Feldschwächung erklärt: Wie Motorsteuerungen die Geschwindigkeit über die Basisbewertung hinaus steigern

Ein mit Vollgas fahrendes Elektromotorrad erreicht seine Nenngeschwindigkeit und der Gashebel fühlt sich plötzlich tot an. Der Motor kann immer noch schneller drehen, aber der Controller liefert nicht mehr mehr Strom. Um diesen Punkt zu überschreiten, muss der Controller das Magnetfeld im Motor gezielt schwächen. Diese Technik ist Feldschwächung, auch Flussschwächung genannt, und sie ist eines der wichtigsten Verhaltensweisen, die Sie verstehen sollten, wenn Sie eine Motorsteuerung für ein Fahrzeug auswählen, das echte Höchstgeschwindigkeit benötigt.

Was Feldschwächung tatsächlich bewirkt

Durch die Feldschwächung kann ein Motor seine Grunddrehzahl überschreiten, indem der magnetische Fluss im Luftspalt verringert wird. Bei einem Permanentmagnet-Synchronmotor erzeugen die Rotormagnete eine Gegen-EMK, die mit der Drehzahl zunimmt. Wenn sich diese Gegen-EMK der DC-Busspannung nähert, kann der Controller keinen Strom mehr in die Wicklungen leiten, sodass die Beschleunigung stoppt. Die Schlussfolgerung ist einfach: Es kommt zu einer Feldschwächung, weil die Busspannung endlich ist, während der Motor schneller drehen möchte, als es diese Spannung zulässt.

Die Standardlösung besteht darin, einen negativen d-Achsen-Strom zu steuern, der dem Rotorfluss entgegenwirkt. Dieser Strom schwächt das effektive Feld, verringert die Gegen-EMK und lässt Spannungsspielraum für mehr Geschwindigkeit. Der Preis wird sofort im Drehmoment bezahlt. Unterhalb der Basisgeschwindigkeit erzeugt der Motor ein konstantes Drehmoment, während er sich oberhalb der Basisgeschwindigkeit ungefähr wie eine konstante Stromquelle verhält, sodass das verfügbare Drehmoment mit steigender Geschwindigkeit abnimmt.

Wie ein moderner Controller die Feldschwächung umsetzt

Hochleistungsregler realisieren die Feldschwächung mit einer feldorientierten Regelung, meist FOC genannt. Die Firmware zerlegt den Statorstrom kontinuierlich in zwei senkrechte Komponenten: den q-Achsen-Strom, der ein Drehmoment erzeugt, und den d-Achsen-Strom, der normalerweise unterhalb der Grunddrehzahl nahe Null gehalten wird. Um in die Feldschwächung zu gelangen, stellt die Firmware absichtlich einen negativen d-Achsen-Strom ein, um einen Teil des Rotorfelds aufzuheben.

Ein Controller, der diesen Übergang reibungslos bewältigt, unterscheidet sich stark von einem Controller, der den Phasenstrom einfach bei einem hohen Arbeitszyklus begrenzt. FOC hält die Geschwindigkeitserweiterung kontinuierlich und vorhersehbar, ohne dass es zu einem plötzlichen Reaktionsverlust an der Basisgeschwindigkeitsgrenze kommt. Aus diesem Grund sind Prozessorbandbreite, Qualität des Gate-Treibers und Software-Tuning genauso wichtig wie das Silizium in der Leistungsstufe. Eine Plattform, die für den dauerhaften Hochgeschwindigkeitsbetrieb ausgelegt ist, wie z. B. die Hochleistungs-Motorsteuerung der T-Serie, ist für die Stromschleifenleistung ausgelegt, die erforderlich ist, um die Regelung über der Grundgeschwindigkeit zu halten.

