Проектирование и применение систем PMSM с заблокированным ротором для аккумуляторных электромобилей

У вас когда-нибудь был такой момент в вашем электромобиле, когда вы поднимаетесь на крутой холм, и на долю секунды кажется, что мощность… сдерживается? Это состояние заблокированного ротора — нет, не сбой, а преднамеренный танец безопасности между требуемым крутящим моментом и ограничениями двигателя. Как человек, который потратил годы на настройку систем PMSM (синхронный двигатель с постоянными магнитами) в PUMBAAEV, я видел, как эта «мгновенная пауза» может улучшить или ухудшить реальную производительность автомобиля. Давайте отбросим определения из учебника и поговорим о том, что на самом деле важно: как умная конструкция с заблокированным ротором превращает потенциальную слабость в силу BEV.

Почему «заблокированный ротор» не является ругательным словом в электромобилях с приводом от PMSM

У большинства водителей «заблокированный ротор» ассоциируется с поломкой — представьте себе заглохшую дрель или сломанный вентилятор. Но в электромобилях это расчетное состояние. Когда вам требуется максимальный крутящий момент (например, при подъеме на горный перевал или трогании с места), ротор PMSM может на мгновение «заблокироваться», чтобы обеспечить пиковую мощность без перегрева или размагничивания. Подвох? Традиционные конструкции здесь часто жертвуют эффективностью или долговечностью. В PUMBAAEV мы поняли, что главное не избегать сценариев блокировки ротора, а овладеть ими.

Возьмите нашу работу с клиентом коммерческого фургона в прошлом году. Им нужен был PMSM, который мог бы выдерживать подъемы на 30%, сохраняя при этом низкий уровень разряда батареи. Ранние испытания показали, что стандартные роторы перегреваются в течение 90 секунд после поддержания крутящего момента при заблокированном роторе. Мы не просто добавили охлаждающий вентилятор большего размера; мы изменили конструкцию магнитной цепи ротора, чтобы уменьшить потери на вихревые токи во время блокировки, соединили ее с сегментным статором для лучшего рассеивания тепла и запрограммировали инвертор на импульсный крутящий момент, а не на его постоянное поддержание. Результат? Теперь фургон поднимается по тому же склону в течение 5 минут подряд, при этом температура ротора остается на 20°C ниже критического порога. Именно такую ​​реальную победу обеспечивает конструкция заблокированного ротора.

PMSM Edge: почему он превосходит асинхронные двигатели в сценариях с заблокированным ротором

Асинхронные двигатели имеют свое место, но когда дело доходит до работы с заторможенным ротором, PMSM превосходны. Их постоянные магниты обеспечивают мгновенный крутящий момент — не нужно ждать, пока возникнут магнитные поля, как в индукционных установках. Но та же самая особенность создает проблемы: высокие токи во время блокировки могут поджечь обмотки или ослабить магниты.

Вот в чем подход ПУМБААЕВА отличается. Вместо того, чтобы рассматривать ротор как статический компонент, мы моделируем его поведение.в течениеблокировка. Наши инженеры используют анализ методом конечных элементов для моделирования того, как различные марки магнитов (мы предпочитаем спеченный NdFeB с заданной коэрцитивной силой) и ламинирующие материалы (тонкоразмерная кремниевая сталь для снижения вихревых потерь) реагируют на внезапные скачки крутящего момента. В одном проекте участвовал клиент спортивного автомобиля, который хотел «мгновенного ощущения запуска», не перегорая при этом мотора. В итоге мы использовали V-образную магнитную решетку в роторе — конечно, нетрадиционно, но она распределяет магнитный поток более равномерно во время блокировки, сокращая пиковый ток на 18%. Водитель получает потрясающее ускорение; мотор остается холодным.

За пределами лаборатории: реальные приложения, в которых побеждает конструкция с заблокированным ротором

Легко увлечься симуляциями, но конструкция блокировки ротора имеет значение только в том случае, если она работает на дороге. Вот три сценария, в которых PMSM с интеллектуальной логикой блокировки ротора доказывают свою ценность:

1. Восстановление бездорожья​

Клиенту, производящему электрические квадроциклы, понадобился PMSM, чтобы вытащить автомобиль из грязевых ям — поддерживать крутящий момент заблокированного ротора в течение 2–3 минут. Мы добавили алгоритм «дыхания крутящего момента»: инвертор подает мощность импульсами по 500 мс, позволяя ротору охлаждаться между циклами. В сочетании с водно-гликолевой рубашкой вокруг статора он выдержал перегрев двигателей конкурентов за 60 секунд.

