Reluktansmotorer i elbilar

Reluktansmotorer skapar vridmoment genom att dra en magnetiskt asymmetrisk rotor mot det läge där det magnetiska flödet kan följa den enklaste vägen. Principen förekommer i flera motorfamiljer, bland annat magnetfria synkronreluktans- och switchade reluktansmaskiner samt konstruktioner som assisteras av permanentmagneter.

Reluktans är en magnetisk egenskap

Magnetisk reluktans är det motstånd som en magnetisk krets erbjuder det magnetiska flödet. En väg genom elplåt med hög permeabilitet har lägre reluktans än en väg genom luft eller en flödesbarriär. Om rotorn formas så att dess magnetiska egenskaper varierar med riktningen skapar det aktiverade statorfältet ett vridmoment som vill rikta in rotorns lågreluktansaxel mot fältet.

Motorstyrningsingenjörer beskriver rotorn med två vinkelräta magnetiska axlar. Direktaxeln d och kvadraturaxeln q har olika induktans i en salient rotor. Skillnaden gör att statorströmmen kan producera reluktansmoment. Effekten kräver inga permanentmagneter, men magneter kan läggas till för att kombinera magnet- och reluktansmoment.

Reluktans är därför inte begränsad till en enda produktbeteckning. Det är en momentbildande mekanism som också bidrar betydligt i många invändiga permanent-magnet synchronous motors.

Synkronreluktansmotorer

En synkronreluktansmotor, ofta förkortad SynRM, använder en laminerad stålrotor med flödesbarriärer eller annan geometri som skapar tydlig magnetisk saliens. Växelriktaren driver ett roterande statorfält, och rotorn följer fältet med synkron hastighet.

Rotorn kan sakna magneter, lindningar, släpringar och kortslutningsledare. Det kan minska materialkostnaden och rotorvärmen samtidigt som hög rotationshastighet möjliggörs. Utan permanentmagnetflöde skapar den strömlösa motorn inte heller samma mot-EMK som en permanentmagnetmaskin.

Nackdelen är att momentet beror på den möjliga skillnaden mellan d- och q-axelns induktans. Flödesbarriärer ökar skillnaden men tar bort stål från rotorn, försvårar den mekaniska konstruktionen och kan begränsa momenttätheten. Effektfaktor och strömbehov i växelriktaren kan också vara sämre än i en välkonstruerad permanentmagnetmaskin.

Permanentmagnetassisterad synkronreluktans

En permanentmagnetassisterad synkronreluktansmotor tillför en förhållandevis liten mängd magnetmaterial i en salient rotor. Magneterna bidrar med moment, förbättrar effektfaktorn och kan bredda det effektiva arbetsområdet, medan rotorgeometrin fortfarande ger en stor andel reluktansmoment.

Det finns ingen skarp fysisk gräns mellan denna familj och en synkronmotor med invändiga permanentmagneter. Tillverkare och forskare kan beskriva liknande rotorer olika beroende på om de vill betona magnetbidraget, reluktansbidraget eller minskad mängd sällsynta jordartsmetaller. De viktiga frågorna är hur mycket moment varje mekanism ger, hur mycket magnetmaterial som används och hur hela motorn presterar över sitt varvtals- och momentdiagram.

Switchade reluktansmotorer

En switchad reluktansmotor, eller SRM, har utpräglade poler på både stator och rotor. Rotorn består vanligen av ett paket elplåtslameller utan lindningar eller magneter. Koncentrerade statorspolar aktiveras i följd så att varje rotorpol dras mot ett uppriktat läge. Fasströmmen måste sedan minska före uppriktningen om fortsatt ström skulle skapa bromsmoment.

Principen skiljer sig från det ungefär sinusformade roterande fält som används av de flesta trefasiga traktionsmotorer. En konventionell SRM använder ofta en asymmetrisk omvandlare som kan magnetisera och avmagnetisera varje fas separat. Rotorlägesinformation och exakt tidsstyrd strömreglering är centrala för effektiv motordrift och regenerering.

Den enkla SRM-rotorn tål värme och hög hastighet, och elektriskt separata faser kan ge användbar feltolerans. Huvudutmaningarna är momentrippel, varierande radialkraft, akustiskt buller, icke-linjär magnetisk mättnad och en omvandlare vars spännings- och strömkrav måste beaktas tillsammans med motorn. En enkel rotor gör inte automatiskt hela drivsystemet enkelt.

Momentrippel och akustiskt beteende

Reluktansmomentet förändras när rotor- och statorpoler går in i och ut ur uppriktning. Om fasmomenten inte blandas mjukt uppstår pulser i axeln. Varierande radiella magnetkrafter kan också excitera resonanser i stator, hölje och infästningar och skapa tonalt ljud även när axelns genomsnittliga moment är stabilt.

Ingenjörerna hanterar effekterna tillsammans:

rotor- och statorpolernas form ändrar vågformerna för moment och radialkraft;
snedställning, segmentering och val av polbåge sprider kraftharmoniska;
strömprofilering och överlappande fasledning jämnar ut totalmomentet;
switchstrategin flyttar eller minskar störande spektralkomponenter;
höljets styvhet och isolering hindrar elektromagnetiska krafter från att bli kupébuller.

Att minska ett symptom kan förvärra ett annat. Mer fasöverlapp kan jämna ut momentet men öka kopparförlusten, medan vibrationsdämpande geometri kan påverka momenttäthet eller dimensionering av växelriktaren. Bäst resultat kräver gemensam optimering av elektromagnetik, omvandlare, styrning, struktur och kylning.

Reluktansmaskinernas plats i elbilar

Reluktansmaskiner är attraktiva när magnetförsörjning, rotortemperatur, hållfasthet vid hög hastighet eller feltolerans väger särskilt tungt. Magnetfria lösningar undviker också permanentmagnetiskt släpmoment och tomgångsspänning, även om förluster i lager, tätningar, växlar och olja kvarstår i en komplett drivenhet.

De är inte alltid mer hållbara eller billigare. Mer elplåt, koppar, halvledarkapacitet, akustisk behandling eller tillverkningskomplexitet kan uppväga magnetbesparingen. En rättvis jämförelse måste använda samma moment- och hastighetsområde, kylsystem, likspänning, växelriktargränser, körcykel och produktionsvolym.

För elbilsköpare säger motorbeteckningen ensam lite. Relevant bevisning är drivenhetens verkningsgradskarta, kontinuerliga effekt, ljudegenskaper och massa samt fordonets energiförbrukning.

Fortsätt genom motorserien

Gå tillbaka till Electric Motors and Drive Units för hela serien om motortyper, konstruktion, styrning, kylning, växlar och provning.