Reluktanzmotoren in Elektrofahrzeugen

Reluktanzmotoren erzeugen Drehmoment, indem sie einen magnetisch asymmetrischen Rotor in die Stellung ziehen, in der der magnetische Fluss dem einfachsten Weg folgen kann. Das Prinzip kommt in mehreren unterschiedlichen Motorfamilien vor, darunter magnetfreie Synchronreluktanz- und geschaltete Reluktanzmaschinen sowie permanentmagneterregte Hilfskonzepte.

Reluktanz ist eine magnetische Eigenschaft

Die magnetische Reluktanz ist der Widerstand, den ein magnetischer Kreis dem magnetischen Fluss entgegensetzt. Ein Weg durch hochpermeables Elektroblech hat eine geringere Reluktanz als ein Weg durch Luft oder eine Flusssperre. Ist ein Rotor so geformt, dass seine magnetischen Eigenschaften von der Richtung abhängen, erzeugt das erregte Statorfeld ein Drehmoment, das die Achse geringer Reluktanz des Rotors am Feld ausrichten will.

Fachleute für Motorregelung beschreiben den Rotor mit zwei senkrecht zueinander stehenden magnetischen Achsen. Die Direktachse d und die Querachse q besitzen bei einem ausgeprägten Rotor unterschiedliche Induktivitäten. Dieser Unterschied ermöglicht es dem Statorstrom, Reluktanzdrehmoment zu erzeugen. Dafür benötigt der Rotor keine Permanentmagnete; Magnete können jedoch ergänzt werden, um Magnet- und Reluktanzdrehmoment zu verbinden.

Deshalb ist Reluktanz nicht auf eine einzelne Produktbezeichnung beschränkt. Sie ist ein drehmomentbildender Mechanismus, der auch in vielen innenliegenden permanent-magnet synchronous motors einen erheblichen Beitrag leistet.

Synchronreluktanzmotoren

Ein Synchronreluktanzmotor, häufig SynRM abgekürzt, nutzt einen Rotor aus geschichtetem Stahl mit Flusssperren oder einer anderen Geometrie, die eine starke magnetische Salienz erzeugt. Der Wechselrichter treibt ein rotierendes Statorfeld an, dem der Rotor mit synchroner Drehzahl folgt.

Der Rotor kann ohne Magnete, Wicklungen, Schleifringe und Käfigleiter auskommen. Das kann Materialkosten und Rotorwärme verringern und zugleich hohe Drehzahlen ermöglichen. Ohne Permanentmagnetfluss erzeugt der stromlose Motor zudem nicht dieselbe Gegen-EMK wie eine Permanentmagnetmaschine.

Der Nachteil besteht darin, dass das Drehmoment vom erreichbaren Unterschied zwischen d- und q-Achseninduktivität abhängt. Flusssperren vergrößern ihn, entfernen aber Stahl aus dem Rotor, erschweren die mechanische Auslegung und können die Drehmomentdichte begrenzen. Leistungsfaktor und Wechselrichterstrom können ebenfalls ungünstiger sein als bei einer gut ausgelegten Permanentmagnetmaschine.

Permanentmagnetunterstützte Synchronreluktanz

Ein permanentmagnetunterstützter Synchronreluktanzmotor ergänzt eine relativ kleine Menge Magnetmaterial in einem ausgeprägten Rotor. Die Magnete tragen zum Drehmoment bei, verbessern den Leistungsfaktor und können den effizienten Betriebsbereich erweitern, während die Rotorgeometrie weiterhin einen großen Reluktanzanteil liefert.

Zwischen dieser Familie und einem Synchronmotor mit innenliegenden Permanentmagneten gibt es keine scharfe physikalische Grenze. Hersteller und Forschung beschreiben ähnliche Rotoren unterschiedlich, je nachdem, ob Magnetanteil, Reluktanzanteil oder der geringere Seltene-Erden-Einsatz betont werden soll. Entscheidend sind der Drehmomentanteil jedes Mechanismus, die Magnetmenge und das Verhalten des gesamten Motors im Drehzahl-Drehmoment-Kennfeld.