Permanentmagnet-Synchronmotor-Antriebssteuerungsplattform Diese Motorsteuerungsplattform ist für den dauerhaften Hochgeschwindigkeitsbetrieb konzipiert, wobei die Stromschleifenleistung erforderlich ist, um die Regelung über der Grundgeschwindigkeit aufrechtzuerhalten, was sie für Anwendungen relevant macht, die einen großen Geschwindigkeitsbereich durch Feldschwächung erfordern. Produkt anzeigen →

Warum Feldschwächung bei einem echten Fahrzeug wichtig ist

Ohne Feldschwächung wird die Höchstgeschwindigkeit durch die Batteriespannung und die Gegen-EMK-Konstante des Motors stark begrenzt. Die einzigen Alternativen sind eine Batterie mit höherer Spannung, ein Motor mit einer niedrigeren Gegen-EMK-Konstante oder ein größeres Rad, und jede dieser Optionen beeinträchtigt die Beschleunigung, den Platzbedarf oder die Kosten. Durch die Feldschwächung kann ein Motor einen viel größeren Geschwindigkeitsbereich abdecken, sodass Entwickler die Übersetzung niedrig genug halten können, um ein starkes Startdrehmoment zu erzielen und dennoch eine angemessene Reisegeschwindigkeit zu erreichen.

Ein praktisches Beispiel: Ein 4-kW-Radnabenmotor mit einer Grunddrehzahl von 3000 U/min auf einem Elektromotorrad benötigt möglicherweise etwa 20 Prozent Feldschwächung, um von 55 km/h auf 70 km/h zu kommen. Das ist ein realistischer Betriebsbereich für einen Seriencontroller und verändert das Fahrerlebnis mehr als eine Aufrüstung der Batterie.

Die gleiche Argumentation gilt für elektrische ATVs, UTVs, Roboterfahrgestelle und E-Außenbordmotoren, bei denen die Fähigkeit, schnell um die Grundgeschwindigkeit herum zu reagieren, darüber entscheidet, wie natürlich sich das Fahrzeug für den Fahrer oder Bediener anfühlt.

R5 Schnell ansprechender bürstenloser Gleichstrommotor-Controller Dieser Controller legt Wert auf eine schnelle Reaktion um die Grundgeschwindigkeit herum, was sich direkt darauf auswirkt, wie natürlich sich ein elektrisches ATV, UTV, Roboterfahrwerk oder ein Außenbordmotor für den Bediener anfühlt, und unterstützt schnelle Gas- und Lastwechsel. Produkt anzeigen →

Die Kompromisse zwischen Effizienz und Wärme

Feldschwächung ist keine freie Leistung. Der entmagnetisierende d-Achsen-Strom erzeugt keine mechanische Arbeit, fließt aber dennoch durch die Wicklungen und erzeugt Kupferverlust. Der Wirkungsgrad im Feldschwächungsbereich ist daher geringer als nahe der Grunddrehzahl und der Motor läuft bei gleicher Leistung heißer.

Ein häufiges Missverständnis besteht darin, dass die Feldschwächung den Phasenstrom erhöht, um mehr Leistung zu erzeugen. Das ist nicht der Fall. Es verschiebt den Phasenwinkel des Stroms, sodass ein Teil des Statorfelds den Rotormagneten entgegenwirkt, was die erzeugte Spannung senkt und es dem Motor ermöglicht, schneller zu drehen. Gleichzeitig wird der drehmomenterzeugende Anteil des Stroms reduziert.

Es besteht auch die reale Gefahr einer Entmagnetisierung des Permanentmagneten. Wenn der negative d-Achsen-Strom bei heißen Magneten zu weit getrieben wird, kann der Rotorfluss dauerhaft abfallen und der Motor verliert für immer Drehmoment. Aus diesem Grund begrenzen seriöse Controller den d-Achsen-Strom durch thermische und geschwindigkeitsabhängige Karten, anstatt den Benutzer einfach eine globale Zahl erhöhen zu lassen.

