E-Motor im Autoreifen

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Sensorlose SVPWM-DTC von AFPMSM für Elektrofahrzeuge

Ägyptische Forscher (Saber M. Saleh und Amir Y. Hassan) beschreiben am 30.05.2022 (open access) in Nature die Vorteile des Axialfluss-Permanentmagnet-Synchronmotors (AFPMSM), auch Scheibenläufermotor (englisch auch pancake motor, disc motor oder printed motor) genannt. Dieser Elektromotor hat eine Scheibe als Rotor (Läufer), und auch die stromdurchflossenen Wicklungen haben  die Form einer Scheibe. Scheibenläufer sind dadurch charakterisiert, dass das Magnetfeld parallel zur Drehachse verläuft. Der Motor-Durchmesser ist größer als ihre Länge.

In-Rad-E-Motor: AFPMS-Motor (Axialfluss-Permanentmagnet-Synchronmotor-Modell) mit Radantrieb für die Anwendung in Elektrofahrzeugen – © nature.com, open access

Abstract aus Nature

Der Axialfluss-Permanentmagnet-Synchronmotor (AFPMSM) ist leichter, hat ein höheres Leistungsgewicht, ist kürzer, preiswerter und hat einen höheren Wirkungsgrad als ein Radialflussmotor. Daher ist der AFPMSM für den Antrieb von Elektrofahrzeugen besser geeignet als der Radialflussmotor. Die im diesem Papier vorgeschlagene Technik ist die sensorlose SVPWM-DTC des AFPMSM für den Antrieb von Elektrofahrzeugen. Die sensorlose Forschung gewinnt in diesem Fall an Bedeutung, da der Axialmotor aufgrund seiner kompakten Größe und Form, die den Reifen ähnelt, im Inneren des Fahrzeugreifens untergebracht werden kann. DTC bietet dem Fahrer während der Fahrt weniger Schwankungen, was der Sicherheit und dem Komfort dient. SVPWM wird wegen seiner hohen Leistung bevorzugt. Wenn die Geschwindigkeit mit einem sensorlosen Schätzer gemessen wird, wird die Ungenauigkeit des Sensors minimiert, und der AFPMS-Motor kann im Reifen montiert werden. Das Steuerungssystem wurde mit zwei EV-Fahrzyklen getestet, und die Ergebnisse versprechen eine hohe Leistung. NEFZ- und HWFET-Fahrzyklen werden verwendet, um das vorgeschlagene Kontrollschema in einer Zeit zu testen, die 100 Mal kürzer ist als die der tatsächlichen Fahrzyklen, um die Kohärenz des sensorlosen Schätzers zu prüfen. Die Ergebnisse zeigen, dass die vorgeschlagene Technik für Echtzeitanwendungen mit hoher Leistung, minimalen Drehmomentschwankungen und minimalen Übergangsfehlern und Fehlern im stationären Zustand geeignet ist.

Einführung

Elektrofahrzeuge sind besser für die Umwelt, wenn ihr Strom eine erneuerbare Ressource ist. Außerdem erfordern sie weniger häufige und weniger kostspielige Wartungsarbeiten. EVs sind leiser als kraftstoffbetriebene Fahrzeuge. Besitzer von Elektroautos können Steuergutschriften in Anspruch nehmen, und mancherorts gibt es sogar spezielle Autobahnstrecken für E-Fahrzeuge. Kraftstoffbetriebene Autos haben allerdings eine größere Reichweite. Die Ladezeit für Elektroautos kann länger sein, ist aber weniger teuer als bei kraftstoffbetriebenen Fahrzeugen. Die Verfügbarkeit von Ladestationen kann begrenzt sein, und es sind weniger Modelle verfügbar.

Zum  Antrieb von E-Fahrzeugen werden Gleichstrom-Serienmotoren, bürstenlose Gleichstrommotoren, Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM), Dreiphasen-Wechselstrom-Induktionsmotoren und geschaltete Reluktanzmotoren verwendet. PMSM-Motoren werden für den Antrieb von E-Fahrzeugen empfohlen, da sie einen hohen Wirkungsgrad, eine hohe Robustheit und ein hohes Drehmoment-Strom-Verhältnis aufweisen. AFPMSM sind für den Antrieb von Fahrzeugen besser geeignet als Radialflussmotoren, da sie einen höheren Wirkungsgrad, ein geringeres Gewicht, eine kürzere Länge, niedrigere Kosten und ein höheres Drehmoment aufweisen.