2. Резервный режим рекуперативного торможения​

Вы когда-нибудь замечали, как некоторые электромобили колеблются при переключении с рекуперации на ускорение? Это проблема перехода с заблокированным ротором. В PUMBAAEV мы программируем PMSM на предвидение этих сдвигов, используя датчики скорости вращения колес для предварительной подачи питания на ротор до того, как возникнет потребность в крутящем моменте. После этой настройки в парке грузовых фургонов, с которыми мы работали, эффективность городского ездового цикла увеличилась на 12%.

3. Отказоустойчивость​

Если датчик выходит из строя в середине хода, PMSM необходимо перейти в режим «безопасной блокировки ротора», чтобы избежать катастрофического повреждения. В наших системах используются резервные датчики температуры и резервный контур управления, который ограничивает крутящий момент на основе исторических данных — поэтому, даже если один датчик неисправен, двигатель саморегулируется. Это не теория; это спасло прототип клиента от полного отказа во время зимних испытаний в Норвегии.

Мнение ПУМБААЕВА: внедрение ротора блокировки в ДНК СДСМ

Как производитель, который живет и дышит PMSM, мы перестали рассматривать блокировку ротора как проблему, которую необходимо решить. Это особенность. Наша последняя линейка электродвигателей включает в себя переключатель «Режим блокировки ротора» в BMS — водители могут выбирать между «Эко» (ограниченное время блокировки) или «Спорт» (увеличенный пиковый крутящий момент). Под капотом каждого двигателя имеется уникальный тепловой профиль, определяемый во время производства, поэтому управляющее программное обеспечение адаптируется к его конкретным особенностям.

Этот индивидуальный подход исходит из нашей собственной истории. Еще в 2018 году мы создали PMSM для стартапа по производству скутеров, который постоянно терпел неудачу в холмистых городах. Оказывается, они использовали одни и те же параметры блокировки ротора для всех климатических условий. Мы переработали прошивку, чтобы регулировать продолжительность блокировки в зависимости от температуры окружающей среды и уровня заряда батареи — проблема решена. Этот урок усвоился: никакие два электромобиля не сталкиваются с одинаковыми требованиями к заблокированному ротору, поэтому никакие два PMSM не должны быть настроены одинаково.

Путь вперед: более умный ротор с блокировкой ротора для электромобилей следующего поколения

С появлением на горизонте твердотельных батарей и 800-вольтовой архитектуры конструкция с заблокированным ротором станет еще сложнее. Более высокие напряжения означают более быстрые скачки тока; Батареи с более высокой плотностью энергии позволяют увеличить время блокировки. В PUMBAAEV мы экспериментируем с инверторами из нитрида галлия (GaN), чтобы сократить потери на переключение во время блокировки, и с сердечниками ротора, напечатанными на 3D-принтере, для оптимизации каналов охлаждения. Цель? PMSM, обеспечивающий крутящий момент грубой силыивыживает целый день бездорожья.

Поэтому в следующий раз, когда вы почувствуете «паузу» в ускорении вашего электромобиля, помните: это не недостаток. Это звук умной инженерии — проектирование для самых важных моментов. И если вы создаете электромобиль, которому нужно больше, чем просто ездить на работу, возможно, пришло время поговорить с командой, которая рассматривает блокировку ротора не как риск, а как возможность.

О ПУМБААЕВЕ​

Мы — производитель систем PMSM, одержимый идеей превратить крутящий момент в реальные возможности. От коммерческих фургонов до внедорожных машин — наши двигатели созданы для того, чтобы справляться с неприятными и непредсказуемыми моментами, с которыми электромобили сталкиваются ежедневно. Хотите узнать, насколько наша философия конструкции заблокированного ротора подойдет вашему проекту? Напишите нам — мы вышлем вам практический пример нашего новейшего двигателя для квадроциклов, который без труда преодолел уклон на 40%.

Ключевые слова естественным образом вплетены в: PMSM, синхронный двигатель с постоянными магнитами, конструкция с заблокированным ротором, приложения BEV, управление крутящим моментом EV, PMSM t.тепловое управление, ПУМБААЕВ