Prestandadriven drivning av borstlösa reluktansmotorer med flerpunkts kaskadomvandlare och avancerad direkt momentregleringsmetod

Varför mjukare elmotorer spelar roll

När elfordon blir vanliga förväntar sig förare att de inte bara ska vara rena och effektiva, utan också tysta, mjuka och pålitliga. En lovande motortyp för framtida elbilar är den borstlösa reluktansmotorn (switched reluctance motor), som är robust, billig och fri från sällsynta jordartsmetaller. Dessa motorer kan dock uppvisa ryckigt moment och extra vibrationer, vilket gör resan mindre bekväm och belastar mekaniska delar. Denna artikel presenterar ett nytt sätt att mata och styra sådana motorer så att de går jämnare, förlorar mindre energi och bättre klarar krävande drivmoment i fordon.

En annan typ av elmotor

Studien fokuserar på borstlösa reluktansmotorer, vilka har ett innandöme som skiljer sig markant från de mer välbekanta permanentmagnetmaskinerna. Istället för magneter på rotorn utnyttjar dessa motorer rotorens tendens att röra sig mot områden där magnetiska vägar är lättare — områden med högre induktans. Genom att i sekvens slå på och av strömmen genom flera statorlindningar drar styrenheten runt rotorn och genererar moment. Denna konstruktion är tålig, enkel och billig att tillverka, och den undviker beroende av sällsynta jordartsmetaller. Snabba av- och påslagningar samt motorns starkt icke-linjära magnetiska egenskaper kan dock skapa stora svängningar i moment och ström, vilket orsakar buller, vibrationer och ökat slitage i elfordon.

En ny kraft"bro" för motorn

För att dämpa dessa problem har författarna omformar den elektroniska kraftsteget som kopplar batteriet till motorn. Istället för en konventionell tvånivåomvandlare, som abrupt applicerar antingen full spänning eller noll på varje fas, föreslår de en modulär flerpunkts kaskadomvandlare bestående av staplade delmoduler per fas. Varje fas kan nu se flera mellanliggande spänningsnivåer, inte bara på eller av. Detta flernivåförfarande slätar ut spänningsvågen, sänker elektrisk påfrestning på brytare och isolering samt minskar oönskade harmoniska komponenter i strömmen. Den modulära strukturen är också lättare att skala och mer tolerant mot fel, vilket är viktigt för säkerhetskritiska drivsystem.

Smartare momentstyrning i realtid

Hårdvaran paras ihop med en förbättrad direkt momentstyrningsmetod (direct torque control) som fungerar som en snabb trafikledare för effektbrytarna. Istället för att långsamt forma strömmar via traditionella återkopplingsslingor uppskattar direkt momentstyrning motorns magnetiska flöde och moment i realtid och väljer bland ett antal spänningsmönster beroende på i vilken riktning och hur starkt momentet behöver förändras. I detta arbete utformar författarna detaljerade matematiska modeller av motorns icke-linjära beteende och organiserar de möjliga spänningsmönstren i åtta sektorer och åtta vektorer. En anpassad växlingstabell väljer sedan det bästa mönstret från den flernivåomvandlaren vid varje givet ögonblick, håller moment och flöde inom snäva band samtidigt som onödig växling minimeras.

Från datormodell till verklig testbänk

Teamet validerar tillvägagångssättet i två steg. Först bygger de en detaljerad simulering av en fyra-fasig, 8/6 borstlös reluktansmotor driven av den nya omvandlaren och styrmetoden i MATLAB/Simulink. De studerar hastighet, moment och fasströmmar under stabil körning och snabba hastighetsändringar, och jämför resultaten med en konventionell omvandlare. Därefter konstruerar de en laboratorieuppställning på 2,2 kilowatt med industriella effektmoduler, sensorer och en encoder. Experimenten inkluderar jämn körning vid 1000 varv per minut, stegvisa förändringar mellan 400, 1400 och 2400 varv per minut, samt acceleration, inbromsning och laststörningar. I dessa tester håller den nya drivningen hastigheten noggrant samtidigt som den ger avsevärt renare strömvågor och mjukare moment.

Vad förbättringarna betyder på vägen

Kvantitativt minskar den föreslagna omvandlaren och styrningen momentrycket med upp till cirka 41,5 procent jämfört med den konventionella utformningen, vilket sänker rytvärdena till ungefär 16–25 procent beroende på hastighet och last. Samtidigt visar systemet snabbare respons på förarens kommandon, begränsad översläng vid hastighetsändringar och något bättre verkningsgrad, allt vid en fast och förutsägbar växelfrekvens. I vardagliga termer innebär detta att ett elfordon med en sådan drivning kan accelerera och bromsa mjukare, generera mindre buller och vibrationer samt utsätta sina komponenter för mindre påfrestning. Även om den nya hårdvaran är mer komplex och kostsam än standardomvandlare hävdar författarna att dess kombination av robusthet, jämnhet och styrprecision gör den till en stark kandidat för framtida högpresterande elektriska drivsystem.

Citering: 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

Nyckelord: switched reluctance motor, electric vehicle drives, torque ripple reduction, multilevel power converter, direct torque control