Elektriskt exciterade synkronmotorer
En elektriskt exciterad synkronmotor (EESM) ersätter permanenta rotormagneter med en elektromagnet vars fält kan justeras medan fordonet körs. Den kallas även synkronmotor med lindat fält (WFSM), synkronmotor med lindad rotor (WRSM) eller strömexciterad synkronmotor.
Så fungerar den
Traktionsväxelriktaren matar statorn med reglerad trefasström, precis som i andra AC-drivmotorer. En separat exciteringskrets tillför likström till lindningar på rotorn. Denna DC skapar magnetiska poler som låser mot statorns roterande fält, så att rotorn löper synkront med det.
I en konventionell fordonskonstruktion ligger stationära borstar mot släpringar på den roterande axeln för att överföra exciteringsström. Borstenheten är kompakt och innesluten i drivenheten; den är inte kommutatorn i en borstad DC-drivmotor. Borstlösa exciterare baserade på induktiv, kapacitiv eller transformatorliknande kraftöverföring är en annan konstruktionsväg, men de tillför komponenter och reglerkrav.
Rotorfältet skapas av DC-excitering, inte genom att ett externt motstånd läggs till en lindad induktionsrotor. Varvtal och vridmoment regleras genom statorström, elektrisk frekvens, strömvinkel och rotorns fältström.
Ett magnetfält som kan justeras
Permanentmagneter ger i huvudsak ett fast rotorflöde. En EESM ger regleringen ytterligare en frihetsgrad: exciteringsströmmen.
Vid högt vridmoment kan regleringen förstärka rotorfältet inom termiska, växelriktar- och magnetiska gränser. Vid låg belastning kan exciteringen minskas så att inte mer flöde än driftpunkten kräver upprätthålls. Vid högt varvtal kan fältet försvagas direkt, vilket minskar den motriktade elektromotoriska kraften utan fullständigt beroende av motverkande statorström.
Flexibiliteten kan bredda det effektiva driftområdet och förenkla fältförsvagning vid högt varvtal. Den bästa strömkombinationen är fortfarande en systemoptimering: kopparförluster i statorn, exciteringsförluster i rotorn, växelriktarförluster, spänning, vridmoment, varvtal och temperatur måste beaktas tillsammans.
Därför väljer tillverkarna den
Rotorn behöver inga permanentmagneter, så konstruktionen kan undvika de sällsynta jordartsmetaller som ofta används i PMSM med hög effekttäthet. Det förändrar exponeringen mot magnetpriser och bearbetningskedjor, även om den fullständiga motorn fortfarande använder betydande mängder koppar och elplåt.
Reglerbart flöde är användbart över ett brett varvtalsområde. När en axel inte producerar vridmoment kan fältströmmen minskas eller tas bort, vilket begränsar magnetiskt inducerade förluster. Vid ett fel kan styrsystemet också ta bort rotorexciteringen, även om lagrad magnetisk energi och inducerad spänning fortfarande måste hanteras säkert.
Arkitekturen kan ge hög effekt och stabil drift vid högt varvtal. Fördelen är inte ”kostnadsfri verkningsgrad”: energin som används för att excitera rotorn ingår i förlustberäkningen.
De tekniska kostnaderna
Rotorexciteringen skapar I²R-kopparförluster i en roterande del. Värmen måste passera genom rotor, axel, luftgap eller en intern kylmedelskanal, och exciteringsförsörjningen förbrukar effekt som en permanentmagnet inte behöver.
Borstar och släpringar medför slitytor, hantering av partiklar, kontaktresistans och ytterligare ett möjligt felfall. Fordonssystem konstrueras som förseglade enheter med lång livslängd, inte som industrisläpringar som servas regelbundet, så ett allmänt underhållsschema kan inte antas. Hållbarheten beror på borstmaterial, strömtäthet, axelvarvtal, tätning, kylning, vibration och tillverkarens konstruktionsmål.
Borstlös excitering tar bort den glidande elektriska kontakten men lägger till en roterande transformator, kapacitiv kopplare eller annan maskinvara för fältkraft samt likriktning och reglering. Den flyttar kompromissen i stället för att eliminera den.
Effekttäthet och kostnad beror också på exciteringsenheten, utrymmet för rotorlindningen, kylningen och växelriktarens dimensionering. En välkonstruerad EESM kan konkurrera starkt med permanentmagnet- och induktionsdrifter, men ingen enskild topologi vinner vid varje driftpunkt.
Produktionsexempel
BMW:s femte generation eDrive använder strömexciterade synkronmotorer i fordon som i4, i5, i7 och iX. BMW uppger att rotorfältet skapas elektriskt, vilket gör det möjligt att utelämna magnetiska material med sällsynta jordartsmetaller från dessa motorer.
Renault beskriver också sin EESM-rotorteknik som en väg utan magneter och har utvecklat den för flera elektriska drivlinor. De två tillverkarnas lösningar ska inte antas vara identiska: lindning, borstenhet, kylning, reglering, spänning och integration är fortsatt företagsinterna konstruktionsval.
Vid jämförelse av EESM-fordon är användbara uppgifter bland annat topp- och kontinuerlig effekt, maximalt varvtal, den kombinerade verkningsgradskartan för motor och växelriktare, exciteringsmetod, kylning och om den angivna verkningsgraden omfattar rotorfältets effekt.
Tillbaka till Electric Motors and Drive Units.