Elektrisk eksiterte synkronmotorer
En elektrisk eksitert synkronmotor (EESM) erstatter permanente rotormagneter med en elektromagnet der feltet kan justeres mens kjøretøyet kjører. Den kalles også synkronmotor med viklet felt (WFSM), synkronmotor med viklet rotor (WRSM) eller strømeksitert synkronmotor.
Slik fungerer den
Trekkvekselretteren forsyner statoren med styrt trefaset strøm, akkurat som i andre AC-trekkmotorer. En separat eksitasjonskrets leverer likestrøm til viklinger på rotoren. Denne DC-en skaper magnetiske poler som låser seg til statorens roterende felt, slik at rotoren går synkront med det.
I en konvensjonell bilkonstruksjon ligger stasjonære børster mot sleperinger på den roterende akselen for å levere eksitasjonsstrøm. Børsteenheten er kompakt og innelukket i drivenheten; den er ikke kommutatoren som brukes i en børstet DC-trekkmotor. Børsteløse eksitatorer basert på induktiv, kapasitiv eller transformatorlignende kraftoverføring er en annen konstruksjonsvei, men de tilfører komponenter og styringskrav.
Rotorfeltet skapes av DC-eksitasjon, ikke ved å legge til en ekstern motstand på en viklet induksjonsrotor. Turtall og dreiemoment styres gjennom statorstrøm, elektrisk frekvens, strømvinkel og rotorens feltstrøm.
Et magnetfelt som kan justeres
Permanentmagneter gir i hovedsak fast rotorfluks. En EESM gir styringen enda en frihetsgrad: eksitasjonsstrømmen.
Ved høyt dreiemoment kan styringen forsterke rotorfeltet innenfor termiske, vekselretter- og magnetiske grenser. Ved lav belastning kan den redusere eksitasjonen slik at det ikke opprettholdes mer fluks enn driftspunktet trenger. Ved høyt turtall kan feltet svekkes direkte, slik at mot-elektromotorisk kraft reduseres uten full avhengighet av motvirkende statorstrøm.
Fleksibiliteten kan utvide det effektive driftsområdet og forenkle feltsvekking ved høyt turtall. Den beste strømkombinasjonen er fortsatt en systemoptimalisering: Kobbertap i statoren, eksitasjonstap i rotoren, vekselrettertap, spenning, dreiemoment, turtall og temperatur må vurderes samlet.
Derfor velger produsentene den
Rotoren trenger ingen permanentmagneter, så konstruksjonen kan unngå de sjeldne jordartene som ofte brukes i PMSM-motorer med høy effekttetthet. Det endrer eksponeringen mot magnetpriser og foredlingskjeder, selv om hele motoren fortsatt bruker betydelige mengder kobber og elektrisk stål.
Regulerbar fluks er nyttig over et bredt turtallsområde. Når en aksel ikke produserer dreiemoment, kan feltstrømmen reduseres eller fjernes, slik at magnetisk induserte tap begrenses. Ved en feil kan styringssystemet også fjerne rotoreksitasjonen, selv om lagret magnetisk energi og indusert spenning fortsatt må håndteres sikkert.
Arkitekturen kan gi høy effekt og stabil drift ved høyt turtall. Fordelen er ikke «gratis virkningsgrad»: Energien som brukes til å eksitere rotoren, inngår i tapsberegningen.
De tekniske kostnadene
Rotoreksitasjonen skaper I²R-kobbertap i en roterende del. Varmen må passere gjennom rotor, aksel, luftgap eller en intern kjølemiddelkanal, og eksitasjonsforsyningen bruker effekt som en permanentmagnet ikke trenger.
Børster og sleperinger medfører sliteflater, håndtering av partikler, kontaktmotstand og enda en mulig feilmekanisme. Bilsystemer konstrueres som forseglede enheter med lang levetid, ikke som industrisleperinger med regelmessig service, så en generell vedlikeholdsplan kan ikke forutsettes. Holdbarheten avhenger av børstemateriale, strømtetthet, akselturtall, tetning, kjøling, vibrasjon og produsentens konstruksjonsmål.
Børsteløs eksitasjon fjerner den glidende elektriske kontakten, men tilfører en roterende transformator, kapasitiv kobler eller annen maskinvare for feltforsyning samt likeretter og styring. Den flytter avveiningen i stedet for å fjerne den.
Effekttetthet og kostnad avhenger også av eksitasjonsenheten, plassen til rotorviklingen, kjølingen og vekselretterens dimensjonering. En velkonstruert EESM kan konkurrere sterkt med permanentmagnet- og induksjonsdrifter, men ingen enkelt topologi vinner ved alle driftspunkter.
Produksjonseksempler
BMWs eDrive av femte generasjon bruker strømeksiterte synkronmotorer i kjøretøy som i4, i5, i7 og iX. BMW oppgir at rotorfeltet skapes elektrisk, slik at magnetiske materialer med sjeldne jordarter kan utelates fra disse motorene.
Renault beskriver også sin EESM-rotorteknologi som en vei uten magneter og har utviklet den for flere elektriske drivlinjer. De to produsentenes løsninger må ikke antas å være identiske: Vikling, børsteenhet, kjøling, styring, spenning og integrasjon er fortsatt proprietære konstruksjonsvalg.
Ved sammenligning av EESM-kjøretøy er nyttige data blant annet topp- og kontinuerlig effekt, maksimalt turtall, det kombinerte virkningsgradskartet for motor og vekselretter, eksitasjonsmetode, kjøling og om oppgitt virkningsgrad inkluderer effekten til rotorfeltet.
Tilbake til Electric Motors and Drive Units.