Prestatiegerichte schakelreluctantiemotoraandrijving met multipoort cascaded converter en verbeterd direct koppelregelingsschema

Waarom soepelere elektrische aandrijvingen ertoe doen

Naarmate elektrische voertuigen vaker voorkomen, verwachten bestuurders dat ze niet alleen schoon en efficiënt zijn, maar ook stil, soepel en betrouwbaar. Een veelbelovend motortype voor toekomstige EV’s is de schakelreluctantiemotor: robuust, goedkoop en vrij van zeldzame aarde-metalen. Deze motoren kunnen echter last hebben van schokkerig koppel en extra trillingen, waardoor de rit minder comfortabel wordt en mechanische onderdelen zwaarder belast raken. Dit artikel presenteert een nieuwe manier om zulke motoren van vermogen te voorzien en te regelen, zodat ze vloeiender lopen, minder energie verspillen en beter geschikt zijn voor veeleisende tractietaken in auto’s.

Een ander soort elektromotor

De studie richt zich op schakelreluctantiemotoren, die van binnen wezenlijk anders zijn dan de meer bekende permanentmagneetmachines. In plaats van magneten op de rotor, vertrouwen deze motoren op de neiging van de rotor om naar gebieden te bewegen waar magneetvelden makkelijker lopen—gebieden met hogere inductantie. Door de stroom per beurt via meerdere statorwikkelingen achtereenvolgens aan en uit te schakelen, trekt de controller de rotor rond en genereert koppel. Dit ontwerp is robuust, eenvoudig en goedkoop te produceren en vermijdt afhankelijkheid van zeldzame materialen. Snelle aan‑/uitschakeling en de sterk niet‑lineaire magnetische eigenschappen van de motor kunnen echter grote rimpels in koppel en stroom veroorzaken, wat leidt tot geluid, trillingen en extra slijtage in elektrische voertuigen.

Een nieuwe krachtbrug voor de motor

Om deze problemen te temmen, ontwerpen de auteurs de elektronische vermogensetage die de batterij met de motor verbindt opnieuw. In plaats van een conventionele twee‑niveau converter, die abrupt ofwel de volle spanning ofwel nul op elke fase zet, stellen ze een modulaire multipoort cascaded converter voor, opgebouwd uit gestapelde submodules per fase. Elke fase kan nu meerdere tussenniveaus van spanning zien, niet slechts aan of uit. Deze multiniveau‑aanpak effent de spanningsgolfvorm, verlaagt de elektrische belasting op schakelaars en isolatie en vermindert ongewenste harmonischen in de stroom. De modulaire structuur is ook gemakkelijker schaalbaar en toleranter voor fouten, wat belangrijk is voor veiligheidkritische tractiesystemen.

Slimmere realtime koppelregeling

De hardware wordt gecombineerd met een verbeterd direct koppelregelschema dat fungeert als een razendsnelle verkeersleider voor de vermogenschakelaars. In plaats van stapsgewijs stromen te vormen via traditionele terugkoppellusjes, schat directe koppelregeling in realtime de magnetische flux en het koppel van de motor en kiest uit een set spanningspatronen op basis van in welke richting en met welke sterkte het koppel moet veranderen. In dit werk modelleren de auteurs de niet‑lineaire motorwerking wiskundig in detail en ordenen de mogelijke spanningspatronen in acht sectoren en acht vectoren. Een op maat gemaakte schakeltabel kiest vervolgens op elk moment het beste patroon uit de multiniveau converter, waarbij koppel en flux binnen nauwe banden worden gehouden en onnodig schakelen tot een minimum wordt beperkt.

Van computermodel naar echte testopstelling

Het team valideert hun benadering in twee stappen. Eerst bouwen ze een gedetailleerde simulatie van een vierfase 8/6 schakelreluctantiemotor aangedreven door de nieuwe converter en het regelschema in MATLAB/Simulink. Ze onderzoeken snelheid, koppel en fasestromen bij constant bedrijf en snelle snelheidswisselingen, en vergelijken de resultaten met een conventionele converter. Vervolgens bouwen ze een laboratoriumopstelling van 2,2 kilowatt met industriële vermogensmodules, sensoren en een encoder. Experimenten omvatten constant kruisen bij 1000 omwentelingen per minuut, trapwisselingen tussen 400, 1400 en 2400 omwentelingen per minuut, evenals acceleratie, remmen en belastingsstoringen. In al deze tests houdt de nieuwe aandrijving de snelheid nauwkeurig aan terwijl duidelijk schonere stroomvormen en vloeiender koppel worden geproduceerd.

Wat de verbeteringen op de weg betekenen

In cijfers verminderen de voorgestelde converter en regeling de koppelrimpel met maximaal ongeveer 41,5 procent vergeleken met het conventionele ontwerp, waardoor de rimpelwaarden dalen tot ongeveer 16–25 procent afhankelijk van snelheid en belasting. Tegelijkertijd toont het systeem snellere respons op veranderingen in het rijgedrag, beperkte overshoot bij snelheidsaanpassingen en iets betere efficiëntie, terwijl het opereert op een vaste en voorspelbare schakelfrequentie. In dagelijkse termen betekent dit dat een elektrisch voertuig met zo’n aandrijving soepeler kan accelereren en decelereren, minder geluid en trillingen produceert en minder stress op componenten uitoefent. Hoewel de nieuwe hardware complexer en duurder is dan standaardconverters, stellen de auteurs dat de combinatie van robuustheid, soepelheid en regelnauwkeurigheid het tot een sterke kandidaat maakt voor toekomstige hoogpresterende elektrische tractiesystemen.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: schakelreluctantiemotor, aandrijvingen voor elektrische voertuigen, reductie van koppelrimpel, multiniveau vermogensconverter, directe koppelregeling