Vorteile, Herausforderungen und Simulation von geschalteten Reluktanzmotoren

Wichtigste Erkenntnisse

• Geschaltete Reluktanzmaschinen tauschen die Anfälligkeit der Magnetversorgung gegen eine höhere Komplexität der Steuerung ein, weshalb es sich hierbei eher um eine Entscheidung auf Programmebene als um einen einfachen Austausch von Bauteilen handelt.
• Die Drehmomentwelligkeit ist eine Betriebspunkteigenschaft, die von Maschine, Umrichter und Regler als ein Regelkreis gemeinsam festgelegt wird; daher kann sie auf Maschinenebene nicht separat festgelegt werden.
• Durch eine Validierung im geschlossenen Regelkreis anhand der Serien-Firmware lassen sich SRM-Programme, die die Serienreife erreichen, von denen unterscheiden, die nach der Prototypenphase ins Stocken geraten.

Ein geschalteter Reluktanzmotor bietet eine hohe Drehmomentdichte, ohne auch nur ein einziges Gramm Seltenerdmaterial zu enthalten, und allein diese Eigenschaft erklärt, warum diese Topologie immer wieder ernsthaft für Traktions- und Industrieantriebe in Betracht gezogen wird.

Das Interesse steigt immer dann, wenn die Versorgung mit Magneten unsicher erscheint. Die Nettoimportabhängigkeit der Vereinigten Staaten bei Seltenerdverbindungen und -metallen liegt bei 80 %, wobei China zwischen 2020 und 2023 70 % dieser Importe lieferte. Diese Abhängigkeit macht eine magnetfreie Maschine strategisch attraktiv, lange bevor ihre Realisierung technisch problemlos möglich ist.

Das Schwierige daran ist nicht die Maschine. Die Drehmomentqualität, das akustische Verhalten und der Wirkungsgrad eines SRM ergeben sich aus dem Zusammenspiel von Maschine, Umrichter und Steuerung als ein einziger Regelkreis. Wenn man nur eine dieser Komponenten isoliert betrachtet, gelangt man zu Schlussfolgerungen, die der fertig montierte Antrieb nicht bestätigen wird. Teams, die die SRM-Bewertung als reine Maschinenkonstruktionsaufgabe betrachten, entdecken die Diskrepanz meist erst spät – auf dem Leistungsprüfstand, wenn der Steuerungscode zum ersten Mal auf die tatsächlichen magnetischen Eigenschaften trifft.

Wie ein geschalteter Reluktanzmotor Drehmoment erzeugt

Ein SRM erzeugt sein Drehmoment nicht durch magnetische Anziehung, sondern durch magnetische Reluktanz. Sowohl Rotor als auch Stator sind mit hervorstehenden Polen versehen; der Rotor weist weder Wicklungen noch Magnete auf, und das Drehmoment entsteht, wenn sich der Rotor in Richtung der Ausrichtung mit einer erregten Statorphase bewegt. Die Phasenströme werden nacheinander entsprechend der Rotorposition geschaltet.

Eine gängige 8/6-Konfiguration verdeutlicht den Ablauf. Acht Statorpole bilden vier Phasen, sechs Rotorpole laufen unter ihnen hindurch, und der Regler schaltet jede Phase im Bereich steigender Induktivität ein, bevor er zur nächsten übergeht. Die Drehmomenterzeugung kommt vollständig zum Erliegen, sobald die Induktivität zu sinken beginnt; daher ist der Abschaltwinkel ebenso wichtig wie die Stromstärke.

Diese Bauweise verleiht der Maschine ihren Ruf als besonders robuste Maschine. Da keine Magnete zum Einsatz kommen, besteht bei hohen Temperaturen keine Gefahr der Entmagnetisierung und im Fehlerfall keine Leerlaufspannung. Das bedeutet außerdem, dass ein Drehmoment nur dann anliegt, wenn die Steuerung aktiv einen korrekten Vorgang ausführt, wodurch ein großer Teil der Verantwortung für die Leistung von der Maschine auf den Antrieb verlagert wird.

Wo eine magnetfreie Bauweise die Gesamtkosten des Motors senkt

Durch den Verzicht auf Magnete entfällt die kostensensitivste Position in der Stückliste. Die Rotorherstellung beschränkt sich auf einen Stapel Lamellen ohne Klebevorgang, ohne Magnetisierungsschritt und ohne besondere Handhabungsvorschriften, und der Stator verfügt über einfache, konzentrierte Wicklungen. Die Einsparungen sind struktureller Natur und nicht nur inkrementell.

