HochgeschwindigkeitsmotorenSie gewinnen aufgrund ihrer offensichtlichen Vorteile wie hoher Leistungsdichte, geringer Größe und geringem Gewicht sowie hoher Arbeitseffizienz zunehmend an Bedeutung. Ein effizientes und stabiles Antriebssystem ist der Schlüssel zur vollen Ausschöpfung der hervorragenden Leistung vonHochgeschwindigkeitsmotorenDieser Artikel analysiert hauptsächlich die Schwierigkeiten vonHochgeschwindigkeitsmotorDie Antriebstechnik wird unter den Gesichtspunkten Regelungsstrategie, Grenzbereichsschätzung und Leistungstopologie-Design betrachtet und die aktuellen Forschungsergebnisse im In- und Ausland zusammengefasst. Anschließend werden die Entwicklungstrends zusammengefasst und prognostiziert.HochgeschwindigkeitsmotorAntriebstechnik.
Teil 02 Forschungsinhalte
HochgeschwindigkeitsmotorenHochgeschwindigkeitsmotoren bieten zahlreiche Vorteile wie hohe Leistungsdichte, geringes Volumen und Gewicht sowie hohe Arbeitseffizienz. Sie finden breite Anwendung in Bereichen wie Luft- und Raumfahrt, Verteidigung und Sicherheit, Produktion und Alltag und sind heute ein wichtiger Forschungsgegenstand und Entwicklungsschwerpunkt. In Anwendungen mit hohen Lasten, wie z. B. in elektrischen Spindeln, Turbomaschinen, Mikrogasturbinen und Schwungradspeichern, ermöglicht der Einsatz von Hochgeschwindigkeitsmotoren einen Direktantrieb. Dadurch werden Drehzahlregler überflüssig, Volumen, Gewicht und Wartungskosten deutlich reduziert und gleichzeitig die Zuverlässigkeit erheblich verbessert. Dies eröffnet äußerst vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten.HochgeschwindigkeitsmotorenÜblicherweise beziehen sie sich auf Drehzahlen über 10.000 U/min oder Schwierigkeitswerte (Produkt aus Drehzahl und Quadratwurzel der Leistung) über 1 × 10⁵. Abbildung 1 zeigt den Motor und vergleicht die relevanten Daten einiger repräsentativer Prototypen von Hochgeschwindigkeitsmotoren aus dem In- und Ausland. Die gestrichelte Linie in Abbildung 1 stellt den Schwierigkeitsgrad 1 × 10⁵ dar.
1.Schwierigkeiten in der Hochgeschwindigkeits-Motorantriebstechnologie
1. Probleme mit der Systemstabilität bei hohen Grundfrequenzen
Wenn sich der Motor in einem Zustand hoher Grundfrequenz befindet, ist die Trägerfrequenz des Hochgeschwindigkeitsmotorantriebssystems aufgrund von Einschränkungen wie der Analog-Digital-Wandlungszeit, der Ausführungszeit des digitalen Regleralgorithmus und der Schaltfrequenz des Wechselrichters relativ niedrig, was zu einer deutlichen Verringerung der Motorleistung führt.
2. Das Problem der hochpräzisen Rotorpositionsbestimmung bei der Grundfrequenz
Bei hohen Drehzahlen ist die Genauigkeit der Rotorposition entscheidend für die Betriebssicherheit des Motors. Aufgrund der geringen Zuverlässigkeit, der Größe und der hohen Kosten mechanischer Positionssensoren werden in Hochgeschwindigkeitsmotorsteuerungen häufig sensorlose Algorithmen eingesetzt. Bei hohen Betriebsfrequenzen sind diese Algorithmen jedoch anfällig für nichtideale Faktoren wie Wechselrichter-Nichtlinearitäten, räumliche Oberschwingungen, Schleifenfilter und Abweichungen der Induktivitätsparameter, was zu erheblichen Fehlern bei der Rotorpositionsbestimmung führt.
