Leistungsorientierter Switched-Reluctance-Motor-Antrieb mit Multiport-kaskadiertem Umrichter und erweitertem Direct-Torque-Control-Schema

Warum gleichmäßigere elektrische Antriebe wichtig sind

Mit der zunehmenden Verbreitung von Elektrofahrzeugen erwarten Fahrer nicht nur saubere und effiziente, sondern auch leise, sanfte und zuverlässige Antriebe. Ein vielversprechender Motortyp für künftige E‑Fahrzeuge ist der Switched-Reluctance-Motor, der robust, preiswert und ohne Seltene-Erden-Magnete auskommt. Diese Motoren können jedoch ruckartiges Drehmoment und verstärkte Vibrationen zeigen, was den Fahrkomfort mindert und mechanische Teile belastet. Diese Arbeit stellt eine neue Methode zur Leistungsversorgung und Regelung solcher Motoren vor, damit sie ruhiger laufen, weniger Energie vergeuden und sich besser für anspruchsvolle Traktionsaufgaben im Fahrzeug eignen.

Eine andere Art von Elektromotor

Die Studie konzentriert sich auf Switched-Reluctance-Motoren, die im Inneren deutlich anders aufgebaut sind als die vertrauten Permanentmagnetmaschinen. Anstelle von Magneten auf dem Rotor nutzen diese Motoren die Tendenz des Rotors, sich in Bereiche zu bewegen, in denen magnetische Wege leichter sind — Bereiche höherer Induktivität. Durch das sequenzielle Ein- und Ausschalten des Stroms in mehreren Statorwicklungen zieht die Steuerung den Rotor weiter und erzeugt Drehmoment. Dieses Design ist robust, einfach und kostengünstig herstellbar und vermeidet die Abhängigkeit von Seltenen-Erden-Materialien. Schnelles Ein‑/Ausschalten und die stark nichtlineare Magnetik des Motors können jedoch große Drehmoment- und Stromripple erzeugen, was Lärm, Vibrationen und zusätzlichen Verschleiß in Elektrofahrzeugen verursacht.

Eine neue Leistungs‑"Brücke" für den Motor

Um diese Probleme zu entschärfen, entwerfen die Autoren die elektronische Leistungsstufe, die die Batterie mit dem Motor verbindet, neu. Statt eines herkömmlichen Zwei‑Level-Umrichters, der jeder Phase abrupt entweder die volle Spannung oder null anlegt, schlagen sie einen modularen Multiport-kaskadierten Umrichter aus gestapelten Submodulen pro Phase vor. Jede Phase kann nun mehrere Zwischen-Spannungsstufen sehen, nicht nur an oder aus. Dieser mehrstufige Ansatz glättet die Spannungswellenform, verringert die elektrische Belastung von Schaltern und Isolierung und reduziert unerwünschte Oberschwingungen im Strom. Die modulare Struktur ist zudem leichter skalierbar und fehlertoleranter, was für sicherheitskritische Traktionssysteme wichtig ist.

Intelligentere Echtzeit-Drehmomentregelung

Die Hardware wird mit einem erweiterten Direct-Torque-Control‑Schema kombiniert, das wie ein Schnellschalt‑Regisseur für die Leistungsschalter agiert. Anstatt Ströme langsam durch traditionelle Regelkreise zu formen, schätzt die Direct Torque Control magnetischen Fluss und Drehmoment des Motors in Echtzeit und wählt aus einer Menge von Spannungsmustern basierend darauf aus, in welche Richtung und wie stark das Drehmoment geändert werden muss. In dieser Arbeit entwerfen die Autoren detaillierte mathematische Modelle des nichtlinearen Verhaltens des Motors und ordnen die möglichen Spannungsmuster in acht Sektoren und acht Vektoren. Eine kundenspezifische Schaltetabelle wählt dann in jedem Augenblick das beste Muster des mehrstufigen Umrichters, hält Drehmoment und Fluss in engen Bändern und minimiert unnötiges Schalten.

Vom Computermodell zum realen Prüfstand

Das Team validiert seinen Ansatz in zwei Schritten. Zuerst bauen sie eine detaillierte Simulation eines vierphasigen 8/6 Switched-Reluctance-Motors, angetrieben vom neuen Umrichter und Regelungsschema, in MATLAB/Simulink. Sie untersuchen Drehzahl, Drehmoment und Phasenströme unter konstantem Betrieb und schnellen Drehzahländerungen und vergleichen die Ergebnisse mit einem konventionellen Umrichter. Anschließend errichten sie eine 2,2‑Kilowatt‑Laborvorrichtung mit industriellen Leistungsmodulen, Sensoren und einem Encoder. Die Experimente umfassen gleichmäßiges Fahren bei 1000 Umdrehungen pro Minute, Sprungänderungen zwischen 400, 1400 und 2400 U/min sowie Beschleunigung, Bremsen und Laststörungen. Über diese Tests hinweg hält der neue Antrieb die Drehzahl präzise, während er deutlich sauberere Stromverläufe und ein ruhigeres Drehmoment erzeugt.

Was die Verbesserungen auf der Straße bedeuten

Quantitativ reduzieren der vorgeschlagene Umrichter und die Regelung das Drehmomentripple um bis zu etwa 41,5 Prozent gegenüber dem konventionellen Design und drücken die Ripple‑Werte je nach Drehzahl und Last auf grob 16–25 Prozent. Gleichzeitig zeigt das System eine schnellere Reaktion auf Fahreranfragen, begrenzte Überschwinger bei Drehzahländerungen und leicht bessere Effizienz, alles bei einer festen und vorhersehbaren Schaltfrequenz. Alltagssprachlich bedeutet das: Ein Elektrofahrzeug mit einem solchen Antrieb könnte sanfter beschleunigen und abbremsen, weniger Lärm und Vibration erzeugen und seine Bauteile weniger belasten. Obwohl die neue Hardware komplexer und teurer als Standardumrichter ist, argumentieren die Autoren, dass die Kombination aus Robustheit, Laufruhe und Steuerpräzision sie zu einem starken Kandidaten für künftige leistungsfähige Elektro-Traktionssysteme macht.

Zitation: Deepak, M., Santhakumar, K., Sathiyasekar, K. et al. Performance-driven switched reluctance motor drive using multiport cascaded converter and advanced direct torque control scheme. Sci Rep 16, 12211 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45141-9

Schlüsselwörter: Switched-Reluctance-Motor, Antriebe für Elektrofahrzeuge, Drehmomentripple-Reduktion, Mehrstufiger Leistungsumrichter, Direct Torque Control