Betrachten wir den Fall eines industriellen Pumpenantriebs mit mittlerem Volumen, für den zwei Lieferanten in die engere Wahl kommen. Eine Permanentmagnet-Konstruktion bindet das Programm an die Preise für Neodym und Dysprosium sowie an ein Exportgenehmigungssystem, auf das der Käufer keinen Einfluss hat. Die Reluktanz-Alternative verlagert dieses Risiko auf Stahl und Kupfer, die beide auf breiteren Märkten mit mehr Anbietern gehandelt werden. Der Kostenvorteil ist nicht umsonst zu haben. Der höhere Entwicklungsaufwand verlagert sich auf den Umrichter und das Steuer software, und die asymmetrische Halbbrücken-Topologie, die ein SRM benötigt, verwendet mehr Schaltelemente pro Phase als ein Standard-Wechselstromumrichter für Dreiphasen-Elektromotoren. Ehrlich betrachtet verlagert ein SRM die Kosten von der Beschaffung in die Entwicklung, was für Programme mit hohen Stückzahlen weitaus besser geeignet ist als für Einzelanfertigungen.

Warum Drehmomentwelligkeit die Leistung von geschalteten Reluktanzmotoren maßgeblich beeinflusst

Die Drehmomentwelligkeit ist der entscheidende Faktor, der den Erfolg der meisten SRM-Programme bestimmt. Durch die doppelt hervorstehende Geometrie und die tiefe magnetische Sättigung ist das Drehmoment eine stark nichtlineare Funktion sowohl des Stroms als auch der Rotorposition, sodass der Drehmomentbeitrag bei jedem Phasenwechsel abrupt ansteigt und abfällt. Daraus resultieren hörbare Geräusche und Vibrationen.

Der Überlappungsbereich der Kommutierung zeigt, wo dieser Ursprung liegt. Wenn eine Phase entmagnetisiert wird und die nächste Strom aufbaut, sinkt das Gesamtdrehmoment, es sei denn, die beiden Phasen überlappen sich exakt. Bei niedriger Drehzahl und begrenzter Gegen-EMK kann der Regler diesen Übergang steuern. Bei hoher Drehzahl ist dies nicht der Fall, und eine Welligkeit, die auf dem Prüfstand bei 500 U/min noch als akzeptabel gemessen wurde, kann bei 8.000 U/min unzulässig werden.

Aus diesem Grund lässt sich die Welligkeit nicht pauschal beheben. Jede Strategie zur Welligkeitsminderung geht zu Lasten eines anderen Faktors – in der Regel der Wirkungsgrad, der Drehmomentdichte oder der Schaltverluste –, und das Gleichgewicht hängt vom Betriebspunkt ab. Betrachtet man die Welligkeit als feste Maschineneigenschaft statt als ein vom Betriebspunkt abhängiges Verhalten, führt dies zu Spezifikationen, die der fertige Antrieb unbemerkt verfehlt.

„Wenn man Welligkeit als feste Maschineneigenschaft und nicht als Verhalten im Arbeitspunkt betrachtet, entstehen Spezifikationen, die der fertige Antrieb stillschweigend nicht erfüllt.“

Was für eine effektive Steuerung eines SRM-Antriebs erforderlich ist

Die SRM-Regelung erfordert eine genaue Rotorposition, eine Stromregelung, die schnell genug ist, um einem nichtlinearen Induktivitätsprofil zu folgen, sowie auf den jeweiligen Betriebspunkt abgestimmte Zündwinkel. Eine einfache Hysterese-Stromregelung funktioniert bei niedrigen Drehzahlen. Um eine Drehmomentqualität zu erreichen, die der Serienproduktion nahekommt, ist ein Verfahren erforderlich, das den Drehmomentbeitrag jeder Phase direkt steuert.

Drehmomentverteilungsfunktionen veranschaulichen diesen Ansatz gut. Anstatt Phasenströme vorzugeben, gibt der Regler für jede Phase ein Drehmomentprofil vor und lässt ein inverses Drehmomentmodell den Stromsollwert ableiten, sodass der Übergang zwischen den Phasen sanft verläuft. Die direkte Momentan-Drehmomentregelung und modellprädiktive Verfahren verfolgen dasselbe Ziel mit unterschiedlichen mathematischen Ansätzen.

Praktische Umsetzungen lassen sich auf eine kleine Anzahl von Anforderungen zurückführen.

• Die Auflösung der Rotorposition ist fein genug, um die Ein- und Ausschaltwinkel präzise festzulegen
• Ein über Strom und Position charakterisiertes Flussverknüpfungs- oder inverses Drehmomentmodell
• Die Bandbreite der Stromschleife liegt bei maximaler Drehzahl deutlich über der Phasenumschaltfrequenz
• Eine Zündwinkelplanung, die sich über den gesamten Drehzahl- und Lastbereich hinweg anpasst
• Fehlerbehandlung unter Berücksichtigung des Einphasenbetriebs ohne magnetische Gegen-EMK

Jeder dieser Punkte hängt von den gemessenen magnetischen Eigenschaften der Maschine ab – und genau an dieser Stelle verlieren die Papierspezifikationen ihre Aussagekraft.

