Feldschwächung

Es gibt technische Grenzen für Spannung und Strom an elektrischen Maschinen. Bei einem Elektroauto wird die elektrische Leistung aus der Batterie bezogen. Diese hat eine Spannung, die abhängig vom Ladeszustand ist. Im Jahr 2020 liegt die Batteriespannung üblicherweise im Bereich [300V … 400V]. Eine frisch aufgeladene Batterie weist die Spannung von etwa 400V auf. Ist sie fast leer, beträgt die Spannung nur noch etwa 300V.

Der Wechselrichter erzeugt aus der Gleichspannung der Batterie eine Wechselspannung für die elektrische Maschine. Die Richtung der Spannung – also die elektrische Phasenlage – kann frei eingestellt werden. Der maximal mögliche Spitzenwert der Wechselspannung ist abhängig von der Gleichspannung der Batterie. Das Erzeugen der Wechselspannung lernen Sie in Leistungselektronik. Wenn die Maschine mehr Statorspannung benötigt, als die Batterie liefern kann, können wir die Maschine nicht mehr optimal ansteuern.

Betrachten wir dafür nochmal die Spannungen und Ströme im d/q-Koordinatensystem:

In der Grafik ist die Statorspannung als Summe ihrer d- und q-Komponenten eingezeichnet. Zur Erinnerung: Wenn die Drehzahl steigt, wird der Statorzeiger länger. Wenn mehr Moment erzeugt wird, wird der q-Strom erhöht. Dadurch steigt der Betrag der (negativen) d-Spannung an. In beiden Fällen wird der Betrag der Statorspannung größer. Ab einer bestimmten Kombination aus Drehzahl und Drehmoment kann die Batterie die Spannung nicht mehr bereitstellen. Was können wir tun?

Wir könnten einen schwächeren Permanentmagneten oder geringere Ströme einsetzen. Dadurch würde die Statorspannung sinken. Leider sinkt dadurch auch das maximal erreichbare Drehmoment. Das bringt nichts. Es gibt eine bessere Lösung:

Wenn wir einen negativen d-Strom einprägen, dann wirkt die resultierende Spannung in Richtung -q. Eine Spannung eilt dem Strom an der Spule um Faktor j voraus, also ist die Spannung um 90° gegen den Uhrzeigersinn gegenüber der Stromrichtung gedreht. Aus der Stromrichtung -d wird dann die Spannungsrichtung -q. Die folgende Grafik zeigt Spannungen und Ströme bei negativem d-Strom:

Bitte achten Sie erneut nicht auf die absoluten Längen der Zeiger, nur auf die Wirkung eines negativen d-Stroms. Die Länge des Gesamt-Spannungszeigers wird kleiner, wenn negativer d-Strom genutzt wird. Damit kann der Drehzahlbereich einer Maschine deutlich erhöht werden. Diesen Effekt nennt man „Feldschwächung“. Durch negativen d-Strom wird durch die Statorspulen ein Magnetfeld aufgebaut, das in Richtung (-d) wirkt. Es wirkt dem Rotor-Magnetfeld entgegen. Die Felder überlagern sich, also wird das Gesamtfeld in d-Richtung kleiner.

Weiter