3. Welligkeitsunterdrückung in Hochgeschwindigkeits-Motorantriebssystemen
Die geringe Induktivität von Hochgeschwindigkeitsmotoren führt zwangsläufig zu hohen Stromwelligkeiten. Zusätzliche Kupfer- und Eisenverluste, Drehmomentwelligkeiten und Vibrationsgeräusche, verursacht durch hohe Stromwelligkeiten, können die Verluste von Hochgeschwindigkeitsmotorsystemen erheblich erhöhen, die Motorleistung mindern und elektromagnetische Störungen durch hohe Vibrationsgeräusche die Alterung des Treibers beschleunigen. Diese Probleme beeinträchtigen die Leistung von Hochgeschwindigkeitsmotorantriebssystemen stark, weshalb die Optimierung verlustarmer Hardware-Schaltungen für diese Systeme entscheidend ist. Zusammenfassend erfordert die Entwicklung eines Hochgeschwindigkeitsmotorantriebssystems die umfassende Berücksichtigung zahlreicher Faktoren, darunter Stromschleifenkopplung, Systemverzögerung, Parameterfehler und technische Herausforderungen wie die Unterdrückung von Stromwelligkeiten. Es handelt sich um einen hochkomplexen Prozess, der hohe Anforderungen an Regelungsstrategien, die Genauigkeit der Rotorpositionsbestimmung und die Auslegung der Leistungselektronik stellt.
2. Regelungsstrategie für Hochgeschwindigkeits-Motorantriebssysteme
1. Modellierung eines Hochgeschwindigkeitsmotor-Steuerungssystems
Die Merkmale hoher Betriebsfrequenz und niedrigem Trägerfrequenzverhältnis in Hochgeschwindigkeits-Motorantriebssystemen sowie der Einfluss von Motorkopplung und -verzögerung auf das System dürfen nicht vernachlässigt werden. Daher ist die Modellierung und Analyse der Rekonstruktion von Hochgeschwindigkeits-Motorantriebssystemen unter Berücksichtigung dieser beiden Hauptfaktoren der Schlüssel zur weiteren Verbesserung der Antriebsleistung von Hochgeschwindigkeitsmotoren.
2. Entkopplungssteuerungstechnologie für Hochgeschwindigkeitsmotoren
Die am weitesten verbreitete Technologie in Hochleistungsmotorantriebssystemen ist die feldorientierte Regelung (FOC). Aufgrund der durch die hohe Betriebsfrequenz verursachten Kopplungsprobleme konzentriert sich die Forschung aktuell auf Entkopplungsregelungsstrategien. Diese lassen sich im Wesentlichen in modellbasierte, störungskompensationsbasierte und vektorreglerbasierte Strategien unterteilen. Modellbasierte Strategien umfassen vor allem Vorwärts- und Rückwärtsentkopplung. Diese Strategien reagieren jedoch empfindlich auf Motorparameter und können bei großen Parameterfehlern sogar zu Systeminstabilität führen. Zudem erreichen sie keine vollständige Entkopplung, und die unzureichende dynamische Entkopplungsleistung schränkt ihren Anwendungsbereich ein. Die beiden letztgenannten Entkopplungsregelungsstrategien sind daher derzeit besonders forschungsrelevant.
3. Technologie zur Verzögerungskompensation für Hochgeschwindigkeitsmotorsysteme
Entkopplungsregelungstechnik kann das Kopplungsproblem von Hochgeschwindigkeits-Motorantriebssystemen effektiv lösen. Die durch die Verzögerung bedingte Systemverzögerung bleibt jedoch bestehen, weshalb eine effektive aktive Kompensation dieser Verzögerung erforderlich ist. Derzeit existieren zwei Hauptstrategien zur aktiven Kompensation der Systemverzögerung: modellbasierte und modellunabhängige Kompensationsstrategien.
Teil 03 Forschungsergebnisse
Basierend auf den aktuellen Forschungsergebnissen inHochgeschwindigkeitsmotorDie Antriebstechnik in der akademischen Gemeinschaft, kombiniert mit bestehenden Problemen, führt im Wesentlichen zu folgenden Entwicklungs- und Forschungsrichtungen für Hochgeschwindigkeitsmotoren: 1) Forschung zur präzisen Vorhersage von Hochfrequenzströmen und damit verbundenen Problemen der aktiven Kompensationsverzögerung; 3) Forschung zu hochdynamischen Regelalgorithmen für Hochgeschwindigkeitsmotoren; 4) Forschung zur präzisen Schätzung der Eckposition und zum Modell zur Rotorpositionsbestimmung im gesamten Drehzahlbereich für Ultrahochgeschwindigkeitsmotoren; 5) Forschung zur vollständigen Kompensationstechnologie für Fehler in Modellen zur Positionsbestimmung von Hochgeschwindigkeitsmotoren; 6) Forschung zur Leistungsarchitektur von Hochgeschwindigkeitsmotoren mit hohen Frequenzen und hohen Verlusten.
Veröffentlichungsdatum: 24. Oktober 2023
