

Η αρχή της αποδυνάμωσης πεδίου

Στη διανυσματική οδήγηση (FOC), το ρεύμα του κινητήρα χωρίζεται σε δύο μέρη: το ρεύμα q, το οποίο παράγει τη ροπή, και το ρεύμα d, το οποίο είναι ευθυγραμμισμένο με τους μαγνήτες. Κανονικά, το ρεύμα d διατηρείται στο μηδέν.

Για την αποδυνάμωση πεδίου, ο ελεγκτής εισάγει ένα αρνητικό ρεύμα d. Δημιουργεί ένα πεδίο αντίθετο προς αυτό των μαγνητών, μειώνοντας έτσι την τάση που παράγει ο κινητήρας στην ίδια ταχύτητα. Ο ελεγκτής μπορεί εκ νέου να εισαγάγει ρεύμα q, άρα και ροπή, και ο κινητήρας ξεπερνά το προηγούμενο όριό του.

Ο όρος είναι παραπλανητικός: οι μαγνήτες δεν αποδυναμώνονται πραγματικά. Η επίδρασή τους, όπως φαίνεται από τα πηνία, αντισταθμίζεται όσο κυκλοφορεί το ρεύμα d.

Το κόστος αυτής της λειτουργίας

• Ρεύμα χωρίς ροπή: σε έναν κινητήρα επιφανειακών μαγνητών, το ρεύμα d δεν προσφέρει ώθηση. Προστίθεται στο συνολικό ρεύμα, αυξάνοντας έτσι τη θερμοκρασία του κινητήρα και του ελεγκτή.
• Απόδοση: σε υψηλή ταχύτητα με αποδυνάμωση πεδίου, ένα αυξανόμενο ποσοστό ενέργειας μετατρέπεται σε θερμότητα. Η αυτονομία μειώνεται.
• Κοινό όριο ρεύματος: το συνολικό ρεύμα του κινητήρα παραμένει περιορισμένο. Όσο περισσότερο ρεύμα αφιερώνεται στην αποδυνάμωση πεδίου, τόσο λιγότερο απομένει για τη ροπή.

Οι κινητήρες εσωτερικών μαγνητών (IPM) ανέχονται καλύτερα την αποδυνάμωση πεδίου, επειδή το ρεύμα d συμβάλλει επίσης στη ροπή σε αυτούς. Αυτός είναι ένας από τους λόγους της επιτυχίας τους στην αυτοκινη Bιομηχανία: δείτε τον οδηγό μας για κινητήρες IPM και SPM.

Ο κύριος κίνδυνος: η διακοπή σε υψηλή ταχύτητα

Κατά την αποδυνάμωση πεδίου, ο κινητήρας περιστρέφεται ταχύτερα από τη φυσική του ταχύτητα: η τάση που θα παρήγαγε χωρίς το ρεύμα d υπερβαίνει εκείνη της μπαταρίας. Εάν ο ελεγκτής διακόψει απότομα τη λειτουργία (λόγω σφάλματος, προστασίας ή απώλειας τροφοδοσίας), το ρεύμα d εξαφανίζεται και αυτή η τάση εμφανίζεται ξαφνικά στους ακροδέκτες του.

Ο κινητήρας συμπεριφέρεται τότε ως γεννήτρια που στέλνει ρεύμα πίσω προς την μπαταρία μέσω της γέφυρας του ελεγκτή, με πιθανότητα απότομου φρεναρίσματος και τάσης που μπορεί να ξεπεράσει τα όρια αντοχής των τρανζίστορ ή της μπαταρίας. Γι' αυτό διατηρείται περιθώριο τάσης και γι' αυτό η αποδυνάμωση πεδίου ρυθμίζεται με προσοχή.

Αποδυνάμωση πεδίου ή μεγαλύτερη τάση;

Για μεγαλύτερη ταχύτητα, έχουμε δύο επιλογές: αποδυνάμωση πεδίου ή αύξηση της τάσης της μπαταρίας. Μεγαλύτερη τάση αυξάνει το όριο χωρίς πρόσθετο ρεύμα, άρα χωρίς θέρμανση ή απώλεια απόδοσης, αλλά απαιτεί συμβατή μπαταρία, ελεγκτή και συχνά BMS. Η αποδυνάμωση πεδίου απαιτεί απλώς μια ρύθμιση, αλλά πληρώνεται σε θερμότητα και αυτονομία. Σε ένα αγωνιστικό μηχανάκι, συχνά συνδυάζονται και τα δύο. Για τις μπαταρίες, δείτε τις μπαταρίες πατινιών.