En ny rotorharmonisk lindningsbaserad hög-effektiv självvuxen borstlös lindad rotorsynkronmaskin med förbättrade vridmomentegenskaper

Varför en ny typ av motor spelar roll

Elektriska motorer finns dolda i nästan allt som rör sig i det moderna livet, från fabriksrobotar till elbilar och hushållsapparater. Många av dagens mest effektiva motorer förlitar sig på permanentmagneter gjorda av sällsynta jordartsmetaller som är dyra och sårbara för leveransstörningar. Denna artikel presenterar ett annat angreppssätt: en kompakt motordesign som levererar starkt vridmoment utan att använda permanentmagneter eller ömtåliga borstkontakter, vilket potentiellt kan göra högpresterande elektriska drivsystem billigare, mer hållbara och enklare att underhålla.

Motorer utan dyra magneter

Standardmotorer med hög effektivitet använder ofta kraftiga permanentmagneter monterade på en roterande kärna. Dessa magneter ger ett konstant magnetfält som hjälper motorn att gå effektivt vid märklast men som slösar energi vid lätt belastning och försvårar styrning över ett brett varvtalsområde. De är också beroende av sällsynta jordartsmetaller, vars pris och tillgång kan svänga kraftigt. Ett alternativ är den lindade rotorsynkronmotorn, där rotorens magnetfält skapas av kopparlindningar istället för magneter. Traditionella versioner av dessa maskiner behöver dock borstar och slipringar för att mata ström in i den roterande rotorn, vilket medför slitage, gnistor, förluster och underhåll.

Borstlösa konstruktioner och deras begränsningar

Forskare har under år försökt bygga motorer som kombinerar styrbarheten hos lindade rotorer med borstlösa konstruktioners låga underhåll. Många föreslagna borstlösa lindade-rotormaskiner använder extra lindningar och flera kraftelektronikmoduler för att smyga in energi i rotorn utan direkta elektriska kontakter. Ofta förlitar de sig på noggrant formade magnetfält som innehåller små fluktuationer, eller harmoniska komponenter, vilka kan inducera strömmar i speciella rotorlindningar. Även om dessa lösningar fungerar tenderar de att bli komplexa, kräva extra växelriktare, ytterligare statorlindningar eller permanentmagneter — alla faktorer som ökar kostnaden och ändå kan komma till korta vad gäller vridmomenttäthet.

Att använda dolda magnetiska fluktuationer smartare

Författarna bygger vidare på en nyligen föreslagen idé som utnyttjar en redan närvarande ”subharmonisk” fluktuation i statorns magnetfält för att generera kraft inne i rotorn. Istället för att lägga till mer hårdvara på den stationära sidan fokuserar de på att omdesigna rotorn själv. I tidigare konstruktioner var endast hälften av de tillgängliga rotorslotarna fyllda med en särskild harmonisk lindning som plockar upp detta subharmoniska fält och matar en likriktare, som sedan levererar likström till huvudrotorlindningen. Det nya tillvägagångssättet utnyttjar det oanvända utrymmet genom att lägga till en andra, identisk harmonisk lindning i de tomma rotorslotarna och koppla de två genom en kondensator så att deras växelströmmar förblir i fas.

Hur den nya rotorn ökar vridmomentet

När trefasström från en enda växelriktare flyter i statorlindningarna skapar den både huvudfältet och en stark subharmonisk komponent. Denna subharmoniska komponent sveper förbi de två harmoniska lindningarna på rotorn och inducerar växelströmmar i vardera. Dessa två strömmar kombineras och passerar genom en liten likriktare monterad på rotorn, som omvandlar den kombinerade signalen till en jämn likström för huvudrotorlindningen. Eftersom det nu finns två harmoniska lindningar istället för en, skördas mer ström från samma statorinsats, vilket stärker rotorens magnetfält utan någon extra extern effekt. Datorbaserade ändliga element-simuleringar av en prototyp med 8 poler och 12 slotar visar att det genomsnittliga fältströmvärdet i den nya designen ökar med nästan 30 procent jämfört med den tidigare enkellindade versionen.

Prestandavinster under realistiska förhållanden

Det starkare rotorfältet översätts direkt till högre vridmoment och effekt. Vid samma varvtal och samma statorström producerar den nya maskinen ett genomsnittligt vridmoment på cirka 10,25 newtonmeter, jämfört med 8,39 newtonmeter för referenskonstruktionen — en ökning med 22,15 procent. Utgångseffekten ökar i samma proportion, medan verkningsgraden stiger något till nästan 93 procent. Viktigt är att vridmomentsrippeln, ett mått på hur jämnt motorn roterar, förblir mycket liten (under en procent), vilket innebär att den tillagda lindningen inte introducerar oönskade vibrationer. Magnetiska flödesnivåer i järnkärnan håller sig under mättnadsgränsen, vilket indikerar att den förbättrade prestandan inte sker på bekostnad av överhettning eller otillbörlig materialpåfrestning.

Vad detta betyder för framtida elektriska drivlinor

Enkelt uttryckt har forskarna visat att en intelligent omdisponering av koppar inne i rotorn kan pressa ut betydligt mer användbar drivkraft ur en motor utan att ändra dess yttre storlek, strömförsörjning eller statordesign. Genom att fylla oanvänt rotorutrymme med en andra harmonisk lindning och använda inbyggda magnetiska fluktuationer som en gratis kanal för energitransfer, uppnår deras borstlösa lindade-rotormaskin högre vridmoment, mjukare gång och något bättre verkningsgrad — samtidigt som den helt undviker dyra permanentmagneter och underhållskrävande borstar. Sådana motorer skulle kunna bli attraktiva alternativ för elfordon och andra högvridmomentapplikationer där kostnad, tillförlitlighet och leveranssäkerhet är lika viktiga som ren prestanda.

Citering: 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

Nyckelord: borstlös lindad-rotormotor, högvridmoment elektriska maskiner, drifter utan permanentmagnet, självexciterad rotorlindning, drivning för elfordon