Elektrisk exciterede synkronmotorer
En elektrisk exciteret synkronmotor (EESM) erstatter permanente rotormagneter med en elektromagnet, hvis felt kan justeres, mens køretøjet kører. Den kaldes også en synkronmotor med viklet felt (WFSM), en synkronmotor med viklet rotor (WRSM) eller en strømexciteret synkronmotor.
Sådan fungerer den
Traktionsinverteren forsyner statoren med styret trefaset strøm ligesom i andre AC-traktionsmotorer. Et separat excitationskredsløb leverer jævnstrøm til viklingerne på rotoren. Denne DC skaber magnetiske poler, som kobler sig til statorens roterende felt, så rotoren kører synkront med det.
I en konventionel bilkonstruktion berører stationære børster slæberinge på den roterende aksel for at levere excitationsstrøm. Børsteenheden er kompakt og lukket inde i drivenheden; den er ikke den kommutator, som bruges i en børstet DC-traktionsmotor. Børsteløse excitatorer baseret på induktiv, kapacitiv eller transformerlignende effektoverførsel er en anden konstruktionsvej, men de tilføjer komponenter og styringskrav.
Rotorfeltet skabes af DC-excitation og ikke ved at tilføje en ekstern modstand til en viklet induktionsrotor. Hastighed og moment styres gennem statorstrøm, elektrisk frekvens, strømvinkel og rotorens feltstrøm.
Et magnetfelt, der kan justeres
Permanentmagneter leverer en i det væsentlige fast rotorflux. En EESM giver styringen endnu en frihedsgrad: excitationsstrømmen.
Ved højt moment kan styringen forstærke rotorfeltet inden for de termiske, inverter- og magnetiske grænser. Ved lav belastning kan excitationen reduceres, så der ikke opretholdes mere flux end driftspunktet kræver. Ved høj hastighed kan feltet svækkes direkte, så den modelektromotoriske kraft reduceres uden fuldstændig afhængighed af modsat rettet statorstrøm.
Denne fleksibilitet kan udvide det effektive driftsområde og forenkle feltsvækkelse ved høj hastighed. Den bedste strømkombination er stadig en systemoptimering: Kobbertab i statoren, excitationstab i rotoren, invertertab, spænding, moment, hastighed og temperatur skal alle vurderes samlet.
Derfor vælger producenterne den
Rotoren behøver ingen permanentmagneter, så konstruktionen kan undgå de sjældne jordarter, der ofte bruges i PMSM-motorer med høj effekttæthed. Det ændrer eksponeringen mod magnetpriser og forarbejdningskæder, selv om hele motoren stadig bruger betydelige mængder kobber og elektrisk stål.
Styrbar flux er nyttig over et bredt hastighedsområde. Når en aksel ikke producerer moment, kan feltstrømmen reduceres eller fjernes, så magnetisk inducerede tab begrænses. Ved en fejl kan styresystemet også fjerne rotorexcitationen, selv om lagret magnetisk energi og induceret spænding stadig skal håndteres sikkert.
Arkitekturen kan give høj effekt og stabil drift ved høj hastighed. Fordelen er ikke ”gratis virkningsgrad”: Den energi, der bruges til at excitere rotoren, indgår i tabsberegningen.
De tekniske omkostninger
Rotorexcitationen skaber I²R-kobbertab i en roterende del. Varmen skal passere gennem rotor, aksel, luftgab eller en intern kølemiddelkanal, og excitationsforsyningen bruger effekt, som en permanentmagnet ikke kræver.
Børster og slæberinge medfører slidflader, håndtering af partikler, kontaktmodstand og endnu en mulig fejlmekanisme. Bilsystemer konstrueres som forseglede enheder med lang levetid og ikke som industrielle slæberinge med regelmæssig service, så en generisk serviceplan kan ikke antages. Holdbarheden afhænger af børstemateriale, strømtæthed, akselhastighed, tætning, køling, vibration og producentens konstruktionsmål.
Børsteløs excitation fjerner den glidende elektriske kontakt, men tilføjer en roterende transformer, kapacitiv kobler eller anden hardware til feltforsyning samt ensretning og styring. Den flytter afvejningen i stedet for at fjerne den.
Effekttæthed og omkostninger afhænger også af excitationsenheden, pladsen til rotorviklingen, kølingen og inverterens dimensionering. En velkonstrueret EESM kan konkurrere stærkt med permanentmagnet- og induktionsdrivlinjer, men ingen enkelt topologi vinder ved alle driftspunkter.
Produktionseksempler
BMW’s eDrive af femte generation bruger strømexciterede synkronmotorer i køretøjer som i4, i5, i7 og iX. BMW oplyser, at rotorfeltet skabes elektrisk, så magnetiske materialer med sjældne jordarter kan udelades fra disse motorer.
Renault beskriver også sin EESM-rotorteknologi som en vej uden magneter og har udviklet den til flere elektriske drivlinjer. De to producenters løsninger bør ikke antages at være identiske: Vikling, børsteenhed, køling, styring, spænding og integration er fortsat proprietære konstruktionsvalg.
Ved sammenligning af EESM-køretøjer er nyttige data blandt andet spids- og kontinuerlig effekt, maksimal hastighed, det kombinerede virkningsgradskort for motor og inverter, excitationsmetode, køling og om den angivne virkningsgrad omfatter effekten til rotorfeltet.
Tilbage til Electric Motors and Drive Units.