Neuer Hybridfluss-Motor revolutioniert E-Auto-Antriebe
Eine bahnbrechende Entwicklung im Bereich der elektrischen Antriebstechnik könnte eine der robustesten und kosteneffizientesten Motorentechnologien für die breite Nutzung im Elektrofahrzeugmarkt fit machen. Forschende der China University of Mining and Technology und der Nanchang University haben einen neuartigen axial-radialen Hybridfluss-Schaltreluktanzmotor (ARFSRSRM) mit segmentierter Rotorstruktur vorgestellt, der speziell entwickelt wurde, um zwei der hartnäckigsten Nachteile dieser Technologie zu überwinden: hohes Drehmomentwelligkeit und geringe Drehmomentdichte.
Die Arbeit, geleitet von Dr. Wenju Yan und seinen Kollegen Hongwei Yang, Jun Xin, Hao Chen und Fengyuan Yu von der School of Electrical Engineering der China University of Mining and Technology sowie Qing Wang vom College of Information Engineering der Nanchang University, präsentiert eine überzeugende Lösung, die die Zukunft von Elektrofahrzeugantrieben neu gestalten könnte. Ihre Erkenntnisse, veröffentlicht in der angesehenen Fachzeitschrift Power System Protection and Control, demonstrieren einen signifikanten Leistungssprung für Schaltreluktanzmotoren (SRMs). Diese Art elektrischer Maschine ist bekannt für ihre Robustheit, Einfachheit und die Fähigkeit, über einen weiten Geschwindigkeitsbereich effizient zu arbeiten, ohne auf Permanentmagnete aus seltenen Erden angewiesen zu sein.
Die Bedeutung dieser Entwicklung ist nicht zu unterschätzen. Während Synchronmotoren mit Permanentmagneten (PMSMs) derzeit den Elektrofahrzeugmarkt dominieren, dank ihrer hohen Leistungsdichte und ihres ruhigen Betriebs, bringen sie erhebliche Nachteile mit sich. Dazu gehören hohe Materialkosten, Verwundbarkeiten in der Lieferkette im Zusammenhang mit seltenen Erden und komplizierte Anforderungen an das thermische Management. SRMs hingegen bestehen aus einfachen Stapeln von laminierter Stahl- und Kupferwicklung, was sie von Natur aus robuster, einfacher herzustellen und weniger anfällig für Entmagnetisierung bei hohen Temperaturen macht. Ihr Ruf für lauten, ruckeligen Betrieb – eine direkte Folge der hohen Drehmomentwelligkeit – war jedoch eine große Barriere für die Akzeptanz bei Verbrauchern in Personenkraftwagen.
Das neue Design von Dr. Yan und seinem Team geht dieses Problem direkt an. Die Kerninnovation liegt in der einzigartigen Topologie des Motors. Der ARFSRSRM verfügt über einen zentralen, segmentierten Rotor, der von einem axialen und einem radialen Statorsystem gemeinsam genutzt wird. Das axiale System verwendet eine Doppelstator-Einzelrotor-Konfiguration, bei der die Statoren an beiden Enden des Rotorstapels angeordnet sind. Das radiale System verfügt über einen konventionellen äußeren Stator, der den gleichen zentralen Rotor umgibt. Diese Zusammenlegung axialer und radialer magnetischer Kreise auf einem einzigen Rotor ermöglicht die verbesserte Leistung des Motors.
Der Schlüssel zum Erfolg des Designs ist seine Fähigkeit, einen „kurzen magnetischen Kreis“ zu schaffen, der eine einzigartige Eigenschaft besitzt: In der unverzahnten Rotorposition heben sich die von den axialen und radialen Statoren erzeugten magnetischen Flüsse gegenseitig auf. Diese Kompensation führt zu einer signifikant niedrigeren minimalen Induktivität der Motorwicklungen. Die Differenz zwischen der maximalen Induktivität (in der verzahnten Position) und dieser neuen, niedrigeren minimalen Induktivität ist ein entscheidender Faktor für die Bestimmung des Drehmoments, das ein SRM erzeugen kann. Eine größere Differenz bedeutet eine größere „magnetische Kohärenzenergie“, die sich direkt in ein höheres Ausgangsdrehmoment übersetzt. Dieses Prinzip bildet die Grundlage der erhöhten Drehmomentdichte des ARFSRSRM.
