Elektrisch bekrachtigde synchroonmotoren
Een elektrisch bekrachtigde synchroonmotor (EESM) vervangt permanente rotormagneten door een elektromagneet waarvan het veld tijdens het rijden kan worden aangepast. Hij wordt ook een synchroonmotor met gewikkeld veld (WFSM), synchroonmotor met gewikkelde rotor (WRSM) of stroomgeëxciteerde synchroonmotor genoemd.
Hoe hij werkt
De tractie-omvormer voedt de stator met geregelde driefasenstroom, net als bij andere AC-tractiemotoren. Een afzonderlijk bekrachtigingscircuit levert gelijkstroom aan wikkelingen op de rotor. Deze DC creëert magnetische polen die zich aan het roterende statorveld koppelen, zodat de rotor er synchroon mee draait.
In een conventioneel voertuigontwerp maken stilstaande borstels contact met sleepringen op de roterende as om de bekrachtigingsstroom over te brengen. De borsteleenheid is compact en opgesloten in de aandrijfeenheid; het is niet de commutator van een geborstelde DC-tractiemotor. Borstelloze bekrachtigers op basis van inductieve, capacitieve of transformatorachtige vermogensoverdracht vormen een ander ontwerppad, maar voegen componenten en regeleisen toe.
Het rotorveld wordt gecreëerd door DC-bekrachtiging, niet door een externe weerstand aan een gewikkelde inductierotor toe te voegen. Toerental en koppel worden geregeld via statorstroom, elektrische frequentie, stroomhoek en rotorveldstroom.
Een regelbaar magnetisch veld
Permanente magneten leveren een in wezen vaste rotorflux. Een EESM geeft de regeling een extra vrijheidsgraad: de bekrachtigingsstroom.
Bij hoog koppel kan de regeling het rotorveld versterken binnen de thermische, omvormer- en magnetische grenzen. Bij lage belasting kan de bekrachtiging worden verminderd om niet meer flux te handhaven dan het werkpunt nodig heeft. Bij hoge snelheid kan het veld rechtstreeks worden verzwakt, waardoor de tegen-elektromotorische kracht afneemt zonder volledig afhankelijk te zijn van tegengestelde statorstroom.
Deze flexibiliteit kan het efficiënte bedrijfsgebied verbreden en veldverzwakking bij hoge snelheid vereenvoudigen. De beste stroomcombinatie blijft een systeemoptimalisatie: Koperverliezen in de stator, bekrachtigingsverliezen in de rotor, omvormerverliezen, spanning, koppel, toerental en temperatuur moeten samen worden beschouwd.
Waarom fabrikanten deze techniek kiezen
De rotor heeft geen permanente magneten nodig, zodat het ontwerp de zeldzame aardmaterialen kan vermijden die vaak in PMSM’s met hoge vermogensdichtheid worden gebruikt. Dit verandert de blootstelling aan magneetprijzen en verwerkingsketens, hoewel de complete motor nog steeds aanzienlijke hoeveelheden koper en elektrisch staal gebruikt.
Regelbare flux is nuttig over een breed toerentalbereik. Wanneer een as geen koppel produceert, kan de veldstroom worden verminderd of uitgeschakeld, waardoor magnetisch geïnduceerde verliezen worden beperkt. Bij een storing kan het regelsysteem ook de rotorbekrachtiging uitschakelen, hoewel opgeslagen magnetische energie en geïnduceerde spanning nog steeds veilig moeten worden beheerst.
De architectuur kan hoog vermogen en stabiel bedrijf bij hoge snelheid bieden. Het voordeel is geen ‘gratis rendement’: de energie voor het bekrachtigen van de rotor wordt in de verliesberekening meegenomen.
De technische kosten
Rotorbekrachtiging veroorzaakt I²R-koperverlies in een draaiend onderdeel. De warmte moet door de rotor, as, luchtspleet of een intern koelmiddelpad gaan, en de bekrachtigingsvoeding verbruikt vermogen dat een permanente magneet niet nodig heeft.
Borstels en sleepringen brengen slijtvlakken, beheer van deeltjes, contactweerstand en een extra mogelijke faalwijze met zich mee. Autosystemen worden ontworpen als afgedichte eenheden met een lange levensduur, niet als industriële sleepringen die regelmatig onderhoud krijgen, zodat geen algemeen onderhoudsschema kan worden verondersteld. De duurzaamheid hangt af van borstelmateriaal, stroomdichtheid, astoerental, afdichting, koeling, trillingen en het ontwerpdoel van de fabrikant.
Borstelloze bekrachtiging verwijdert het glijdende elektrische contact, maar voegt een draaiende transformator, capacitieve koppeling of andere hardware voor veldvermogen toe, plus gelijkrichting en regeling. Ze verplaatst de afweging in plaats van die weg te nemen.
Vermogensdichtheid en kosten hangen ook af van de bekrachtigingseenheid, de ruimte voor de rotorwikkeling, de koeling en de dimensionering van de omvormer. Een goed ontworpen EESM kan sterk concurreren met permanentmagneet- en inductieaandrijvingen, maar geen enkele topologie wint op elk werkpunt.
Productievoorbeelden
BMW’s eDrive van de vijfde generatie gebruikt stroomgeëxciteerde synchroonmotoren in voertuigen als i4, i5, i7 en iX. BMW stelt dat het rotorveld elektrisch wordt geproduceerd, waardoor magnetische zeldzame-aardmaterialen in deze motoren kunnen worden weggelaten.
Ook Renault beschrijft zijn EESM-rotortechniek als een route zonder magneten en heeft deze voor meerdere elektrische aandrijflijnen ontwikkeld. De uitvoeringen van beide fabrikanten mogen niet als identiek worden beschouwd: Wikkeling, borsteleenheid, koeling, regeling, spanning en integratie blijven bedrijfseigen ontwerpkeuzes.
Bij het vergelijken van EESM-voertuigen zijn onder meer piek- en continuvermogen, maximaal toerental, de gecombineerde rendementskaart van motor en omvormer, bekrachtigingsmethode, koeling en de vraag of het opgegeven rendement het vermogen voor het rotorveld omvat nuttige gegevens.
Terug naar Electric Motors and Drive Units.