Permanentmagnet-synkronmotorer
En permanentmagnet-synkronmotor (PMSM) har et vedvarende magnetfelt på rotoren og følger statorens roterende felt med synkron hastighed. I en elbil kan denne arkitektur give høj momenttæthed og et bredt område med høj virkningsgrad, men detaljerne betyder mere end forkortelsen.
Sådan skaber en PMSM moment
Inverteren leverer styret trefaset strøm til statoren. Det resulterende magnetfelt roterer omkring luftgabet og trækker rotorens magnetfelt med sig. Under normal synkron drift gennemfører rotoren og statorfeltet det samme antal magnetiske omdrejninger pr. tidsenhed; der er intet slip som i en induktionsmotor.
Magneterne kan monteres tæt ved rotorens overflade eller indlejres i rotorens lamineringer:
- En overflademonteret permanentmagnetmotor har en forholdsvis enkel magnetisk geometri og lav rotorsaliens. Fastholdelse af magneterne mod centrifugalkraften ved høj hastighed er en central mekanisk opgave.
- En permanentmagnetmotor med indvendige magneter placerer magneterne bag stålbroer eller i formede fluxbarrierer. Det beskytter magneterne og skaber forskellig magnetisk reluktans langs rotorens direkte akse og kvadraturakse.
Den retningsbestemte forskel gør det muligt for en maskine med indvendige magneter at skabe reluktansmoment såvel som magnetmoment. Mange bilmotorer, der beskrives som IPMSM, permanentmagnetassisterede synkronreluktansmaskiner eller permanentmagnet-synkronreluktansmaskiner, befinder sig i overlappende tekniske områder. Betegnelsen alene afslører ikke, hvor stor en del af momentet der kommer fra hver mekanisme.
Strømstyring, basishastighed og feltsvækkelse
Rotorens position skal kendes eller estimeres, så inverteren kan placere statorfeltet i den vinkel, der skaber det ønskede moment. Produktionssystemer bruger normalt en resolver eller positionssensor, ofte understøttet af modelbaseret estimering.
Feltorienteret styring repræsenterer statorstrømmen på to roterende akser. De momentdannende og fluxændrende komponenter kan dermed styres separat. Under basishastigheden søger styringen normalt et højt moment pr. ampere og overholder samtidig grænser for strøm, spænding, temperatur og afmagnetisering.
Ved højere hastighed skaber rotormagneterne en stigende modelektromotorisk kraft. Når den tilgængelige DC-mellemkredsspænding bliver begrænsningen, tilfører inverteren en strømkomponent, der modvirker en del af magnetfluxen. Feltsvækkelsen udvider hastighedsområdet, men bruger strømkapacitet og tilføjer tab. Saliensen i en rotor med indvendige magneter kan bidrage til at skabe et nyttigt område med konstant effekt.
Under regenerativ bremsning skaber den styrede strøm negativt akselmoment, og inverteren sender elektrisk effekt tilbage til batteriet inden for grænserne for vejgreb og batteri.
Derfor er PMSM-motorer effektive og kompakte
Rotorfeltet kræver ikke kontinuerlig elektrisk excitation, så der er hverken tab i et induktionsbur eller excitationstab fra et viklet felt under normal drift. Stærke magneter og et optimeret magnetkredsløb kan levere høj flux i luftgabet fra en kompakt rotor. Egenskaberne understøtter høj moment- og effekttæthed.
Virkningsgraden er stadig et driftskort, ikke en fast motoregenskab. Kobbertabet i statoren dominerer mange punkter med højt moment; tab i jern, hvirvelstrømme i magneter, luftmodstand, lejer, inverter og gear bliver vigtige andre steder. Ved meget høj hastighed kan feltsvækningsstrømmen ændre systemresultatet mærkbart.
Magneter, temperatur og materialeforsyning
Traktionsmotorer med høj ydelse bruger ofte neodym-jern-bor-magneter på grund af deres magnetiske styrke. Dysprosium, terbium eller andre tilsætninger kan bruges selektivt for at bevare koerciviteten ved temperatur. Samarium-kobolt- og ferritmagneter er alternativer til bestemte mål for temperatur, omkostninger eller forsyningskæde, men hver løsning ændrer afvejningerne mellem størrelse, magnetkredsløb og styring.
Magneter har termiske grænser. For høj rotortemperatur eller et ugunstigt magnetfelt kan medføre delvis, irreversibel afmagnetisering. Ingeniørerne håndterer risikoen gennem magnetkvalitet, segmentering, rotorgeometri, strømgrænser og køling. Udvinding af sjældne jordarter, koncentration af forarbejdning, prisudsving og magnetproduktion påvirker også valget af arkitektur.
Udsagnet ”PMSM-motorer kræver sjældne jordarter” er derfor for bredt: permanentmagneter behøver ikke indeholde sjældne jordarter. Det mere præcise er, at mange PMSM-motorer til biler med høj effekttæthed bruger magneter med sjældne jordarter i dag.
Viklinger og fremstilling
Statoren kan bruge flertrådet ledning eller formede rektangulære ledere. Hairpin-viklinger kan øge kobberfyldningen i noterne, forbedre gentageligheden i produktionen og skabe direkte termisk kontakt, men større ledere kan få yderligere AC-tab ved høj elektrisk frekvens. Viklingsskridt, antal noter og poler, endeviklingernes længde, isolering, samlinger og køling konstrueres sammen med rotor og inverter.
Placeringen af magneterne er lige så krævende. Rotorbroerne skal tåle maksimal hastighed og samtidig begrænse magnetisk lækage. Segmentering af magneter kan reducere hvirvelstrømstab, og muffer eller andre fastholdelseskonstruktioner kan være nødvendige i højhastighedsdesign.
Friløb og sekundære aksler
En roterende permanentmagnetrotor fortsætter med at skabe magnetisk flux. Den skaber derfor modelektromotorisk kraft samt tab i kerne eller magneter, selv når det styrede moment er nul. Modelektromotorisk kraft alene indebærer ikke et stort bremsemoment, hvis fasestrøm forhindres, men den inaktive drivenhed har stadig tab i lejer, tætninger, gear, olie og elektromagnetiske dele.
Producenterne håndterer tabene gennem inverterstyring, motordesign med lave tab, en frakoblingskobling eller en anden motortype på den sekundære aksel. Den bedste løsning afhænger af omkostninger, reaktionstid, indbygning og hvor ofte firehjulstræk er nødvendigt.
Det fortæller navnet ikke
”PMSM” angiver ikke overflade- eller indvendige magneter, magnetkemi, antal poler, viklingstype, køling, maksimal hastighed, feltsvækningsområde, varighed af spidseffekt eller virkningsgradskort. Disse designvalg bestemmer, hvordan motoren opfører sig i et køretøj.
Porsche Taycan viser én produktionsløsning: Permanentmagnet-synkronmotorer, hairpin-viklinger i statoren, væskekøling og inverterstyring integreres med akselspecifikke transmissioner. Andre elbiler bruger andre magnetopbygninger, viklingsmetoder eller firehjulstræk med blandede motortyper. Motortopologien bør ses som én del af den komplette konstruktion af drivenheden.
Den eksisterende tekniske video fra Lucid er fortsat nyttig som en detaljeret producentgennemgang af en kompakt PMSM-konstruktion:
Tilbage til Electric Motors and Drive Units.