Geschalteter Reluktanzmotor für Elektrofahrzeuge

Geschalteter Reluktanzmotor (SRM)

Der geschaltete Reluktanzmotor (SRM) ist ein doppelt ausgeprägter Motortyp mit Phasenspulen, die um diametral gegenüberliegende Statorpole montiert sind. Es befinden sich keine Wicklungen oder Permanentmagnete am Rotor. Der Rotor ist im Grunde ein Stück (laminierter) Stahl und seine Form bildet ausgeprägte Pole. Der Stator hat konzentrierte Spulen.
Geschaltete Reluktanzmotoren (Switched Reluctance Motors, SRM) haben einen einfachen und robusten Aufbau und eignen sich daher im Allgemeinen für Hochgeschwindigkeitsanwendungen. Hochgeschwindigkeitsmotoren haben den Vorteil einer hohen Leistungsdichte, was bei Traktionsmotoren in Elektrofahrzeugen (EV) ein wichtiges Thema ist. Hochgeschwindigkeits-SRM scheint daher vielversprechende Kandidaten für diese Anwendung zu sein.

Solidworks-Modell eines geschalteten Reluktanzmotors

Der konstruierte geschaltete Reluktanzmotor ist als eine Dreiphasenmaschine definiert, die sechs innere Statorpole, acht äußere Rotorpole und eine Welle aufweist, wie in 1 gezeigt.

Abbildung 1 - 3D-Modell eines geschalteten Reluktanzmotors

EMS-Simulation des eingebauten Reluktanzmotors

Im EMS werden diese Motortypen mithilfe einer transienten magnetischen Simulation untersucht, die an eine Bewegung gekoppelt ist.
EMS berechnet die Magnetfelder im Zeitbereich. Die Größen, für die sich der transiente Magnet löst, sind die magnetische Flussdichte B, das Magnetfeld H und die Stromverteilung J; Abgeleitete Größen wie Kräfte, Drehmomente, Energie, Wicklungsverlust, Feststoffverlust, Flusskopplung, Induktivität, Widerstand und induzierte Spannung können aus diesen Grundfeldgrößen berechnet werden.
In dieser Simulation wurden Startzeit, Endzeit und Zeitinkrement auf 0 s, 0,24 s bzw. 0,0025 s eingestellt.

EMS-Studie an Solidworks gekoppelt

In dieser Simulation sind Rotor und Welle die beweglichen Teile. Diese Objekte verbleiben in einem Band, einem Luftbereich, der die sich bewegenden Komponenten vollständig einkapselt und keine festen Komponenten schneiden kann.
Der Rotor und die Welle bewegen sich in Reaktion auf eine durch die erregten Spulen induzierte EMK-Kraft. Bei jedem Schritt erfasst SolidWorks Motion den Drehmomentwert von EMS und verwendet diesen, um die neue Position von Rotor und Welle zu bestimmen. Dann wird die neue Position an EMS zurückgemeldet und basierend darauf wird der neue Drehmomentwert berechnet. Der Zyklus wird dann für alle Zeitschritte wiederholt.
Um die EMS-Studie mit Solid Works zu koppeln, wird die Bewegungsanalyse im Motion Manager in Solid Works ausgewählt. Dann wird an der Stirnseite der Welle ein Drehmoment von 0 Nm eingestellt. Dieses Drehmoment ist nur ein Platzhalter und der von EMS zu jedem Zeitschritt berechnete Istwert wird verwendet, um die Bewegung des Rotors anzutreiben.

In EMS wurde eine virtuelle Arbeit am Ursprung des Rotors und der Welle definiert und an das in der SolidWorks Motion-Studie definierte Drehmoment gekoppelt. Eine bewegungsgekoppelte EMS-Studie wird erstellt, indem die transiente magnetische Studie mit der SolidWorks Motion-Simulation gekoppelt wird.

Dieser Motor hat 6 Statorkerne, die durch drei Phasen erregt werden (zwei Statorpole liegen unter einer Phase). Diese Phasenspulen sind um diametral gegenüberliegende Statorpole montiert. In EMS wird jede Phasenspule (zwei Statorwicklungen) als gewickelte Spule mit 120 Windungen und einem Durchmesser von 9 AWG modelliert. In Abbildung 2 sind die Stromeingangsanschlüsse für die drei Phasenspulen dargestellt. Abbildung 3 zeigt die Stromerregung der drei Spulen, wobei die Stromamplitude 45 A beträgt.

Abbildung 2 - Stromeingangsöffnungen für die drei gewickelten Spulen

Abbildung 3 - Stromerregung der drei Phasen

Material

Das simulierte Modell besteht aus einem Stator, einem Rotor, einer Welle, Spulen, einer Innenluft, einem Band und einer Außenluft. Die Eigenschaften der Materialien sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

Tabelle 1: In der EMS-Simulation verwendete Materialien

Berechnung der magnetischen Flussdichte

Vom geschalteten Reluktanzmotor erzeugte 3D-Felder

EMS erstellt 3D-Diagramme der magnetischen Flussdichte. Die Abbildungen 4 und 5 zeigen das 3D-Vektordiagramm und das 3D-Diagramm der magnetischen Flussdichte.

Abbildung 4 - 3D-Vektordiagramm der magnetischen Flussdichte

Abbildung 5 - 3D-Darstellung der magnetischen Flussdichte

Fazit

Mit diesem EMS können in Verbindung mit SolidWorks Motion elektrische Maschinen wie z. B. geschaltete Reluktanzmotoren untersucht werden. Unter Verwendung von EMS und für jede Rotorposition können die magnetische Flussdichte, die magnetische Feldstärke usw. leicht berechnet und in 3D visualisiert werden.

Verweise