Ein neuartiger, auf Rotorharmonischen basierender, hocheffizienter selbstangeregter bürstenloser Synchronmotor mit aufgeprägter Wicklung und verbesserter Drehmomentcharakteristik

Warum eine neue Motorklasse wichtig ist

Elektrische Motoren stecken in fast allem, was sich im modernen Leben bewegt — von Fabrikrobotern über Elektroautos bis zu Haushaltsgeräten. Viele der heute effizientesten Motoren setzen auf Permanentmagnete aus Seltenen Erden, die teuer sind und von Lieferengpässen bedroht werden können. Dieser Beitrag beschreibt einen anderen Ansatz: ein kompaktes Motorkonzept, das hohe Drehmomente liefert, ohne Permanentmagneten oder empfindliche Bürstenkontakte zu verwenden. Das könnte leistungsfähige elektrische Antriebe günstiger, langlebiger und wartungsärmer machen.

Motoren ohne teure Magnete

Standardmäßig hocheffiziente Motoren nutzen oft starke Permanentmagnete am rotierenden Kern. Diese liefern ein konstantes Magnetfeld, das bei Nennlast für hohe Effizienz sorgt, bei Teillast jedoch Energie verschwendet und die Regelung über ein breites Drehzahlband erschwert. Außerdem sind sie auf Seltene-Erden-Metalle angewiesen, deren Preise und Verfügbarkeit stark schwanken können. Eine Alternative ist der gewickelte Rotor-Synchronmotor, bei dem das Rotorfeld mit Kupferspulen statt mit Magneten erzeugt wird. Traditionelle Ausführungen dieser Maschinen benötigen allerdings Bürsten und Schleifringe, um Strom in den drehenden Rotor zu führen — was Verschleiß, Funkenbildung, Verluste und erhöhten Wartungsaufwand nach sich zieht.

Bürstenlose Entwürfe und ihre Grenzen

Forscher arbeiten seit Jahren daran, Motoren zu entwickeln, die die Regelbarkeit gewickelter Rotoren mit den wartungsarmen Vorteilen bürstenloser Bauweisen verbinden. Viele vorgeschlagene bürstenlose gewickelte-rotor-Maschinen nutzen zusätzliche Wicklungen und mehrere Leistungselektronik-Module, um Energie ohne direkte elektrische Kontakte in den Rotor zu übertragen. Häufig stützen sie sich auf gezielt geformte Magnetfelder mit kleinen Unregelmäßigkeiten, sogenannten Harmonischen, die Ströme in speziellen Rotorwicklungen induzieren können. Solche Konzepte funktionieren zwar, sind aber oft komplex — sie erfordern zusätzliche Wechselrichter, zusätzliche Statorwicklungen oder Permanentmagnete, was die Kosten erhöht und die Drehmomentdichte begrenzen kann.

Die verborgenen magnetischen Welligkeiten klüger nutzen

Die Autoren bauen auf einer jüngeren Idee auf, die ein bereits vorhandenes "Subharmonisches" im magnetischen Feld des Stators nutzt, um im Rotor Energie zu erzeugen. Anstatt auf der stationären Seite weitere Hardware hinzuzufügen, konzentrieren sie sich auf die Neugestaltung des Rotors. In früheren Entwürfen waren nur die Hälfte der verfügbaren Rotorstege mit einer speziellen harmonischen Wicklung bestückt, die dieses Subharmonische aufnimmt und an einen Gleichrichter weitergibt, der dann Gleichstrom für die Hauptfeldwicklung liefert. Der neue Ansatz nutzt den bislang ungenutzten Raum, indem er eine zweite, identische harmonische Wicklung in die freien Rotorstege einbaut und die beiden über einen Kondensator koppelt, sodass ihre Wechselströme synchron bleiben.

Wie der neue Rotor das Drehmoment erhöht

Wenn dreiphasiger Strom aus einem einzigen Wechselrichter durch die Statorwicklungen fließt, erzeugt er sowohl das Hauptrotationsfeld als auch eine starke subharmonische Komponente. Dieses Subharmonische streicht an den beiden harmonischen Wicklungen im Rotor vorbei und induziert in jeder von ihnen Wechselströme. Diese beiden Ströme werden zusammengeführt und passieren einen auf dem Rotor montierten kleinen Gleichrichter, der das kombinierte Signal in einen gleichmäßigen Gleichstrom für die Hauptfeldwicklung umwandelt. Da nun zwei harmonische Wicklungen statt einer vorhanden sind, wird mehr Strom aus dem selben Statorinput gewonnen, wodurch das Rotorfeld gestärkt wird, ohne zusätzliche externe Leistungselektronik. Finite-Elemente-Simulationen eines 8-Pol-/12-Zahn-Prototyps zeigen, dass der mittlere Feldstrom im neuen Design im Vergleich zur früheren Einwicklungsvariante um nahezu 30 Prozent ansteigt.

Leistungsgewinne unter realistischen Bedingungen

Das stärkere Rotorfeld führt unmittelbar zu mehr Drehmoment und Leistung. Bei gleicher Drehzahl und gleichem Statorstrom erzeugt die neue Maschine ein mittleres Drehmoment von etwa 10,25 Newtonmetern gegenüber 8,39 Newtonmetern im Referenzentwurf — eine Steigerung von 22,15 Prozent. Die Ausgangsleistung steigt im gleichen Maße, während der Wirkungsgrad leicht auf nahezu 93 Prozent ansteigt. Wichtig ist, dass die Drehmomentwelligkeit, ein Indikator für die Laufruhe, sehr gering bleibt (unter einem Prozent), sodass die zusätzliche Wicklung keine unerwünschten Vibrationen verursacht. Die magnetischen Flussdichten im Eisenkern bleiben unterhalb der Sättigungsgrenze, was anzeigt, dass die verbesserte Leistung nicht mit Überhitzung oder übermäßiger Materialbeanspruchung einhergeht.

Was das für künftige elektrische Antriebe bedeutet

Kurz gesagt zeigen die Forschenden, dass eine intelligente Umverteilung von Kupfer im Rotor deutlich mehr nutzbare Kraft aus einem Motor pressen kann, ohne äußere Abmessungen, Stromversorgung oder Statorbau zu ändern. Durch das Füllen ungenutzter Rotorstege mit einer zweiten harmonischen Wicklung und die Nutzung eingebauter magnetischer Welligkeiten als kostenlose Energietransferstrecke erreicht ihre bürstenlose gewickelte-rotor-Maschine höheres Drehmoment, ruhigen Lauf und leicht verbesserten Wirkungsgrad — und vermeidet zugleich teure Permanentmagnete und wartungsintensive Bürsten vollständig. Solche Motoren könnten für Elektrofahrzeuge und andere hochdrehmomentige Anwendungen attraktiv werden, wo Kosten, Zuverlässigkeit und Versorgungssicherheit ebenso wichtig sind wie die reine Leistung.

Zitation: ul Haq, M.A., Farooq, H., Liaqat, R. et al. A novel rotor harmonic winding-based high efficient self-excited brushless wound rotor synchronous machine with improved torque features. Sci Rep 16, 9267 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38287-z

Schlüsselwörter: bürstenloser gewickelter Rotorantrieb, hochdrehmomentige elektrische Maschinen, Antriebe ohne Permanentmagnet, selbstangeregte Rotorwicklung, Traktion für Elektrofahrzeuge