Geschaltete Reluktanzmotoren

Ein geschalteter Reluktanzmotor, kurz SRM, besitzt ausgeprägte Pole an Stator und Rotor. Sein Rotor besteht typischerweise aus einem Paket von Elektroblechen ohne Wicklungen oder Magnete. Konzentrierte Statorspulen werden nacheinander bestromt, sodass jeder Rotorpol in eine ausgerichtete Stellung gezogen wird; vor dem Erreichen der Ausrichtung muss der Phasenstrom sinken, falls ein fortgesetzter Strom Bremsmoment erzeugen würde.

Dieses Prinzip unterscheidet sich vom annähernd sinusförmigen Drehfeld der meisten dreiphasigen Traktionsmotoren. Ein herkömmlicher SRM verwendet meist einen asymmetrischen Umrichter, der jede Phase unabhängig bestromen und entmagnetisieren kann. Rotorlageinformationen und präzise getaktete Stromregelung sind für effizienten Motor- und Rekuperationsbetrieb zentral.

Der einfache Rotor eines SRM verträgt Wärme und hohe Drehzahlen; elektrisch getrennte Phasen können eine nützliche Fehlertoleranz bieten. Die wesentlichen Herausforderungen sind Drehmomentwelligkeit, schwankende Radialkräfte, Geräusch, nichtlineare magnetische Sättigung sowie ein Umrichter, dessen Spannungs- und Stromanforderungen gemeinsam mit dem Motor berücksichtigt werden müssen. Ein einfacher Rotor macht den gesamten Antrieb nicht automatisch einfach.

Drehmomentwelligkeit und Akustik

Das Reluktanzdrehmoment ändert sich, wenn Rotor- und Statorpole in die Ausrichtung hinein- und aus ihr herauslaufen. Werden die Phasenmomente nicht gleichmäßig überblendet, entstehen Pulsationen an der Welle. Wechselnde radiale Magnetkräfte können außerdem Resonanzen von Stator, Gehäuse und Lagerung anregen und tonale Geräusche erzeugen, selbst wenn das mittlere Wellenmoment konstant ist.

Die Fachleute behandeln diese Effekte gemeinsam:

die Form von Rotor- und Statorpolen verändert die Verläufe von Drehmoment und Radialkraft;
Schrägung, Segmentierung und Polbogenwahl verteilen Kraftharmonische;
Stromprofilierung und überlappende Phasenleitung glätten das Gesamtdrehmoment;
die Schaltstrategie verschiebt oder vermindert störende Spektralanteile;
Gehäusesteifigkeit und Entkopplung verhindern, dass elektromagnetische Kräfte als Innenraumgeräusch erscheinen.

Die Verringerung eines Symptoms kann ein anderes verschlechtern. Mehr Phasenüberlappung kann das Drehmoment glätten, aber Kupferverluste erhöhen; eine vibrationsmindernde Geometrie kann Drehmomentdichte oder Wechselrichterdimensionierung beeinflussen. Das beste Ergebnis liefert die gemeinsame Optimierung von Elektromagnetik, Umrichter, Regelung, Struktur und Kühlung.

Einsatz von Reluktanzmaschinen in Elektrofahrzeugen

Reluktanzmaschinen sind attraktiv, wenn Magnetversorgung, Rotortemperatur, Hochgeschwindigkeitsfestigkeit oder Fehlertoleranz besonders wichtig sind. Magnetfreie Konzepte vermeiden außerdem Permanentmagnet-Schleppmoment und Leerlaufspannung, obwohl Lager-, Dichtungs-, Getriebe- und Ölverluste im vollständigen Antrieb verbleiben.

Sie sind nicht grundsätzlich nachhaltiger oder preiswerter. Mehr Elektroblech, Kupfer, Halbleiterleistung, Akustikmaßnahmen oder Fertigungskomplexität können die Magneteinsparung aufzehren. Ein fairer Vergleich erfordert dieselbe Drehzahl-Drehmoment-Hüllkurve, Kühlung, Gleichspannung, Wechselrichtergrenzen, Lastprofil und Stückzahl.

Für Käufer sagt die Motorbezeichnung allein wenig voraus. Aussagekräftig sind Wirkungsgradkennfeld, Dauerleistung, Geräuschverhalten und Masse der Antriebseinheit sowie der Energieverbrauch des Fahrzeugs.

Die Motorenserie fortsetzen

Unter Electric Motors and Drive Units finden Sie die vollständige Folge zu Motortypen, Konstruktion, Regelung, Kühlung, Getrieben und Prüfverfahren.