Zmniejszanie pola magnetycznego (field weakening): możliwość osiągania większych prędkości, niż pozwala napięcie
Każdy silnik z magnesami trwałymi ma "naturalną" prędkość maksymalną, zdefiniowaną przez napięcie baterii. Redukcja strumienia magnetycznego, często nazywana po angielsku field weakening>, pozwala przekroczyć tę prędkość bez konieczności zmiany baterii lub silnika. Jest to potężna funkcja, ceniona w wyścigach, ale wiąże się z pewnymi kosztami i ryzykiem, które należy znać.
Najważniejsze
- Silnik z magnesami, podczas obrotu, generuje napięcie, które ostatecznie równa się napięciu baterii, co powoduje ograniczenie prędkości.
- Demagnetyzacja polega na wprowadzeniu prądu, który osłabia działanie magnesów, co pozwala na zwiększenie maksymalnej prędkości.
- Ten prąd nie generuje momentu obrotowego w silniku z magnesami powierzchniowymi: powoduje przegrzewanie się silnika i kontrolera oraz szybsze rozładowywanie akumulatora.
- W przypadku nagłego odcięcia zasilania przy dużej prędkości, napięcie generowane przez silnik może przekroczyć dopuszczalny zakres dla kontrolera.
Dlaczego silnik osiąga maksymalną prędkość?
Silnik z magnesami to również generator: podczas obrotu generuje napięcie, czyli siłę elektromotoryczną wsteczną, proporcjonalną do jego prędkości. Aby wprowadzić prąd do silnika, kontroler musi przyłożyć do niego napięcie wyższe niż to, które silnik generuje.
Kiedy prędkość wzrasta, napięcie generowane przez silnik zbliża się do napięcia baterii. Kontroler nie jest już w stanie dostarczać prądu, a co za tym idzie, momentu obrotowego: prędkość osiąga swoją maksymalną wartość. Ta maksymalna prędkość jest obliczana na podstawie stałej prędkości silnika, oznaczonej jako Kv, oraz napięcia baterii. Zapraszamy do zapoznania się z naszym przewodnikiem na temat Kv, Kt i liczby biegunów silnika elektrycznego.
Zasada działania systemu odprowadzania ciepła
W sterowaniu wektorowym, prąd silnika jest rozkładany na dwie składowe: prąd q, który generuje moment obrotowy, oraz prąd d, który jest wyrównany z magnesami. Zazwyczaj, prąd d jest utrzymywany na poziomie zerowym.
Aby zredukować prędkość, kontroler wstrzykuje prąd o wartości ujemnej. Tworzy to pole przeciwne do pola magnesów, co zmniejsza napięcie generowane przez silnik przy tej samej prędkości. Kontroler może ponownie wprowadzić prąd q, a tym samym moment obrotowy, dzięki czemu silnik przekracza swój dotychczasowy limit.
Termin ten jest mylący: magnesy nie tracą swojej siły. To ich wpływ, widziany z perspektywy uzwojeń, jest kompensowany, o ile prąd elektryczny płynie.
Oto, ile to kosztuje
- Prąd bez momentu obrotowego: W przypadku silnika z magnesami powierzchniowymi, prąd "ne" nie generuje momentu obrotowego. Dodaje się on do całkowitego prądu, co powoduje wzrost temperatury silnika i kontrolera.
- O wydajności: Przy wysokich prędkościach, szczególnie podczas jazdy z pełnym obciążeniem, coraz większa część energii zamieniana jest w ciepło. To powoduje spadek zasięgu.
- Ograniczenie prądu dla obu silników: Całkowity prąd silników pozostaje ograniczony. Im więcej prądu przeznaczone jest na redukcję strat mocy, tym mniej pozostaje do generowania momentu obrotowego.
Silniki z magnesami wewnętrznymi (IPM) lepiej radzą sobie z zjawiskiem demagnetyzacji, ponieważ prąd w nich również wpływa na moment obrotowy. Jest to jeden z powodów ich popularności w motoryzacji: zobacz nasz przewodnik silniki IPM i SPM.
Głównym zagrożeniem jest nagłe odcięcie zasilania przy dużej prędkości
Podczas hamowania rekuperacyjnego, silnik obraca się szybciej niż jego prędkość naturalna: napięcie, które generowałby bez prądu *d*, przekracza napięcie baterii. Jeśli kontroler nagle się wyłączy (z powodu awarii, zabezpieczenia lub utraty zasilania), prąd *d* znika, a to napięcie pojawia się nagle na jego zaciskach.
Silnik w takim przypadku działa jak generator, odsyłając prąd z powrotem do akumulatora poprzez układ sterownika. Może to prowadzić do gwałtownego hamowania i napięcia, które może przekroczyć możliwości tranzystorów lub akumulatora. Dlatego też, zawsze pozostawia się pewien zapas napięcia, a ustawienia dotyczące odzyskiwania energii (defluxage) są regulowane ostrożnie.
Wskazówka dla warsztatu.
Regulacja odblokowywania prędkości odbywa się stopniowo, przy jednoczesnym monitorowaniu temperatur silnika i kontrolera oraz napięcia akumulatora. Należy pamiętać, że ta funkcja jest przeznaczona do użytku na zamkniętych torach: utrata przyczepności lub nagłe hamowanie przy dużej prędkości mogą mieć poważne konsekwencje.
Czy problemem jest przepływ prądu, czy zbyt wysokie napięcie?
Aby zwiększyć prędkość, mamy dwie opcje: zoptymalizować sterowanie silnikiem (defłuksować) lub zwiększyć napięcie baterii. Zwiększenie napięcia podnosi maksymalną prędkość bez dodatkowego prądu, co oznacza brak przegrzewania się i utraty wydajności, ale wymaga baterii, kontrolera i często systemu zarządzania baterią (BMS) kompatybilnych z wyższym napięciem. Defłuksowanie wymaga jedynie dostosowania ustawień, ale wiąże się z większym nagrzewaniem się i krótszym czasem pracy na baterii. W przypadku pojazdów wyścigowych często stosuje się obie metody. W przypadku baterii, zapraszamy do zapoznania się z naszą ofertą baterii do hulajnóg elektrycznych.
Często zadawane pytania
O ile zwiększa się prędkość dzięki usunięciu nagromadzonego brudu i zanieczyszczeń?
To zależy od silnika, napięcia i prądu, które jesteśmy gotowi w niego włożyć. Zysk jest realny, ale szybko przekłada się na wzrost temperatury; należy go mierzyć bezpośrednio na urządzeniu, monitorując temperatury, a nie opierać się na obietnicach.
Czy proces usuwania rdzy może uszkodzić magnesy?
W rozsądnych granicach, nie: pole magnetyczne jest tymczasowe. Jednak bardzo silny prąd płynący przez silnik, który już jest bardzo nagrzany, może przyczynić się do osłabienia magnesów. Dlatego tak ważne jest monitorowanie temperatury silnika.
Czy wszystkie kontrolery posiadają funkcję defluxowania?
Nie. Potrzebne jest sterowanie wektorowe i odpowiednia funkcja. Sterowniki, takie jak VESC, oferują taką możliwość, umożliwiając regulację maksymalnego prądu odzyskiwania energii.