Die Feldabschwächung: Beschleunigung über die vom Spannungssystem vorgegebene Grenze hinaus

Jeder Permanentmagnetmotor hat eine maximale "natürliche" Drehzahl, die durch die Batteriespannung festgelegt ist. Das Entmagnetisieren, oft auch unter seinem englischen Namen Feldabschwächung bekannt, ermöglicht es, diese Grenze zu überschreiten, ohne die Batterie oder den Motor zu wechseln. Dies ist eine leistungsstarke Einstellung, die im Rennsport geschätzt wird, aber einen Preis hat und Risiken birgt, die man kennen sollte.

Das Wichtigste

  • Ein bürstenloser Motor erzeugt beim Drehen eine Spannung, die schließlich die Batteriespannung erreicht: dadurch wird die maximale Drehzahl begrenzt.
  • Die Demagnetisierung injiziert einen Strom, der die Wirkung der Magnete abschwächt, wodurch diese obere Grenze verschoben wird.
  • Dieser Strom erzeugt bei einem bürstenlosen Gleichstrommotor keinen Drehmoment: Er erwärmt den Motor und den Controller und entlädt den Akku schneller.
  • Bei einem abrupten Stromausfall bei hoher Geschwindigkeit kann die vom Motor erzeugte Spannung den zulässigen Wert des Controllers überschreiten.

Warum erreicht ein Motor seine maximale Leistung?

Ein Elektromotor mit Permanentmagneten ist auch eine Art Generator: Während der Drehung erzeugt er eine Spannung, die sogenannte Gegen-Elektromotorische Kraft, die proportional zu seiner Drehgeschwindigkeit ist. Um Strom in den Motor zu leiten, muss der Controller eine Spannung anlegen, die höher ist als die, die der Motor selbst erzeugt.

Wenn die Geschwindigkeit zunimmt, nähert sich die vom Motor erzeugte Spannung der Batteriespannung. Der Controller kann keinen Strom mehr liefern, und somit auch kein Drehmoment: die Geschwindigkeit erreicht ein Limit. Dieses Limit wird anhand der Drehzahlkonstante des Motors, dem Kv, und der Batteriespannung berechnet. Sehen Sie sich unseren Leitfaden zu Kv, Kt und den Polen an.

Das Prinzip des Entflusses

In der vektorregelung wird der Motorstrom in zwei Komponenten aufgeteilt: der q-Strom, der das Drehmoment erzeugt, und der d-Strom, der mit den Magneten ausgerichtet ist. Normalerweise wird der d-Strom auf Null gehalten.

Um den Fluss zu reduzieren, injiziert der Controller einen negativen Strom. Er erzeugt ein Feld, das dem Feld der Magnete entgegenwirkt, wodurch die Spannung, die der Motor bei gleicher Geschwindigkeit erzeugt, reduziert wird. Der Controller kann erneut Strom q, also Drehmoment, zuführen, und der Motor überwindet seine bisherige Leistungsgrenze.

Der Begriff ist irreführend: Die Magnete selbst werden nicht geschwächt. Es ist vielmehr ihre Wirkung, die aus Sicht der Wicklungen kompensiert wird, solange der Strom fließt.

Was es kostet

  • `Strom ohne Drehmoment : Bei einem bürstenlosen Gleichstrommotor (BLDC) erzeugt der Strom "d" selbst keinen Drehmoment. Er addiert sich zum Gesamtstrom, was zu einer Erwärmung des Motors und des Controllers führt.`
  • `Über die Effizienz: Bei hohen Geschwindigkeiten und starker Leistungsabgabe wird ein zunehmender Teil der Energie in Wärme umgewandelt. Die Reichweite nimmt dadurch ab.`
  • Eine gemeinsame Stromgrenze: Der Gesamtstrom des Motors bleibt begrenzt. Je mehr Strom für die Demagnetisierung verwendet wird, desto weniger steht für das Drehmoment zur Verfügung.

Innenrotor-Motoren (IPM) sind besser geeignet für den Demagnetisierungsschutz, da der Strom dort ebenfalls zur Erzeugung des Drehmoments beiträgt. Das ist einer der Gründe für ihren Erfolg im Automobilbereich: siehe unseren Leitfaden IPM- und SPM-Motoren.

Das Hauptrisiko: Ein Ausfall bei hoher Geschwindigkeit

Beim Entkoppeln dreht sich der Motor schneller als seine natürliche Drehzahl: Die Spannung, die er ohne den Stromfluss "d" erzeugen würde, übersteigt die Batteriespannung. Wenn der Controller plötzlich abschaltet (z.B. aufgrund eines Fehlers, eines Schutzes oder eines Stromausfalls), verschwindet der Stromfluss "d" und diese Spannung erscheint plötzlich an den Anschlüssen des Motors.

Der Motor verhält sich dann wie ein Generator, der Strom zurück zur Batterie über die Brücke des Controllers leitet. Dies kann zu einem abrupten Bremsvorgang und einer Spannung führen, die höher sein kann, als die Transistoren oder die Batterie aushalten. Aus diesem Grund lässt man einen Sicherheitsspielraum in der Spannung, und aus diesem Grund wird die Abschaltspannung vorsichtig eingestellt.

Werkstatt-Tipp.

Die Entkopplung wird in kleinen Schritten eingestellt, wobei die Temperaturen des Motors und des Controllers sowie die Batteriespannung überwacht werden. Sie sollte jedoch nur im geschlossenen Bereich durchgeführt werden: ein Verlust der Traktion oder ein abruptes Bremsen bei hoher Geschwindigkeit können schwerwiegende Folgen haben.

Entlüften oder höhere Spannung?

Um schneller zu fahren, gibt es zwei Möglichkeiten: Entmagnetisieren oder die Batteriespannung erhöhen. Eine höhere Spannung erhöht die Leistung ohne zusätzlichen Strom, also ohne Erwärmung oder Leistungsverlust, erfordert aber einen Akku, einen Controller und oft ein BMS, die kompatibel sind. Das Entmagnetisieren erfordert lediglich eine Einstellung, kostet aber an Wärme und Reichweite. Bei einem Rennfahrzeug werden oft beide Methoden kombiniert. Für Akkus, siehe unsere Akkus für E-Scooter.

Häufig gestellte Fragen

Um wie viel erhöht die Entgraten die Geschwindigkeit?

Das hängt vom Motor, der Spannung und dem Strom ab, die man bereit ist, dafür aufzuwenden. Der Gewinn ist real, aber er geht schnell mit einer höheren Wärmeentwicklung einher; er lässt sich am besten am Gerät selbst messen, indem man die Temperaturen überwacht, anstatt sich im Voraus bestimmte Ergebnisse zu versprechen.

Verursacht das Entmagnetisieren Schäden an den Magneten?

Innerhalb vernünftiger Grenzen: Nein, das Gegenfeld ist nur vorübergehend. Aber ein sehr starker Strom in einem bereits sehr heißen Motor kann dazu beitragen, die Magnete zu entmagnetisieren. Daher ist es wichtig, die Motortemperatur zu überwachen.

Können alle Controller eine Flussbegrenzung durchführen?

Nein. Es ist eine vektorbasierte Steuerung und eine dafür vorgesehene Funktion erforderlich. Regelbare Controller wie der VESC bieten dies, mit einer Einstellung für den maximalen Strom des Rücklaufs.