Fremderregte Synchronmotoren
Ein fremderregter Synchronmotor (EESM) ersetzt permanente Rotormagnete durch einen Elektromagneten, dessen Feld während der Fahrt angepasst werden kann. Er wird auch als gewickelter Synchronmotor (WFSM), Synchronmotor mit gewickeltem Rotor (WRSM) oder stromerregter Synchronmotor bezeichnet.
Funktionsweise
Wie bei anderen Wechselstrom-Traktionsmotoren versorgt der Traktionswechselrichter den Stator mit geregeltem Dreiphasenstrom. Ein separater Erregerkreis speist die Rotorwicklungen mit Gleichstrom. Dieser Gleichstrom erzeugt Magnetpole, die sich an das rotierende Statorfeld koppeln, sodass der Rotor synchron mit diesem läuft.
In einer konventionellen Automobilausführung berühren feststehende Bürsten Schleifringe auf der rotierenden Welle und übertragen den Erregerstrom. Die Bürsteneinheit ist kompakt und in der Antriebseinheit gekapselt; sie ist nicht der Kommutator eines Gleichstrom-Traktionsmotors mit Bürsten. Bürstenlose Erreger auf Grundlage induktiver, kapazitiver oder transformatorähnlicher Leistungsübertragung sind ein anderer Konstruktionsweg, fügen jedoch Bauteile und Regelungsanforderungen hinzu.
Das Rotorfeld entsteht durch Gleichstromerregung und nicht durch einen externen Widerstand an einem gewickelten Induktionsrotor. Drehzahl und Drehmoment werden über Statorstrom, elektrische Frequenz, Stromwinkel und Rotorerregerstrom geregelt.
Ein einstellbares Magnetfeld
Permanentmagnete liefern einen im Wesentlichen festen Rotorfluss. Ein EESM gibt der Regelung eine weitere Stellgröße: den Erregerstrom.
Bei hohem Drehmoment kann die Regelung das Rotorfeld innerhalb der thermischen, Wechselrichter- und Magnetgrenzen verstärken. Bei geringer Last kann sie die Erregung verringern, damit nicht mehr Fluss als für den Betriebspunkt erforderlich geführt wird. Bei hoher Drehzahl kann sie das Feld direkt schwächen und so die Gegen-EMK verringern, ohne vollständig auf einen entgegenwirkenden Statorstrom angewiesen zu sein.
Diese Flexibilität kann den effizienten Betriebsbereich erweitern und die Feldschwächung bei hoher Drehzahl vereinfachen. Die beste Stromkombination bleibt eine Systemoptimierung: Kupferverluste im Stator, Erregerverluste im Rotor, Wechselrichterverluste, Spannung, Drehmoment, Drehzahl und Temperatur müssen gemeinsam betrachtet werden.
Warum Hersteller diese Technik wählen
Der Rotor benötigt keine Permanentmagnete, sodass die Konstruktion die in PMSM mit hoher Leistungsdichte häufig eingesetzten Seltenerdmaterialien vermeiden kann. Das verändert die Abhängigkeit von Magnetpreisen und Verarbeitungslieferketten, auch wenn der vollständige Motor weiterhin erhebliche Mengen Kupfer und Elektroblech verwendet.
Regelbarer Fluss ist über einen breiten Drehzahlbereich nützlich. Wenn eine Achse kein Drehmoment erzeugt, kann der Erregerstrom verringert oder abgeschaltet werden, um magnetisch verursachte Verluste zu begrenzen. Bei einem Fehler kann das Regelsystem auch die Rotorerregung entfernen, obwohl gespeicherte Magnetenergie und induzierte Spannung weiterhin sicher beherrscht werden müssen.
Die Architektur kann hohe Leistung und stabilen Hochgeschwindigkeitsbetrieb ermöglichen. Ihr Vorteil ist kein „kostenloser Wirkungsgrad“: Die zur Rotorerregung eingesetzte Energie gehört zur Verlustrechnung.
Die technischen Kosten
Die Rotorerregung verursacht I²R-Kupferverluste in einem rotierenden Bauteil. Die Wärme muss Rotor, Welle, Luftspalt oder einen internen Kühlmittelpfad durchqueren, und die Erregerspeisung verbraucht Leistung, die ein Permanentmagnet nicht benötigt.
Bürsten und Schleifringe bringen Verschleißflächen, Abriebmanagement, Kontaktwiderstand und einen weiteren möglichen Fehlermodus mit sich. Automobilsysteme werden als gekapselte, langlebige Baugruppen und nicht als regelmäßig gewartete Industrieschleifringe ausgelegt; ein allgemeiner Wartungsplan kann daher nicht angenommen werden. Die Haltbarkeit hängt von Bürstenmaterial, Stromdichte, Wellendrehzahl, Abdichtung, Kühlung, Vibration und dem Auslegungsziel des Herstellers ab.
Eine bürstenlose Erregung beseitigt den gleitenden elektrischen Kontakt, benötigt jedoch einen rotierenden Transformator, kapazitiven Koppler oder andere Hardware für die Feldleistung sowie Gleichrichtung und Regelung. Sie verschiebt den Kompromiss, statt ihn zu beseitigen.
Leistungsdichte und Kosten hängen außerdem von der Erregereinheit, dem Platz für die Rotorwicklung, der Kühlung und der Auslegung des Wechselrichters ab. Ein gut konstruierter EESM kann stark mit Permanentmagnet- und Induktionsantrieben konkurrieren, aber keine einzelne Topologie gewinnt an jedem Betriebspunkt.
Serienbeispiele
BMWs eDrive der fünften Generation verwendet stromerregte Synchronmotoren in Fahrzeugen wie i4, i5, i7 und iX. BMW erklärt, dass das Rotorfeld elektrisch erzeugt wird, sodass in diesen Motoren auf magnetische Seltenerdmaterialien verzichtet werden kann.
Auch Renault bezeichnet seine EESM-Rotortechnik als magnetfreien Weg und hat sie für mehrere elektrische Antriebsstränge entwickelt. Die Umsetzungen der beiden Hersteller dürfen nicht als identisch angenommen werden: Wicklung, Bürsteneinheit, Kühlung, Regelung, Spannung und Integration bleiben herstellerspezifische Konstruktionsentscheidungen.
Beim Vergleich von EESM-Fahrzeugen sind unter anderem Spitzen- und Dauerleistung, Höchstdrehzahl, das gemeinsame Wirkungsgradkennfeld von Motor und Wechselrichter, die Erregungsmethode, die Kühlung und die Frage wichtig, ob der angegebene Wirkungsgrad die Rotorfeldleistung einschließt.
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