Als Faustregel gilt, dass das verfügbare Drehmoment über der Grunddrehzahl ungefähr mit einer Überdrehzahl abnimmt. Eine Erhöhung der Höchstgeschwindigkeit um 20 Prozent kann einen großen Teil der am Nennpunkt verfügbaren Beschleunigung kosten, so dass sich die Effizienz der Feldschwächung direkt auf die Fahrzeugreichweite und die thermische Sicherheit auswirkt.

A4 Hocheffizienter bürstenloser Gleichstrommotor-Controller Angesichts der Tatsache, dass die Feldschwächung den Wirkungsgrad verringert und die Wärme erhöht, ist das hocheffiziente Design dieses Controllers für die Fahrzeugreichweite und die thermische Sicherheit von Bedeutung. Käufer sollten die FOC-Implementierung, die thermischen Grenzwerte und die einstellbaren Kennfelder überprüfen. Produkt anzeigen →

Was Sie vor dem Kauf eines Motorcontrollers überprüfen sollten

Da es sich bei der Feldschwächung um eine Software- und Leistungsstufenfunktion und nicht um eine auf der Verpackung aufgedruckte Zahl handelt, müssen Käufer konkrete Fragen stellen. Verwendet der Controller FOC mit einem deklarierten negativen d-Achsen-Strombereich? Sind die Feldschwächgrenzen thermisch geschützt? Können die Tuning-Karten aktualisiert werden, wenn sich der Motor oder das Fahrzeug ändert?

• Feldschwächungsbereich: Der Dauer- und Spitzenstrom der negativen d-Achse sollte im Datenblatt angegeben und nicht ausgeblendet werden.
• Wärmemanagement: Dauerhafter Hochgeschwindigkeitsbetrieb erwärmt sowohl die Wicklung als auch die MOSFETs, sodass der Controller eine temperaturabhängige Stromreduzierung benötigt.
• Software-Einstellbarkeit: Höchstgeschwindigkeit, Drehmomentrampe und Feldschwächungstiefe sollten für jede Anwendung einstellbar sein.
• Motoranpassung: Gegen-EMK-Konstante, Polzahl und Induktivität beeinflussen alle das Verhalten der Feldschwächung, daher ist eine Paarungsempfehlung wichtig.

Diese Details unterscheiden einen generischen Controller von einem, der wirklich produktionsbereit ist. Ein Motorantriebslieferant mit eigener Erfahrung mit eingebetteter Software ist weitaus wahrscheinlicher, dass er eine kalibrierte Feldschwächungsstrategie liefert als ein Wiederverkäufer fester Firmware. Die Rolle von Software in der modernen Motorsteuerung expandiert schnell und es lohnt sich, es zu studieren, bevor Sie sich für eine Hardwareplattform entscheiden.

Auf der Hardwareseite ist die Erfahrung mit der Parallelschaltung von Hochspannungs-MOSFETs ebenso wichtig, da die Feldschwächung den Phasenstrom mit hoher Geschwindigkeit und großer Hitze belastet und so jede Schwachstelle in der Leistungsstufe aufdeckt. Arbeiten mit a Lieferant von Motorantrieben Wer diese Produktklasse Tag für Tag baut, verringert das Risiko, mitten in der Fahrzeugvalidierung ein marginales Design zu entdecken.

Feldschwächung ist kein exotisches Extra mehr. Es ist eine Kernfunktion jeder ernsthaften Motorsteuerung, die in der Elektromobilität eingesetzt wird, und die Qualität ihrer Umsetzung entscheidet darüber, wie schnell, wie sanft und wie zuverlässig sich das endgültige Fahrzeug anfühlt. Suchen Sie nach einem Controller, der ausgereifte FOC-Firmware mit einer Leistungsstufe kombiniert, die einem anhaltenden Hochgeschwindigkeitsstrombedarf standhält. Wenn Sie die richtige Kombination wählen, fühlt sich der Motor schneller an, ohne dass die Haltbarkeit darunter leidet.