Power & Leistungselektronik Benzin war gestern

Elektromotoren kommen zunehmend als Fahrzeugantriebe zum Einsatz. Das gilt sowohl für Pkws als auch für Nutzfahrzeuge mit kurzer und mittlerer Reichweite. Wird der elektrische Energiespeicher außer Acht gelassen, dann sind solche Motoren und Umrichter viel kleiner, leichter und flexibler anzusteuern als Verbrennungsmotoren. Bei voller Leistung erreichen sie einen Wirkungsgrad von weit über 90 Prozent.

Für Fahrzeugantriebe gibt es diverse unterschiedliche E-Motortechnologien, wie zum Beispiel:

• AC-Induktionsmotoren (AC)

• Geschaltete Reluktanzmotoren (SR)

• PM-erregte, bürstenlose Synchronmotoren (PSM)

• PM-erregte, bürstenlose Synchronmotoren mit eingebetteten Magneten (IPM)

• Synchron-Reluktanzmotoren (SyR)

• Fremderregte Synchronmotoren (FSy)

Für die E-Mobility eignen sich insbesondere die IPM- und FSy-Technologien.

IPM Motoren

Der Aufbau eines IPM-Motors ist in Abbildung 1 zu sehen. Sein Stator ist konventionell aufgebaut, ähnlich wie bei AC- und PSM-Motoren, und die Magnete des Rotors liegen tief im Rotorblech, statt an der Oberfläche. Die Feldschwächung lässt sich durch den Phasenvorlauf des Stroms gegenüber der Gegen-EMK-Spannung erreichen. In der Praxis wird der Ankerstrom in zwei Komponenten gesplittet, beziehungsweise von der Steuerung so betrachtet und geregelt, die 90° zu einander versetzt sind. Die 90° Versetzung bezieht sich dabei auf den elektrischen Zyklus des Motors. Die eine Komponente ist der q-Anteil, der das Drehmoment erzeugt, die andere ist der d-Anteil, der das Permanentmagnetfeld überlagert und beeinflusst. Um sicher zu stellen, dass d- und q-Stromanteile gut bestimmt werden, muss der Steuerung jederzeit die Winkellage des Rotors gegenüber dem Stator bekannt sein. Hierfür ist ein Rotorlagegeber vorzusehen.

Ein Hauptproblem bei der Verwendung von Magneten zur Felderzeugung ist die Tatsache, dass das magnetische Feld permanent ansteht und sich schwer variieren lässt. Dadurch wirkt der Motor im Kurzschlussfall wie eine starke Bremse und das Moment bleibt bis maximale Geschwindigkeit nahezu konstant. Letzteres klingt zunächst vorteilhaft, schränkt aber den Geschwindigkeitsbereich ein. E-Mobility Anwender erwarten allerdings eine ähnliche Betriebscharakteristik wie bei Verbrennungsmaschinen. Das bedeutet ein konstantes Drehmoment bis ungefähr 2.000 UpM und eine konstante Leistung über einen erweiterten Geschwindigkeitsbereich bis über 6.000 UpM. Die Permanentmagnetmaschinen haben aber auch Vorteile. Sie sind kompakt und effizient. Die Variante mit eingebetteten Magneten im Rotor besitzt diese Vorteile und kann trotzdem feldgeschwächt werden; eine Voraussetzung für eine erweiterte Geschwindigkeitscharakteristik. Bei ihr ist außerdem der Kurzschlussstrom niedriger und besser beherrschbar.

FSy Motoren

Die Herstellung von FSy-Motorstatoren und Permanentmagnet-erregten Maschinen läuft sehr ähnlich ab. In beiden Fällen werden Wicklungen in eine relativ hohe Anzahl von Statornuten verteilt. Allerdings erfordert der Einsatz fremderregter Synchronmotoren zusätzlichen Elektronik- und Verkabelungsaufwand für die Bereitstellung der Erregerleistung auf der Rotorwicklung. Das kann mit Hilfe von Schleifringen oder induktiv über einen rotierenden Transformator erfolgen. Dank seiner extrem flexiblen Ansteuerbarkeit ist der FSy-Motor dennoch ein sehr interessanter Kandidat für E-Mobility Anwendungen.

Einer der großen Vorteile der fremderregte Synchronmaschine besteht darin, dass sich das magnetische Feld über einen großen Bereich direkt bestimmt lässt. Erreicht wird das, durch eine Veränderung des Stroms in einer der Rotorwicklungen. Die Felderzeugung verbraucht zwar etwas Energie, aber im Grenzbereich ist der Wirkungsgrad teilweise sogar besser, als bei Permanentmagnet-Maschinen. Um den maximalen Wirkungsgrad eines FSy-Motors unter allen Betriebsbedingungen zu erzielen, ist ein komplexer Algorithmus erforderlich; je nach Betriebspunkt gibt es ein jeweils optimales Verhältnis zwischen Anker- und Feldstrom. Auch die Geometrie der
Rotorpole lässt sich optimieren, um eine günstige Beziehung zwischen der Induktivität in der d- und q-Achse zu erzielen.

Feedback-Sensor

Für die Kommutierung und Geschwindigkeitsreglung eines E-Mobility-Motors ist es zu jedem Zeitpunkt erforderlich, die genaue Lage der Welle zu kennen. Zu dieser Forderung kommen weitere, wie Kompaktheit, Robustheit gegenüber Schock, Vibration und hohen Temperaturen und der Wunsch nach niedrigen Serienkosten, hinzu.

Der klassische, bürstenlose Resolver ist optimal an diese unterschiedlichsten Anforderungen anzupassen. Deswegen wird er aus den gleichen Materialien wie der Elektromotor gebaut und hält somit den gleichen extremen, mechanischen und thermischen Anforderungen und Umweltbedingungen stand. Es gibt außerdem eine wichtige Vereinfachungsmöglichkeit. Statt über einen zusätzlichen rotarischen Transformator kann das Erregungssignal mit der Sinus- und Cosinus-Wicklung über die variable Reluktanz gekoppelt werden. Diese ergibt sich aus dem geformten, drehenden Eisenrotor. Der Sensor wurde mit Hilfe eines validierten, elektromagnetischen FEM-Model entwickelt. Er lässt sich für fast jeden beliebigen Bauraum umskalieren. Sogar die Polzahl kann angepasst werden. Auch redundante Ausführungen für hohe Sicherheitsansprüche sind realisierbar.

Im Stator sind eine Erregerwicklung und zwei Sekundärspulen vorgesehen. Die Erregerwicklung wird mittels eines hochfrequenten sinusförmigen Signals, mit typischerweise 10 kHz, gespeist. Aufgrund der magnetischen Kopplung zwischen der Erregerwicklung und den Sekundärspulen und der besonderen Rotorform oszilliert diese Kopplung bei drehender Welle zwischen den Spulenpaaren elliptisch. Daraus ergibt sich als Einhüllen der Amplitudenmodulation ein 90° verschobenes Sinus-/ Cosinus-Signal, welches die absolute Positionsbestimmung ermöglicht.