Die AFPMSM-Idee umfasst eine Vielzahl von Architekturen auf der Grundlage von Rotor- und Stator-Kombinationen. Einzelrotor-Einzelstator, Doppelrotor-Einzelstator, Einzelrotor-Doppelstator und Multirotor-Multistator sind die vier verschiedenen Typen von AFPMSM. Sie können eine geschlitzte oder schlitzlose Statorstruktur und Permanentmagnete auf der Rotorscheibenoberfläche oder innerhalb der Rotorscheibe haben. Der Hauptfluss verläuft axial durch die Rotorscheibe oder in Umfangsrichtung um sie herum. Der Rotor der Aufbau-Konstruktion ist extrem dünn, insbesondere wenn die Magnete innerhalb eines nicht-ferromagnetischen Rotorkerns angeordnet sind. Wenn die Permanentmagnete in der Rotorscheibe eingelassen sind, ist eine wesentlich dickere Rotorscheibe erforderlich, was die Leistungsdichte der Maschine verringert, während die Statorstruktur der Maschine gleich bleibt. Da der Rotor kein Eisen enthält, bietet die Architektur des Axialfluss-Innenrotors (AFIR) ein sehr hohes Verhältnis von Leistung zu Trägheit, was ihn ideal für Anwendungen macht, die eine geringe Trägheit erfordern.

Niedrige Kosten und hohe Zuverlässigkeit machen geregelte Elektromotoren attraktiv. Sensorlos bedeutet, dass es keine elektrischen Sensoren gibt, die die Motordrehzahl messen. PMSMs werden mehr als je zuvor in Servosteuerungssystemen eingesetzt. Drehzahlsensoren bieten eine Rückkopplungsregelung für Servoregelungssysteme, was zu einer hervorragenden Leistung führt. Für Anwendungen wie ein Elektrofahrzeug haben Wellensensoren jedoch Nachteile, wie z. B. höhere Systemkosten, Motorgröße und Zuverlässigkeit. Daher wurden umfangreiche Forschungsarbeiten zur Eliminierung von Drehzahlsensoren in Servomotorensystemen durchgeführt, um diese Schwierigkeiten zu überwinden. In dieser Studie wird ein sensorloser Schätzer verwendet, der sich an einer Referenzgeschwindigkeit orientiert, um Änderungen der Treiberreferenzgeschwindigkeit auszugleichen. DTC ist eine der Möglichkeiten, die in frequenzvariablen Antrieben zur Regelung der Drehzahl von Drehstrommotoren eingesetzt werden. Durch die Messung der Motorspannung und des Motorstroms kann eine grobe Annäherung an den magnetischen Fluss und das Drehmoment des Motors berechnet werden. Die SVPWM-Technik wird nach dem DTC eingesetzt, um die pulsbreitenmodulierten Signale für die Wechselrichterschalter zu ermitteln, die die erforderlichen Drehstromspannungen für die Motoren liefern.

Die vorgeschlagene Technik verwendet eine sensorlose DTC-SVPWM-Steuerungsstrategie für AFPMSM-Motorantriebssysteme für Elektrofahrzeuge. Drehmomentschwankungen während der Fahrt können sich sowohl auf den Komfort als auch auf die Sicherheit des Fahrers auswirken. Aus Gründen der Sicherheit und des Komforts sorgt DTC für geringere Schwankungen für den Fahrer während der Fahrt. SVPWM wird empfohlen, weil damit ein höherer PF, ein geringerer THD-Wert, geringere Schaltverluste, ein hoher Wirkungsgrad und eine gute Leistung erreicht werden. Ein sensorloser Schätzer wird verwendet, um die Ungenauigkeit der Sensoren bei der Überwachung der Geschwindigkeit zu verringern, und der Motor kann bei Verwendung des sensorlosen Schätzers auch in den Reifen eingesetzt werden. Einzelstator-Einzelrotor-, Einzelstator-Doppelrotor- und Doppelstator-Einzelrotorstrukturen sind die Strukturen, die für den Einsatz im Rad am ehesten akzeptabel sind. Allerdings ist die Einzelrotor-Einzelstator-Struktur, insbesondere die oberflächenmontierte Struktur, aufgrund ihrer geringen Dicke am besten geeignet.

