Reluctantiemotoren in elektrische auto's

Reluctantiemotoren leveren koppel door een magnetisch asymmetrische rotor naar de positie te trekken waar de magnetische flux de gemakkelijkste weg kan volgen. Het principe omvat magneetvrije synchrone en geschakelde reluctantiemachines, maar ook ontwerpen met ondersteuning door permanente magneten.

Reluctantie is een magnetische eigenschap

Magnetische reluctantie is de weerstand van een magnetisch circuit tegen magnetische flux. Hoogpermeabel elektrostaal heeft een lagere reluctantie dan lucht of een fluxbarrière. Als de rotoreigenschappen per richting verschillen, wekt het bekrachtigde statorveld een koppel op dat de laagreluctantie-as van de rotor met het veld wil uitlijnen.

Regelingenieurs beschrijven de rotor met twee loodrechte magnetische assen. De directe d-as en kwadratuur-q-as hebben in een saliënte rotor verschillende inductanties. Daardoor kan statorstroom reluctantiekoppel leveren. Permanente magneten zijn niet nodig, maar kunnen magnetisch en reluctantiekoppel combineren.

Reluctantie is dus geen afzonderlijk productlabel, maar een koppelmechanisme dat ook in veel inwendige permanent-magnet synchronous motors een belangrijke bijdrage levert.

Synchrone reluctantiemotoren

Een synchrone reluctantiemotor, vaak SynRM genoemd, gebruikt een gelamineerde stalen rotor met fluxbarrières of een andere sterk saliënte geometrie. De omvormer wekt een roterend statorveld op en de rotor volgt dat veld met synchrone snelheid.

De rotor kan zonder magneten, wikkelingen, sleepringen en kooiankergeleiders worden gebouwd. Dat kan materiaalprijs en rotorwarmte verlagen en hoge snelheden mogelijk maken. Zonder permanente-magneetflux levert de spanningsloze motor ook niet dezelfde tegen-EMK als een permanentmagneetmachine.

Daartegenover staat dat het koppel afhangt van het haalbare verschil tussen d- en q-asinductantie. Fluxbarrières vergroten dat verschil, maar nemen staal weg, maken het mechanische ontwerp moeilijker en kunnen de koppeldichtheid beperken. Arbeidsfactor en omvormerstroom kunnen eveneens ongunstiger zijn dan bij een goede permanentmagneetmachine.

Permanentmagneetondersteunde synchrone reluctantie

Dit motortype voegt een relatief kleine hoeveelheid magneetmateriaal toe aan een saliënte rotor. De magneten leveren koppel, verbeteren de arbeidsfactor en kunnen het efficiënte gebied verbreden, terwijl de geometrie een groot reluctantiekoppel blijft leveren.

Er bestaat geen scherpe fysieke grens met een synchrone motor met inwendige permanente magneten. Fabrikanten kunnen dezelfde rotor anders benoemen om magneetbijdrage, reluctantiebijdrage of minder zeldzame aardmetalen te benadrukken. Relevant zijn het koppelaandeel van elk mechanisme, de magneethoeveelheid en de prestaties over het volledige toerental-koppeldiagram.

Geschakelde reluctantiemotoren

Een geschakelde reluctantiemotor, of SRM, heeft saliënte polen op stator en rotor. De rotor bestaat doorgaans uit elektrostaallamellen zonder wikkelingen of magneten. Geconcentreerde statorspoelen worden na elkaar bekrachtigd om elke rotorpool naar uitlijning te trekken; de fasestroom moet vóór uitlijning afnemen als verdere stroom remkoppel zou geven.

Dit verschilt van het vrijwel sinusvormige draaiveld van de meeste driefasige tractiemotoren. Een SRM gebruikt vaak een asymmetrische omzetter die elke fase afzonderlijk kan bekrachtigen en demagnetiseren. Rotorpositie en nauwkeurig getimede stroomregeling zijn essentieel voor efficiënte aandrijving en regeneratie.

De eenvoudige rotor verdraagt hitte en hoog toerental, en elektrisch gescheiden fasen bieden nuttige fouttolerantie. Uitdagingen zijn koppelrimpel, wisselende radiale kracht, geluid, niet-lineaire verzadiging en spanning- en stroomeisen van een omzetter die samen met de motor moeten worden ontworpen. Een eenvoudige rotor maakt de hele aandrijving niet vanzelf eenvoudig.

Koppelrimpel en akoestisch gedrag

Het reluctantiekoppel verandert wanneer rotor- en statorpolen in en uit uitlijning bewegen. Zonder vloeiende samenvoeging van fasekoppels pulseert de as. Wisselende radiale krachten kunnen resonanties in stator, behuizing en bevestigingen aanjagen en tonaal geluid veroorzaken, zelfs bij stabiel gemiddeld askoppel.

Ingenieurs pakken deze effecten gezamenlijk aan:

poolvormen veranderen de golfvorm van koppel en radiale kracht;
scheefstelling, segmentering en poolboogkeuze spreiden krachtharmonischen;
stroomprofilering en overlappende fasegeleiding egaliseren het totale koppel;
de schakelstrategie verschuift of vermindert storende spectrale componenten;
stijve en geïsoleerde behuizingen voorkomen dat elektromagnetische krachten interieurgeluid worden.

Eén symptoom verminderen kan een ander verergeren. Meer faseoverlap maakt het koppel gladder maar verhoogt koperverlies; een trillingsarme geometrie kan koppeldichtheid of omvormerklasse beïnvloeden. Het beste resultaat vraagt gezamenlijke optimalisatie van elektromagnetisme, omzetter, regeling, constructie en koeling.

Plaats van reluctantiemachines in elektrische auto's

Ze zijn aantrekkelijk wanneer magneetvoorziening, rotortemperatuur, sterkte bij hoge snelheid of fouttolerantie zwaar telt. Magneetvrije ontwerpen vermijden ook permanente-magneetsleep en nullastspanning, al blijven lager-, afdichting-, tandwiel- en olieverliezen bestaan.

Ze zijn niet altijd duurzamer of goedkoper. Extra elektrostaal, koper, halfgeleidervermogen, geluidsbehandeling of productiecomplexiteit kan de magneetbesparing tenietdoen. Vergelijkingen vereisen hetzelfde koppel-toerentalgebied, koelsysteem, DC-spanning, omvormergrenzen, belastingscyclus en productievolume.

Voor kopers voorspelt het motorlabel weinig. Bruikbaar zijn de efficiëntiekaart, het continue vermogen, geluid en massa van de aandrijfeenheid en het energieverbruik van de auto.

Ga verder door de motorserie

Ga naar Electric Motors and Drive Units voor de volledige reeks over motortypen, constructie, regeling, koeling, overbrenging en tests.