Variabele-reluctantiemotoren: typen, werking en toepassingen

De variabele-reluctantiemotor werkt op het principe dat een onbeperkt ijzerstuk van nature beweegt om een magnetische fluxbaan met minimale reluctantie te voltooien, het magnetische equivalent van elektrische weerstand.

Synchrone reluctantie

Wanneer het draaiende veld van een grote synchronemotor met saillante polen ontprikkeld wordt, kan het nog steeds 10–15% van zijn nominale synchrone koppel produceren. Deze residuele koppel ontstaat door de variërende reluctantie rond de rotor tijdens een omwenteling. Hoewel niet commercieel haalbaar voor grote motoren, zijn synchrone-reluctantieontwerpen praktisch en kosteneffectief op kleinere schaal.

Door passende sleuven toe te voegen aan de roter zonder geleiders van een inductiemotor, wordt een synchrone-reluctantiemotor verkregen. Hij start als een inductiemotor maar vergrendelt snel in een laag-niveau synchroon koppel gedreven door de veranderende reluctantie naarmate stator- en rotorsleuven uitlijnen.

Zulke motoren leveren matige synchrone koppel, maar lijden onder lage cosinus phi, beperkte uittrekkoppel en verminderd rendement – beperkingen die bleven bestaan tot de komst van halfgeleider-vermogenssturing.

Geschakelde reluctantie

Een geschakelde-reluctantiemotor (SRM) bestaat uit een ijzeren rotor met polen maar zonder wikkeling, gekoppeld aan een multi-fasige stator. Wanneer een statorpoolpaar geënergiseerd wordt, draait de rotor naar de baan van minste magnetische reluctantie, zoals geïllustreerd hieronder.

Achtereenvolgende faseschakeling drijft de rotor stap-voor-stap voort, volgend de magnetische flux die altijd de baan van laagste reluctantie zoekt. Het volgende vereenvoudigde diagram toont de rotormovements en bijbehorende golfvormen.

Als één uiteinde van elke 3-fasige wikkeling gemeenschappelijk is, kan de SRM worden aangedreven als een stapelmotor: een golfaandrijving trekt elke spoel om beurten naar de grond, waardoor de rotor in 60°-stappen vooruitgaat. Meerdere golfvormen zijn mogelijk: unipolaire golfaandrijving (a), bipolaire volle stap (b), 6-stap sinusbenadering (c), en echte sinusgolf (d) gegenereerd door PWM.

Verdubbeling van het aantal statorpolen verlaagt de snelheid en verhoogt het koppel, wat vaak de noodzaak voor tandwielreductie ontneemt. Wanneer de motor bedoeld is voor discrete stappen, stoppen en starten, wordt hij aangeduid als variabele-reluctantiestapelmotor.

Elektronisch-aangedreven variabele-reluctantiemotor

Hoewel SRMs slecht presteren wanneer rechtstreeks van het net gevoed, maken moderne microprocessoren en vaste-staat-stuurprogramma's ze tot economische, hoogpresterende oplossingen voor hoog-volume toepassingen.

Achtereenvolgens schakelen van de veldspoelen genereert een draaiend magnetisch veld dat de onregelmatig gevormde rotor meesleept langs de baan van minste reluctantie. Echter, de koppel-stroomrelatie is sterk niet-lineair, wat nauwkeurige controle essentieel maakt.

Het elektronisch-aangedreven ontwerp spiegelt een borstelloze DC-motor maar mist een permanentmagnetische rotor, wat de constructie vereenvoudigt. Hoewel de controller complexer is dan voor een BLDC, elimineert hij borstels, kommutatoren en rotorwikkelingen, wat de productiekosten voor grote series verlaagt.

Effectieve controle vereist nauwkeurige rotorpositiemeting – typisch via optische of magnetische encoders – of terug-EMF monitoring. Een microprocessor voert dan gesofisticeerde schakelalgoritmen uit, vaak binnen een servo-lus, om koppel en snelheid te regelen en rimpelkoppel en hoorbare ruis te minimaliseren.

Omdat rimpelkoppel geminimaliseerd wordt, blinken deze motoren in continue hoog-snelheidsbedrijf. Ze worden al gebruikt in energiezuinige stofzuiger-ventilatoren, industriële pompen en hoge-snelheids ventilatormotoren, zoals een 100.000 rpm ventilator in een moderne stofzuiger.

Voordelen

• Eenvoudige, borstelloze constructie – geen kommutator, rotorwikkelingen of permanentmagneten.
• Hoog rendement en betrouwbaarheid vergeleken met conventionele AC of DC motoren.
• Robuust startkoppel.
• Kosteneffectief bij hoge productievolumes.
• Uitstekende prestaties bij hoge omgevingstemperaturen.
• Nauwkeurige snelheidscontrole haalbaar bij hoge-volumefabrikage.

Nadelen

• Niet-lineaire koppel-stroomkarakteristiek bemoeilijkt controle.
• Nauwkeurige faseschakeling vereist om rimpelkoppel te onderdrukken.
• Fasestroomregeling essentieel voor gladde werking.
• Potentiële akoestische en elektrische ruis.
• Niet geschikt voor lage-volume productie door complexe controlebehoefte.