Die Forschenden führten eine umfassende Analyse durch, um ihr Design zu validieren. Zunächst stellten sie den theoretischen Rahmen auf, leiteten die Leistungsgleichungen ab und definierten die anfänglichen geometrischen Parameter basierend auf etablierten Designprinzipien für axiale und radiale Flussmaschinen. Das endgültige Design zielt auf eine Leistung von 1,5 kW bei 1000 U/min ab, eine häufige Anforderung für Hilfsantriebe oder kleinere Elektrofahrzeuge. Mit einem Außendurchmesser des Stators von 240 mm und eines Rotors von 175 mm ist der Motor so konzipiert, dass er kompakt ist und sich für die Integration in moderne Fahrzeugplattformen eignet.
Um die Leistung des Motors zu optimieren, setzte das Team eine ausgeklügelte multikriterielle Optimierungsstrategie unter Verwendung der Taguchi-Methode ein, einem robusten statistischen Ansatz für die Versuchsplanung. Sie identifizierten vier kritische strukturelle Parameter, die den größten Einfluss auf die Leistung des Motors haben würden: die Länge des radialen Statorpolstiefels (Ht), den Winkel des radialen Statorpolbogens mit Stiefel (βs1), die Breite des axialen Stator-Rotor-Polstiefel-Spalts (Wsro) und die Breite des Rotorschlitzes (Wrslot). Anstatt alle 256 möglichen Kombinationen dieser vier Parameter auf jeweils vier verschiedenen Niveaus auszuprobieren, ermöglichte die Taguchi-Methode die Auswahl eines sorgfältig konstruierten Satzes von 16 Experimenten. Dieser orthogonale Testmatrix-Ansatz reduzierte den Rechenaufwand für die Durchführung vollständiger 3D-Finite-Elemente-Methode (FEM)-Simulationen erheblich, lieferte aber dennoch statistisch signifikante Daten.
Der Optimierungsprozess konzentrierte sich auf drei Schlüsselleistungsindikatoren: mittleres Drehmoment (Tav), Glättefaktor für das Drehmoment (τ) und Drehmomentdichte (Tp). Der Glättefaktor für das Drehmoment, definiert als das Verhältnis des mittleren Drehmoments zur Differenz zwischen maximalem und minimalem Drehmoment, ist ein direktes Maß für die Drehmomentwelligkeit. Ein höherer Wert deutet auf einen ruhigeren, weniger pulsierenden Ausgang hin. Die Drehmomentdichte, gemessen in Newtonmeter pro Kubikmeter (N/m³), spiegelt wider, wie viel Drehmoment der Motor im Verhältnis zu seinem Volumen erzeugen kann, ein entscheidendes Maß für raumkritische Anwendungen im Automobilbau.
Durch die Analyse der Ergebnisse der 16 FEM-Simulationen berechneten die Forschenden eine „Gewichtungsmatrix“ für jedes Leistungsziel, die quantifizierte, wie stark jedes Parameterniveau das Ergebnis beeinflusste. Anschließend kombinierten sie diese Matrizen unter Verwendung gewichteter Faktoren (0,4 für mittleres Drehmoment, 0,3 für Glätte und 0,3 für Dichte), um eine einzelne, umfassende „Gesamtzielmatrix“ zu erhalten, die die beste allgemeine Kompromisslösung darstellte. Dieser systematische Ansatz identifizierte die optimale Parameterkombination als „1244“, was einer Länge des radialen Statorpolstiefels von 1,5 mm, einem Polbogenwinkel von 16 Grad, einer axialen Polspaltbreite von 10,5 mm und einer Rotorschlitzbreite von 17 mm entspricht.
