Reluktansmotorer i elbiler
Reluktansmotorer skaper dreiemoment ved å trekke en magnetisk asymmetrisk rotor mot posisjonen der den magnetiske fluksen kan følge den enkleste banen. Prinsippet finnes i flere motorfamilier, blant annet magnetfrie synkronreluktans- og svitsjede reluktansmaskiner samt konstruksjoner assistert av permanentmagneter.
Reluktans er en magnetisk egenskap
Magnetisk reluktans er motstanden en magnetisk krets yter mot magnetisk fluks. En bane gjennom elektroblikk med høy permeabilitet har lavere reluktans enn en bane gjennom luft eller en fluksbarriere. Når rotoren er formet slik at de magnetiske egenskapene varierer med retningen, skaper det aktiverte statorfeltet et dreiemoment som vil innrette rotorens lavreluktansakse etter feltet.
Motorstyringsingeniører beskriver rotoren med to vinkelrette magnetiske akser. Direkteaksen d og kvadraturaksen q har ulik induktans i en rotor med utpregede poler. Denne forskjellen gjør at statorstrømmen kan produsere reluktansmoment. Rotoren trenger ikke permanentmagneter for denne effekten, men magneter kan tilføyes for å kombinere magnet- og reluktansmoment.
Reluktans er derfor ikke begrenset til én produktbetegnelse. Det er en mekanisme for momentproduksjon som også bidrar vesentlig i mange innvendige permanent-magnet synchronous motors.
Synkronreluktansmotorer
En synkronreluktansmotor, ofte forkortet SynRM, bruker en laminert stålrotor med fluksbarrierer eller annen geometri som skaper tydelig magnetisk saliens. Omformeren driver et roterende statorfelt, og rotoren følger feltet med synkron hastighet.
Rotoren kan være uten magneter, viklinger, sleperinger og kortslutningsstaver. Det kan redusere materialkostnad og rotorvarme samtidig som høy rotasjonshastighet støttes. Uten permanentmagnetfluks skaper den strømløse motoren heller ikke samme mot-EMF som en permanentmagnetmaskin.
Ulempen er at momentet avhenger av den oppnåelige forskjellen mellom induktansen langs d- og q-aksen. Fluksbarrierer øker forskjellen, men fjerner stål fra rotoren, kompliserer den mekaniske utformingen og kan begrense momenttettheten. Effektfaktor og strømbehov i omformeren kan også være mindre gunstig enn i en godt konstruert permanentmagnetmaskin.
Permanentmagnetassistert synkronreluktans
En permanentmagnetassistert synkronreluktansmotor tilfører en forholdsvis liten mengde magnetmateriale i en salient rotor. Magnetene bidrar med moment, forbedrer effektfaktoren og kan utvide det effektive arbeidsområdet, mens rotorgeometrien fortsatt leverer en stor andel reluktansmoment.
Det finnes ingen skarp fysisk grense mellom denne familien og en synkronmotor med innvendige permanentmagneter. Produsenter og forskere kan beskrive lignende rotorer ulikt alt etter om de vil fremheve magnetbidraget, reluktansbidraget eller redusert innhold av sjeldne jordarter. De nyttige spørsmålene er hvor mye moment hver mekanisme gir, hvor mye magnetmateriale som brukes, og hvordan hele motoren yter over hastighets- og momentkartet.
Svitsjede reluktansmotorer
En svitsjet reluktansmotor, eller SRM, har utpregede poler på både stator og rotor. Rotoren er normalt en pakke elektroblikklameller uten viklinger eller magneter. Konsentrerte statorspoler aktiveres i rekkefølge slik at hver rotorpol trekkes mot en innrettet posisjon. Fasestrømmen må deretter reduseres før innrettingen dersom fortsatt strøm ville skape bremsemoment.
Prinsippet skiller seg fra det tilnærmet sinusformede dreiefeltet som brukes av de fleste trefasede fremdriftsmotorer. En vanlig SRM bruker ofte en asymmetrisk omformer som kan aktivere og avmagnetisere hver fase uavhengig. Rotorposisjon og presist tidsstyrt strømregulering er avgjørende for effektiv motordrift og regenerering.
Den enkle SRM-rotoren tåler varme og høy hastighet, og elektrisk atskilte faser kan gi nyttig feiltoleranse. Hovedutfordringene er momentrippel, varierende radialkraft, akustisk støy, ikke-lineær magnetisk metning og en omformer hvis spennings- og strømkrav må vurderes sammen med motoren. En enkel rotor gjør ikke automatisk hele drivsystemet enkelt.
Momentrippel og akustisk oppførsel
Reluktansmomentet endres når rotor- og statorpoler går inn og ut av innretting. Hvis fasemomentene ikke blandes jevnt, oppstår pulsering i akselen. Skiftende radiale magnetkrefter kan også eksitere resonanser i stator, hus og fester og skape tonal støy selv når gjennomsnittlig akselmoment er stabilt.
Ingeniørene håndterer virkningene samlet:
- formen på rotor- og statorpolene endrer kurvene for moment og radialkraft;
- skråstilling, segmentering og valg av polbue fordeler kraftharmoniske;
- strømprofilering og overlappende faseledning jevner ut totalmomentet;
- svitsjestrategien flytter eller reduserer uønskede spektralkomponenter;
- stivt og isolert hus hindrer elektromagnetiske krefter i å bli kupéstøy.
Å redusere ett symptom kan forverre et annet. Mer faseoverlapping kan jevne ut momentet, men øke kobbertapet, mens vibrasjonsreduserende geometri kan påvirke momenttetthet eller dimensjonering av omformeren. Best resultat krever felles optimalisering av elektromagnetikk, omformer, styring, struktur og kjøling.
Reluktansmaskinenes plass i elbiler
Reluktansmaskiner er attraktive når magnetforsyning, rotortemperatur, styrke ved høy hastighet eller feiltoleranse veier særlig tungt. Magnetfrie løsninger unngår også permanentmagnetisk slepemoment og tomgangsspenning, selv om tap i lagre, tetninger, gir og olje består i en komplett drivenhet.
De er ikke alltid mer bærekraftige eller billigere. Mer elektroblikk, kobber, halvlederkapasitet, akustiske tiltak eller produksjonskompleksitet kan oppveie magnetbesparelsen. En rettferdig sammenligning må bruke samme moment-hastighetsområde, kjølesystem, likespenning, omformergrenser, driftssyklus og produksjonsvolum.
For elbilkjøpere sier motorbetegnelsen alene lite. Relevant dokumentasjon er drivenhetens virkningsgradskart, kontinuerlige ytelse, støynivå, masse og kjøretøyets energiforbruk.
Fortsett gjennom motorserien
Gå tilbake til Electric Motors and Drive Units for hele serien om motortyper, konstruksjon, styring, kjøling, gir og testing.