Een nieuw hoogrendement zelfopgewekt borstelloos gewikkeld rotor-synchrone machine op basis van rotor-harmonische wikkeling met verbeterde koppelkenmerken

Waarom een nieuw soort motor ertoe doet

Elektrische motoren zitten verborgen in bijna alles wat beweegt in het moderne leven, van fabrieksrobots tot elektrische auto’s en huishoudelijke apparaten. Veel van de meest efficiënte motoren van vandaag zijn afhankelijk van permanente magneten gemaakt van zeldzame-aardmaterialen die kostbaar zijn en gevoelig voor verstoringen in de bevoorrading. Dit artikel presenteert een andere benadering: een compact motordesign dat sterke draaimomenten levert zonder gebruik te maken van permanente magneten of kwetsbare borstels, wat mogelijk hoogwaardige elektrische aandrijvingen goedkoper, duurzamer en gemakkelijker te onderhouden maakt.

Motoren zonder dure magneten

Standaard hogeefficiëntiemotoren gebruiken vaak krachtige permanente magneten gemonteerd op een roterende kern. Deze magneten leveren een constante magnetische veld, wat helpt dat de motor efficiënt draait bij het nominale belastingspunt, maar ze verspillen energie bij lichte belastingen en bemoeilijken de regeling over een groot snelheidsbereik. Ze zijn ook afhankelijk van zeldzame-aardmetalen, waarvan prijs en beschikbaarheid sterk kunnen schommelen. Een alternatief is de gewikkelde-rotor synchrone motor, waarbij het magnetische veld van de rotor wordt gecreëerd door koperen spoelen in plaats van magneten. Traditionele versies van deze machines hebben echter borstels en sleepringen nodig om stroom naar de roterende rotor te voeren, wat slijtage, vonken, verliezen en extra onderhoud veroorzaakt.

Borstelloze ontwerpen en hun beperkingen

Onderzoekers hebben jaren besteed aan het ontwerpen van motoren die de regelbaarheid van gewikkelde rotors combineren met de onderhoudsarme voordelen van borstelloze ontwerpen. Veel voorgestelde borstelloze gewikkelde-rotor machines gebruiken extra wikkelingen en meerdere vermogenselektronica-modules om energie in de rotor te krijgen zonder directe elektrische contacten. Vaak vertrouwen ze op zorgvuldig gevormde magnetische velden die kleine rimpels, of harmonischen, bevatten die stroom kunnen opwekken in speciale rotorwikkelingen. Hoewel deze schema’s werken, zijn ze vaak complex en vereisen ze extra omvormers, aanvullende statorwikkelingen of permanente magneten, wat de kosten verhoogt en nog steeds tekort kan schieten op het gebied van koppel-dichtheid.

Het slimmer benutten van verborgen magnetische rimpels

De auteurs bouwen voort op een recent idee dat een al aanwezig "subharmonisch" rimpel in het stator-magnetische veld gebruikt om energie in de rotor op te wekken. In plaats van meer hardware aan de stationaire kant toe te voegen, richten ze zich op het herontwerpen van de rotor zelf. In eerdere ontwerpen waren slechts de helft van de beschikbare rotor-slots gevuld met een speciale harmonische wikkeling die dit subharmonische veld opvangt en een gelijkrichter voedt, die vervolgens gelijkstroom levert aan de hoofdrotorveldwikkeling. De nieuwe benadering zet eenvoudig de ongebruikte ruimte aan het werk door een tweede, identieke harmonische wikkeling in de lege rotor-slots te plaatsen en de twee via een condensator te verbinden zodat hun wisselstromen synchroon blijven.

Hoe de nieuwe rotor het koppel verhoogt

Wanneer drie-fasen stroom van een enkele omvormer door de statorwikkelingen vloeit, creëert dit zowel het hoofdroterende veld als een sterke subharmonische component. Deze subharmonische veegt langs de twee harmonische wikkelingen op de rotor en induceert wisselstromen in elk van hen. Deze twee stromen combineren en gaan door een kleine op de rotor gemonteerde gelijkrichter, die het gecombineerde signaal omzet in een constante gelijkstroom voor de hoofdveldwikkeling. Omdat er nu twee harmonische wikkelingen in plaats van één zijn, wordt er meer stroom geoogst uit dezelfde statoringang, waardoor het magnetische veld van de rotor wordt versterkt zonder extra externe vermogenshardware. Computerondersteunde eindige-element-simulaties van een 8-pools, 12-slots prototype tonen aan dat de gemiddelde veldstroom in het nieuwe ontwerp met bijna 30 procent stijgt vergeleken met de eerdere enkelwikkelingversie.

Prestatiewinst onder realistische omstandigheden

Het sterkere rotorveld vertaalt zich direct in meer koppel en vermogen. Bij dezelfde bedrijfssnelheid en dezelfde statorstroom levert de nieuwe machine een gemiddeld koppel van ongeveer 10,25 newtonmeter, vergeleken met 8,39 newtonmeter voor het referentieontwerp—een toename van 22,15 procent. Het uitgangsvermogen stijgt in dezelfde mate, terwijl het rendement licht toeneemt tot bijna 93 procent. Belangrijk is dat de koppelrimpel, een maat voor hoe soepel de motor draait, zeer klein blijft (onder één procent), wat betekent dat de toegevoegde wikkeling geen ongewenste trillingen introduceert. De magnetische fluxniveaus in de ijzeren kern blijven onder de verzadigingsgrens, wat aangeeft dat de verbeterde prestaties niet ten koste gaan van oververhitting of onnodige materiaalbelasting.

Wat dit betekent voor toekomstige elektrische aandrijvingen

In eenvoudige termen hebben de onderzoekers aangetoond dat een slimme herschikking van koper in de rotor aanzienlijk meer bruikbare duwkracht uit een motor kan persen zonder de buitenafmetingen, de voedingsbron of het statorontwerp te veranderen. Door ongebruikte rotoruimte te vullen met een tweede harmonische wikkeling en ingebouwde magnetische rimpels te gebruiken als een gratis kanaal voor energieoverdracht, bereikt hun borstelloze gewikkelde-rotor machine een hoger koppel, soepele werking en licht verbeterd rendement—terwijl hij volledig dure permanente magneten en onderhoudsgevoelige borstels vermijdt. Zulke motoren kunnen aantrekkelijke opties worden voor elektrische voertuigen en andere toepassingen met hoog koppel waar kosten, betrouwbaarheid en leveringszekerheid net zo belangrijk zijn als ruwe prestaties.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: borstelloze gewikkelde-rotor motor, hoog-koppel elektrische machines, assen zonder permanente magneten aandrijvingen, zelfopgewekte rotorwikkeling, tractie voor elektrische voertuigen