Warum Offline-Modelle das Verhalten von geschalteten Reluktanzmotoren falsch darstellen

Die Offline-Simulation unterschätzt den Schwierigkeitsgrad der SRM, da sie die beiden Faktoren eliminiert, die die meisten Fehler verursachen: das tatsächliche Timing und den tatsächlichen Steuerungscode. Ein Modell mit festem Schritt und einem idealisierten Induktivitätsprofil erzeugt saubere Drehmomentkurven, die der physikalische Antrieb niemals reproduzieren kann. Die Abtastverzögerung ist das deutlichste Beispiel dafür. Ein mit 20 kHz arbeitender Regler erfasst den Phasenstrom zu diskreten Zeitpunkten, während sich die Induktivität kontinuierlich mit der Rotorposition ändert; daher ist der von ihm geregelte Strom bereits veraltet, wenn der Tastgrad aktualisiert wird. Offline-Modelle ignorieren häufig diese Latenz sowie Totzeit, Sensorrauschen und die endliche Rechenzeit im Regelkreis.

Die magnetische Darstellung verschärft das Problem noch. Annahmen zur linearen Induktivität versagen genau dort, wo SRMs arbeiten – nämlich tief in der Sättigung –, und ein Modell, das die Sättigung außer Acht lässt, liefert Drehmoment- und Welligkeitswerte, die das Design in einem besseren Licht erscheinen lassen, als es tatsächlich ist. Das Ergebnis ist ein Validierungsprotokoll, das zwar vollständig aussieht, aber so gut wie keine Aussagen über den zusammengebauten Antrieb zulässt.

„Das Ergebnis ist ein Validierungsdatensatz, der zwar vollständig erscheint, aber so gut wie keine Rückschlüsse auf das zusammengebaute Laufwerk zulässt.“

Wie Echtzeit-Simulationen SRM-Antriebskonzepte validieren

Die Echtzeitsimulation schließt diese Lücke, indem sie das Maschinen- und Umrichtermodell mit „ hardware “-Geschwindigkeit parallel zum tatsächlichen Regler ausführt. Die Steuereinheit führt den Produktionscode aus, liest emulierte Sensorsignale aus und steuert emulierte Schaltgeräte an, sodass Timing, Quantisierung und Rechenverzögerung gleichermaßen in das Ergebnis einfließen.

Die Anforderungen an die Genauigkeit sind streng. Das Schalten des SRM-Wandlers erfolgt im Mikrosekundenbereich, wodurch die Leistungselektronik die Grenzen dessen überschreitet, was ein CPU-basierter Solver innerhalb eines Echtzeitschritts bewältigen kann. Die Ausführung des Maschinenmodells mit einer saturautionsgenauen Flussverknüpfungskarte auf einem FPGA, wobei die asymmetrische Halbbrücke parallel dazu mit einer Auflösung im Submikrosekundenbereich gelöst wird, sorgt dafür, dass die Regelung repräsentativ und nicht nur annähernd ist. Aus genau diesem Grund kombinieren OPAL-RT-Anwender in der Regel ein FPGA-Maschinenmodell mit einem mittels eHS gelösten Umrichter.

Der Vorteil liegt darin, dass Bereiche abgedeckt werden, die mit einem Leistungsprüfstand weder sicher noch kostengünstig erreicht werden können. Ausfälle von Positionssensoren, Phasenunterbrechungen, Fehler in Wandlerbaugruppen und extreme thermische Betriebszustände können alle wiederholt anhand der Serien-Firmware getestet werden – und zwar bereits Wochen, bevor überhaupt ein „ hardware “ vorliegt.

Die Wahl zwischen Reluktanz- und Permanentmagnetmaschinen

Der Hauptunterschied zwischen geschalteten Reluktanz- und Permanentmagnetmaschinen liegt darin, wo das Risiko eines Projekts liegt. Permanentmagnet-Konstruktionen bieten eine höhere Drehmomentdichte und eine einfachere Steuerung, sind jedoch mit Risiken hinsichtlich der Magnetversorgung und der Kosten verbunden. Geschaltete Reluktanz-Konstruktionen beseitigen diese Risiken, erfordern dafür jedoch einen höheren Aufwand hinsichtlich der Steuerungskomplexität und der Validierung.

Das Volumen verändert die Rechnung erheblich. Der weltweite Absatz von Elektroautos überstieg im Jahr 2025 die 20-Millionen-Marke und erreichte einen Anteil von 25 % am gesamten Automobilmarkt. Bei dieser Größenordnung werden die Magnetkosten pro Einheit zu einer Belastung auf Projektebene, und die für ein SRM erforderlichen Entwicklungsinvestitionen amortisieren sich über eine ausreichende Stückzahl, sodass sie sich auszahlen.

Programme, die mit geschalteter Reluktanz erfolgreich sind, betrachten dies von der ersten Woche an als eine Aufgabe der Antriebsentwicklung und binden die Steuerung lange vor dem Eintreffen der „ hardware “ in einen Regelkreis mit einem präzisen Maschinenmodell ein. Diese Disziplin unterscheidet – mehr als jeder einzelne Regelalgorithmus – die SRM-Projekte, die es bis zur Serienreife schaffen, von denen, die in der Prototypenphase ins Stocken geraten. Das ist der Grund, warum sich die Simulationsarbeit von OPAL-RTmit Entwicklern elektrischer Maschinen auf den Regelkreis konzentriert und nicht auf die Maschine für sich genommen.