Die Ergebnisse dieser Optimierung waren beeindruckend. Im Vergleich zum anfänglichen Design zeigte der optimierte ARFSRSRM eine Steigerung des mittleren Drehmoments um 23,4 %, eine Verbesserung des Glättefaktors für das Drehmoment um 19,54 % und eine erhebliche Steigerung der Drehmomentdichte um 32,7 %. Diese Gewinne sind nicht nur theoretisch; sie stellen eine greifbare Verbesserung der realen Motorleistung dar. Ein Motor mit höherer Drehmomentdichte kann bei gleicher Leistung kleiner und leichter gebaut werden, was die Effizienz und Reichweite des Fahrzeugs verbessert. Ein Motor mit einem höheren Glättefaktor erzeugt weniger Vibrationen und Geräusche, was zu einer raffinierteren und komfortableren Fahrerfahrung führt.
Um die Genauigkeit ihres Modells und die Gültigkeit ihrer Behauptungen zu überprüfen, führte das Forschungsteam einen strengen Validierungsprozess durch. Sie bezogen sich auf einen zuvor veröffentlichten Prototyp eines ähnlichen 12/10/12-ARFSRSRM-Motors, der im Labor gebaut und getestet worden war. Der Vergleich zwischen den simulierten Magnetkoppelungseigenschaften und den tatsächlich gemessenen Daten des physischen Prototyps zeigte eine enge Übereinstimmung und bestätigte so die Zuverlässigkeit ihres 3D-FEM-Modells. Darüber hinaus zeigten dynamische Simulationen des neuen 12/14/12-Designs unter Stromsteuerung durch Chopping (CCC) und Winkelpositionssteuerung (APC) Ergebnisse, die mit dem erwarteten Verhalten eines gut funktionierenden SRM übereinstimmten, was das Vertrauen in den Simulationsrahmen weiter stärkte.
Der eigentliche Beweis für die Überlegenheit des ARFSRSRM kam aus einem direkten Vergleich mit einem herkömmlichen radialen Fluss-Segmentrotor-Schaltreluktanzmotor (RFSRSRM) mit identischen Außenabmessungen und wesentlichen Strukturparametern. Dieser direkte Vergleich verdeutlichte die Vorteile des hybriden Designs. Statische FEM-Simulationen zeigten, dass der ARFSRSRM ein signifikant höheres Verhältnis von maximaler zu minimaler Induktivität erreichte (2,58 gegenüber 1,94 für den RFSRSRM). Dieser größere Induktivitätsschwingung ist die direkte Ursache für die erhöhte Drehmomentproduktion.
Die statischen Drehmomentwellenformen erzählten eine noch überzeugendere Geschichte. Als die Forschenden das Drehmomentverhalten der rein axialen, rein radialen und kombinierten axial-radialen Konfigurationen simulierten, stellten sie fest, dass das Gesamtdrehmoment, das vom Hybridmotor erzeugt wurde, größer war als die einfache Summe der Drehmomente aus den einzelnen axialen und radialen Komponenten. Dieser überadditive Effekt beweist, dass die beiden magnetischen Kreise nicht nur parallel arbeiten, sondern synergistisch miteinander wirken, um eine leistungsfähigere Ausgabe zu erzeugen, eine Schlüsselerkenntnis, die die Wirksamkeit des integrierten Designs unterstreicht.
Dynamische Simulationen unter realistischen Betriebsbedingungen bestätigten die Fähigkeiten des Motors weiter. Bei einer Simulation unter einer 96-V-Gleichspannungsversorgung lieferte der optimierte ARFSRSRM im CCC-Modus ein mittleres Drehmoment von 14,39 Nm bei 1000 U/min mit einem Glättefaktor von 1,13. Im APC-Modus bei 1500 U/min erzeugte er 9,54 Nm mittleres Drehmoment mit einem Glättefaktor von 0,83. Im Gegensatz dazu erzeugte der herkömmliche RFSRSRM unter ähnlichen Bedingungen ein geringeres mittleres Drehmoment (10 Nm bzw. 9 Nm) und zeigte eine höhere Drehmomentwelligkeit, was an der größeren Differenz zwischen maximalem und minimalem Drehmoment ersichtlich war. Die Drehmomentdichte des ARFSRSRM war ebenfalls deutlich höher und erreichte 5,9 x 10³ N/m³ im CCC-Modus gegenüber 3,92 x 10³ N/m³ für den RFSRSRM.