Der Axialfluss-Permanentmagnet-Synchronmotor (AFPMSM) ist eine fortschrittliche Technologie, die für Anwendungen im Multi-Megawatt-Bereich eingesetzt werden kann und für Anwendungen geeignet ist, die ein hohes Drehmoment bei niedriger Geschwindigkeit erfordern, wie z. B. elektrische Traktionen. Axialflussmotoren verbrauchen weniger Material und können auch eine höhere Leistungsdichte als Radialflussmotoren liefern, was bedeutet, dass Axialflussmotoren für E-Autos geeignet sind. Axialflussmotoren sind besser als Radialflussmotoren, da Radialflussmotoren schwerer sind als Axialflussmotoren, länger sind als Axialmotoren und der Wirkungsgrad von Axialflussmotoren höher ist.

DTC ist eine Vektorsteuerungstechnik. Mit DTC können Statorfluss und Drehmoment des Induktionsmotors separat gesteuert werden. Während des Schätzungsprozesses treten jedoch einige Fehler im System auf, die die Leistung des Antriebs verschlechtern, und auch die Schaltfrequenz des Umrichters wird verändert. Der Fehler, der im System auftritt, ist auf die Zwischenkreisspannung zurückzuführen. Zur Verbesserung der Antriebsleistung durch Reduzierung des Fehlers aufgrund der Zwischenkreisspannung und zur Aufrechterhaltung einer konstanten Schaltfrequenz wird hier die SVPWM-Technik verwendet. Mit dieser Modulationstechnik wird der Raumvektor der Statorspannung durch die Bereitstellung einer geeigneten Schaltfolge für den Wechselrichter gesteuert. Die SVPWM-Technik nutzt die volle Zwischenkreisspannung, wodurch der Oberwellengehalt reduziert wird. Um die Schaltfolge konstant zu halten, werden die erforderlichen Zwischenkreisspannungen für den Wechselrichter durch einen PI-Regler erzeugt. Der PI-Regler reduziert die Restwelligkeit der Regelparameter.

Schlussfolgerung

Der AFPMSM ist für den Einsatz im Fahrzeugreifen geeignet, insbesondere mit einem sensorlosen Geschwindigkeitsmesssystem. In diesem Beitrag wird die Anwendung eines PI-DTC auf Basis eines sensorlosen Schätzers für die Referenzgeschwindigkeit vorgestellt, um die Geschwindigkeit des Axialflussmotors für den Antrieb von Elektrofahrzeugen zu steuern. Der DTC stellt sicher, dass die Sicherheit und der Komfort des Fahrers während der Fahrt nicht beeinträchtigt werden. Mit einem geringeren Schaltverlust, einer niedrigeren THD-Rate und einem besseren Leistungsfaktor (PF) ist SVPWM die bevorzugte Lösung. Es wird ein sensorloses Geschwindigkeitsmesssystem verwendet. Das Kontrollsystem wird in zwei Fahrzyklen getestet, und die Ergebnisse zeigen, dass es sich hervorragend bewährt. NEFZ- und HWFET-Fahrzyklen werden verwendet, um die Systemsteuerung mit einer Zeit zu testen, die weniger als 100 Mal so lang ist wie die tatsächliche Zeit, um die Kohärenz des sensorlosen Schätzers zu prüfen. Die Reglerergebnisse mit dem sensorlosen Schätzer für die NEFZ- und HWFET-Fahrzyklen weisen eine hohe Leistungsfähigkeit und einen minimalen Einschwing- und Gleichgewichtsfehler auf. Die Reaktion des Steuerungssystems auf die vorgeschlagene Methode zeigt, dass das minimale Überschwingen (0,11 %), geringe stationäre Fehler (0,22 %) und eine geringe Anstiegszeit (0,05 s) als stationäre und instationäre Leistung zu verzeichnen sind.

->Quellen: