Het verzwakken van het magnetisch veld: sneller gaan dan de spanning toestaat
Elke motor met permanente magneten heeft een maximale "natuurlijke" snelheid, bepaald door de spanning van de batterij. Afmagnetiseren, vaak aangeduid met de Engelse term field weakening, maakt het mogelijk deze limiet te overschrijden zonder de batterij of de motor te vervangen. Dit is een krachtige instelling, gewaardeerd in de racerij, maar het heeft een prijs en risico's waar je rekening mee moet houden.
Het belangrijkste
- Een elektromotor met permanente magneten produceert een spanning die, bij het draaien, uiteindelijk gelijk wordt aan de spanning van de batterij: dit resulteert in een maximale snelheid.
- Het ontmagnetiseren injecteert een stroom die het effect van de magneten verzwakt, waardoor deze limiet wordt verhoogd.
- Deze stroom genereert geen koppel in een motor met oppervlakte-magneten: het verwarmt de motor en de controller en ontlaadt de batterij sneller.
- In geval van een plotselinge onderbreking bij hoge snelheid, kan de spanning die door de motor wordt opgewekt hoger zijn dan wat de controller aankan.
Waarom bereikt een motor zijn maximale snelheid?
Een elektromotor met permanente magneten is ook een dynamo: tijdens het draaien produceert hij een spanning, de zogenaamde tegengestelde elektromotorische kracht, die evenredig is met zijn snelheid. Om stroom in de motor te laten lopen, moet de controller een hogere spanning aanleggen dan de spanning die de motor zelf produceert.
Wanneer de snelheid toeneemt, nadert de spanning die door de motor wordt opgewekt die van de batterij. De controller kan geen stroom meer leveren, en dus ook geen koppel: de snelheid bereikt een maximum. Dit maximum wordt berekend op basis van de constante van de motor, de Kv, en de spanning van de batterij. Zie onze handleiding over Kv, Kt en het aantal polen.
Het principe van het ontvetten
In de vectoriële regeling (FOC) wordt de stroom van de motor opgedeeld in twee componenten: de q-stroom, die het koppel produceert, en de d-stroom, die parallel loopt met de magneten. Normaal gesproken wordt de d-stroom op nul gehouden.
Om het magnetische veld te verzwakken, injecteert de controller een negatieve stroom. Dit creëert een tegengesteld veld ten opzichte van de magneten, waardoor de spanning die de motor produceert bij dezelfde snelheid afneemt. De controller kan vervolgens weer stroom q, en dus koppel, toevoegen, waardoor de motor zijn eerdere limiet overschrijdt.
De term is misleidend: de magneten zelf worden niet verzwakt. Het is het effect dat ze hebben op de spoelen dat wordt gecompenseerd, zolang er een stroom (d) doorheen loopt.
Wat het kost
- Stroom zonder koppel: bij een motor met oppervlakte-magneten duwt de stroom "d" niet. Het wordt opgeteld bij de totale stroom, wat leidt tot opwarming van de motor en de controller.
- `Over het rendement: Bij hoge snelheid, vooral bij het ontkoppelen van de motor, gaat een toenemend deel van de energie verloren als warmte. Dit resulteert in een kortere actieradius.`
- Een gedeelde stroomlimiet: De totale stroom van de motor blijft begrensd. Hoe meer stroom er wordt gebruikt voor demagnetisatie, hoe minder er overblijft voor het koppel.
Motoren met interne magneten (IPM) zijn beter bestand tegen demagnetisatie, omdat de stroom daar ook bijdraagt aan het koppel. Dit is een van de redenen voor hun succes in de auto-industrie: zie onze handleiding motoren IPM en SPM.
Het grootste risico: het afbreken bij hoge snelheid
Bij het ontkoppelen draait de motor sneller dan zijn natuurlijke snelheid: de spanning die hij zou produceren zonder de stroom *d* overstijgt de spanning van de batterij. Als de controller plotseling stopt (door een storing, beveiliging of stroomuitval), verdwijnt de stroom *d* en deze spanning verschijnt plotseling aan de aansluitingen van de motor.
De motor functioneert dan als een generator, die stroom terugstuurt naar de batterij via de schakeling van de controller. Dit kan leiden tot abrupt remmen en een spanning die hoger kan zijn dan wat de transistors of de batterij aankunnen. Daarom is het belangrijk om een veilige marge in de spanning te houden, en daarom wordt de afregeling van de stroomvoorziening zorgvuldig uitgevoerd.
Werkplaats tip:
Het afstellen van de demping gebeurt in kleine stappen, waarbij de temperaturen van de motor en de controller, evenals de batterijspanning, worden gemonitord. Dit proces is cruciaal en vereist aandacht: een verlies van grip of een abrupt remmen bij hoge snelheid kan ernstige gevolgen hebben.
Ontloding of meer spanning?
Om sneller te gaan, hebben we twee opties: de flux aanpassen of de batterijspanning verhogen. Een hogere spanning verhoogt het vermogen zonder extra stroom, dus zonder oververhitting of vermogensverlies, maar vereist een batterij, een controller en vaak een BMS (Battery Management System) die compatibel zijn. Het aanpassen van de flux vereist slechts een instelling, maar dit gaat ten koste van warmte en actieradius. Bij een race-apparaat worden deze twee methoden vaak gecombineerd. Voor batterijen, zie onze batterijen voor elektrische scooters.
Veelgestelde vragen
Hoeveel extra snelheid levert het verwijderen van de fluxlaag?
Het hangt af van de motor, de spanning en de stroomsterkte die u wilt gebruiken. De prestatiewinst is zeker aanwezig, maar komt snel met extra warmte; het is belangrijk om dit te meten aan de machine zelf, door de temperaturen in de gaten te houden, in plaats van van tevoren te speculeren over de resultaten.
Verwijderen van de fluxlaag beschadigt het de magneten?
Binnen redelijke grenzen, nee: het tegengestelde veld is tijdelijk. Maar een zeer sterke stroom in een motor die al erg heet is, kan bijdragen aan het ontmagnetiseren van de magneten. Daarom is het belangrijk om de temperatuur van de motor te controleren.
Kunnen alle controllers de stroom afvlakken?
Nee. Er is een vectorbesturing en een bijbehorende functie nodig. Regelbare controllers, zoals de VESC, bieden dit, met een instelling voor de maximale stroom van de demping.