Über die reine Leistung und Glätte hinaus bewerteten die Forschenden auch die dynamische Reaktion des Motors. Simulationen eines „variablen Drehzahl“-Szenarios, bei dem die Motordrehzahl von 700 auf 900 U/min bei einer konstanten Last von 10 Nm erhöht wurde, und eines „variablen Last“-Szenarios, bei dem die Last von 8 auf 12 Nm bei einer konstanten Drehzahl von 1000 U/min erhöht wurde, zeigten, dass der ARFSRSRM einen stabilen Betrieb aufrechterhalten konnte, wobei sich die Drehzahl in beiden Fällen innerhalb von 0,15 Sekunden einpendelte. Diese schnelle Ansprechzeit ist für die präzise Steuerung erforderlich, die in modernen Elektrofahrzeugantrieben notwendig ist, insbesondere für Funktionen wie Rekuperatives Bremsen und Traktionskontrolle.
Die Implikationen dieser Forschung sind weitreichend. Indem Dr. Yan und seine Kollegen die beiden primären Schwächen von SRMs – Drehmomentwelligkeit und geringe Leistungsdichte – erfolgreich überwinden, haben sie diese von Natur aus robuste und kosteneffiziente Technologie einem breiteren Einsatz im Elektrofahrzeugmarkt viel näher gebracht. Die Eliminierung seltener Erden reduziert nicht nur die Materialkosten, sondern macht die Lieferkette für diese Motoren auch sicherer und weniger umweltschädlich. Die einfache, robuste Konstruktion deutet außerdem auf eine mögliche höhere Zuverlässigkeit und niedrigere Wartungskosten über die Lebensdauer des Fahrzeugs hin.
Das Design integriert auch mehrere praktische Merkmale, die seine Herstellbarkeit und Leistung verbessern. Die Verwendung eines segmentierten Rotors, der durch eine Epoxidharzscheibe fixiert wird, reduziert die Luftwiderstandsverluste und verbessert die Effizienz bei hohen Drehzahlen. Die doppelte axiale Statorstruktur sorgt für eine inhärente magnetische Kraftbalance, die Vibrationen minimiert und die Lagerlaufzeit verlängert. Das Konzept der „identischen Pole“, bei dem benachbarte Statorpole die gleiche Wicklungskonfiguration aufweisen, vereinfacht den Herstellungs- und Montageprozess.
Obwohl die aktuelle Forschung auf einem 1,5-kW-Prototyp basiert, sind die Designprinzipien skalierbar. Die modulare Natur des segmentierten Rotors und die Flexibilität der Hybridflusstopologie legen nahe, dass diese Architektur für eine breite Palette von Leistungsstufen angepasst werden könnte, von kleinen Stadt-Elektrofahrzeugen bis hin zu größeren Personenkraftwagen und sogar Nutzfahrzeugen. Der Erfolg dieses Projekts unterstreicht auch die Kraft der Kombination fortschrittlicher elektromagnetischer Modellierung mit systematischen Optimierungstechniken, um die Grenzen des Möglichen in der Elektromaschinentechnik zu erweitern.
Zusammenfassend stellt die Arbeit von Wenju Yan, Hongwei Yang, Jun Xin, Hao Chen, Fengyuan Yu und Qing Wang einen bedeutenden Fortschritt auf dem Gebiet des elektrischen Antriebs dar. Ihr axial-radialer Hybridfluss-Schaltreluktanzmotor ist nicht nur eine inkrementelle Verbesserung, sondern eine grundlegende Neubewertung der Art und Weise, wie magnetische Energie in einer elektrischen Maschine genutzt werden kann. Indem sie einen ruhigeren, leistungsfähigeren und kompakteren SRM liefern, eröffnen sie einen vielversprechenden neuen Weg für die Entwicklung von Elektrofahrzeugen der nächsten Generation, die nicht nur effizienter und nachhaltiger, sondern auch für eine breitere Konsumentengruppe erschwinglicher sind.
Wenju Yan, Hongwei Yang, Jun Xin, Hao Chen, Fengyuan Yu, Qing Wang, China University of Mining and Technology, Nanchang University, Power System Protection and Control, DOI: 10.19783/j.cnki.pspc.246010