Reluktansmotorer i elbiler
Reluktansmotorer skaber drejningsmoment ved at trække en magnetisk asymmetrisk rotor mod den position, hvor den magnetiske flux kan følge den letteste vej. Princippet findes i flere motorfamilier, herunder magnetfrie synkronreluktans- og switchede reluktansmaskiner samt konstruktioner assisteret af permanentmagneter.
Reluktans er en magnetisk egenskab
Magnetisk reluktans er den modstand, som et magnetisk kredsløb yder mod magnetisk flux. En vej gennem elektroplade med høj permeabilitet har lavere reluktans end en vej gennem luft eller en fluxbarriere. Når rotorens form får de magnetiske egenskaber til at variere med retningen, skaber det aktiverede statorfelt et drejningsmoment, som søger at rette rotorens lavreluktansakse ind efter feltet.
Motorstyringsingeniører beskriver rotoren med to vinkelrette magnetiske akser. Direkteaksen d og kvadraturaksen q har forskellig induktans i en salient rotor. Forskellen gør det muligt for statorstrømmen at skabe reluktansmoment. Effekten kræver ikke permanentmagneter, men magneter kan tilføjes for at kombinere magnet- og reluktansmoment.
Reluktans er derfor ikke begrænset til én produktbetegnelse. Det er en momentdannende mekanisme, som også bidrager væsentligt i mange indvendige permanent-magnet synchronous motors.
Synkronreluktansmotorer
En synkronreluktansmotor, ofte forkortet SynRM, bruger en lamineret stålrotor med fluxbarrierer eller anden geometri, der skaber tydelig magnetisk saliens. Inverteren driver et roterende statorfelt, og rotoren følger feltet med synkron hastighed.
Rotoren kan være uden magneter, viklinger, slæberinge og kortslutningsledere. Det kan reducere materialeomkostninger og rotorvarme og samtidig understøtte høj rotationshastighed. Uden permanentmagnetisk flux skaber den strømløse motor heller ikke samme mod-EMK som en permanentmagnetmaskine.
Ulempen er, at momentet afhænger af den opnåelige forskel mellem d- og q-aksens induktans. Fluxbarrierer øger forskellen, men fjerner stål fra rotoren, komplicerer det mekaniske design og kan begrænse momenttætheden. Effektfaktor og inverterens strømbehov kan også være mindre gunstige end i en velkonstrueret permanentmagnetmaskine.
Permanentmagnetassisteret synkronreluktans
En permanentmagnetassisteret synkronreluktansmotor tilføjer en forholdsvis lille mængde magnetmateriale i en salient rotor. Magneterne bidrager med moment, forbedrer effektfaktoren og kan udvide det effektive arbejdsområde, mens rotorgeometrien fortsat leverer en stor reluktanskomponent.
Der findes ingen skarp fysisk grænse mellem denne familie og en synkronmotor med indvendige permanentmagneter. Producenter og forskere kan beskrive lignende rotorer forskelligt alt efter, om de vil fremhæve magnetbidraget, reluktansbidraget eller mindre brug af sjældne jordarter. De relevante spørgsmål er, hvor meget moment hver mekanisme yder, hvor meget magnetmateriale der anvendes, og hvordan hele motoren præsterer over sit hastigheds- og momentkort.
Switchede reluktansmotorer
En switchet reluktansmotor, eller SRM, har fremtrædende poler på både stator og rotor. Rotoren er normalt en stak elektropladelameller uden viklinger eller magneter. Koncentrerede statorspoler aktiveres i rækkefølge, så hver rotorpol trækkes mod en rettet position. Fasestrømmen skal derefter reduceres før retningen, hvis fortsat strøm ville skabe bremsemoment.
Princippet adskiller sig fra det omtrent sinusformede roterende felt, som de fleste trefasede traktionsmotorer bruger. En traditionel SRM anvender ofte en asymmetrisk omformer, der kan magnetisere og afmagnetisere hver fase uafhængigt. Rotorpositionsdata og præcist timet strømstyring er afgørende for effektiv motordrift og regenerering.
Den enkle SRM-rotor tåler varme og høj hastighed, og elektrisk adskilte faser kan give nyttig fejltolerance. Hovedudfordringerne er momentrippel, varierende radialkraft, akustisk støj, ikke-lineær magnetisk mætning og en omformer, hvis spændings- og strømkrav skal vurderes sammen med motoren. En enkel rotor gør ikke automatisk hele drivsystemet enkelt.
Momentrippel og akustisk adfærd
Reluktansmomentet ændres, når rotor- og statorpoler går ind og ud af retning. Hvis fasemomenterne ikke blandes jævnt, opstår pulser i akslen. Skiftende radiale magnetkræfter kan også excitere resonanser i stator, hus og monteringer og skabe tonal støj, selv når akslens gennemsnitlige moment er stabilt.
Ingeniørerne håndterer virkningerne samlet:
- formen på rotor- og statorpoler ændrer bølgeformerne for moment og radialkraft;
- skråstilling, segmentering og valg af polbue fordeler kraftharmoniske;
- strømprofilering og overlappende faseledning udjævner det samlede moment;
- switchstrategien flytter eller reducerer generende spektralkomponenter;
- husets stivhed og isolering hindrer elektromagnetiske kræfter i at blive kabinestøj.
At reducere ét symptom kan forværre et andet. Mere faseoverlap kan udjævne momentet, men øge kobbertabet, mens vibrationsreducerende geometri kan påvirke momenttæthed eller inverterdimensionering. Det bedste resultat kræver fælles optimering af elektromagnetik, omformer, styring, struktur og køling.
Reluktansmaskinernes plads i elbiler
Reluktansmaskiner er attraktive, når magnetforsyning, rotortemperatur, styrke ved høj hastighed eller fejltolerance vejer særligt tungt. Magnetfrie løsninger undgår også permanentmagnetisk slæbemoment og tomgangsspænding, selv om tab i lejer, tætninger, gear og olie består i en komplet drivenhed.
De er ikke altid mere bæredygtige eller billigere. Mere elektroplade, kobber, halvlederkapacitet, akustisk behandling eller produktionskompleksitet kan opveje magnetbesparelsen. En fair sammenligning skal bruge samme moment-hastighedsområde, kølesystem, jævnspænding, invertergrænser, driftscyklus og produktionsvolumen.
For elbilkøbere siger motorbetegnelsen alene kun lidt. Relevant dokumentation er drivenhedens virkningsgradskort, kontinuerlige ydelse, støjadfærd, masse og køretøjets energiforbrug.
Fortsæt gennem motorserien
Gå tilbage til Electric Motors and Drive Units for hele serien om motortyper, konstruktion, styring, køling, gear og test.