Permanentmagneterregte Synchronmotoren
Ein permanentmagneterregter Synchronmotor (PMSM) trägt ein dauerhaftes Magnetfeld auf seinem Rotor und folgt dem rotierenden Statorfeld mit Synchrondrehzahl. In einem Elektrofahrzeug kann diese Architektur eine hohe Drehmomentdichte und einen breiten Bereich mit hohem Wirkungsgrad bieten, doch die Details sind wichtiger als das Kürzel.
Wie ein PMSM Drehmoment erzeugt
Der Wechselrichter speist den Stator mit geregeltem Dreiphasenstrom. Das entstehende Magnetfeld rotiert um den Luftspalt und zieht das Magnetfeld des Rotors mit. Im normalen Synchronbetrieb vollziehen Rotor und Statorfeld pro Zeiteinheit gleich viele magnetische Umdrehungen; der Schlupf eines Induktionsmotors fehlt.
Die Magnete können nahe der Rotoroberfläche angebracht oder im Rotorblechpaket eingebettet sein:
- Ein oberflächenmontierter Permanentmagnetmotor besitzt eine vergleichsweise einfache magnetische Geometrie und eine geringe Rotorsalienz. Die Magnete gegen die Fliehkraft bei hoher Drehzahl zu halten, ist eine zentrale mechanische Aufgabe.
- Ein Permanentmagnetmotor mit innenliegenden Magneten platziert diese hinter Stahlstegen oder in geformten Flussbarrieren. Das schützt die Magnete und erzeugt entlang der direkten und der Querachse des Rotors unterschiedliche magnetische Reluktanzen.
Dieser richtungsabhängige Unterschied ermöglicht einer Maschine mit innenliegenden Magneten, neben Magnetdrehmoment auch Reluktanzdrehmoment zu erzeugen. Viele als IPMSM, permanentmagnetunterstützte Synchronreluktanzmaschine oder permanentmagneterregte Synchronreluktanzmaschine bezeichnete Automobilmotoren bewegen sich in sich überschneidenden technischen Bereichen. Die Bezeichnung allein verrät nicht, welcher Anteil des Drehmoments aus welchem Mechanismus stammt.
Stromregelung, Grunddrehzahl und Feldschwächung
Die Rotorposition muss bekannt sein oder geschätzt werden, damit der Wechselrichter das Statorfeld in dem Winkel ausrichten kann, der das gewünschte Drehmoment erzeugt. Seriensysteme nutzen gewöhnlich einen Resolver oder Positionssensor, häufig ergänzt durch eine modellbasierte Schätzung.
Die feldorientierte Regelung stellt den Statorstrom auf zwei rotierenden Achsen dar. Dadurch lassen sich die drehmomentbildenden und flussändernden Komponenten getrennt regeln. Unterhalb der Grunddrehzahl strebt die Regelung normalerweise ein hohes Drehmoment pro Ampere an und berücksichtigt zugleich Strom-, Spannungs-, Temperatur- und Entmagnetisierungsgrenzen.
Bei höherer Drehzahl erzeugen die Rotormagnete eine zunehmende Gegen-EMK. Sobald die verfügbare Zwischenkreisspannung begrenzend wirkt, legt der Wechselrichter eine Stromkomponente an, die einem Teil des Magnetflusses entgegenwirkt. Diese Feldschwächung erweitert den Drehzahlbereich, belegt jedoch Stromkapazität und verursacht zusätzliche Verluste. Die Salienz eines Rotors mit innenliegenden Magneten kann einen nutzbaren Konstantleistungsbereich unterstützen.
Beim regenerativen Bremsen erzeugt der vorgegebene Strom ein negatives Wellenmoment, und der Wechselrichter führt innerhalb der Traktions- und Batteriegrenzen elektrische Leistung zur Batterie zurück.
Warum PMSM effizient und kompakt sind
Das Rotorfeld benötigt keine kontinuierliche elektrische Erregung, daher entstehen im Normalbetrieb weder Verluste eines Induktionskäfigs noch Erregerverluste eines gewickelten Rotors. Starke Magnete und ein optimierter Magnetkreis können aus einem kompakten Rotor einen hohen Luftspaltfluss liefern. Diese Eigenschaften ermöglichen eine hohe Drehmoment- und Leistungsdichte.
Der Wirkungsgrad bleibt ein Betriebskennfeld und ist keine feste Motoreigenschaft. An vielen Punkten mit hohem Drehmoment dominieren Kupferverluste im Stator; an anderen Stellen werden Eisen-, Wirbelstromverluste in den Magneten sowie Wind-, Lager-, Wechselrichter- und Getriebeverluste wichtig. Bei sehr hoher Drehzahl kann der Feldschwächstrom das Gesamtergebnis deutlich verändern.
Magnete, Temperatur und Materialversorgung
Hochleistungs-Traktionsmotoren verwenden wegen ihrer Magnetstärke häufig Neodym-Eisen-Bor-Magnete. Dysprosium, Terbium oder andere Zusätze können gezielt eingesetzt werden, um die Koerzitivfeldstärke bei Temperatur zu erhalten. Samarium-Kobalt- und Ferritmagnete sind Alternativen für bestimmte Temperatur-, Kosten- oder Lieferkettenziele, verändern jedoch jeweils die Abmessungen, den Magnetkreis und die Regelungsabwägungen.
Magnete besitzen thermische Grenzen. Eine zu hohe Rotortemperatur oder ein ungünstiges Magnetfeld kann eine teilweise, irreversible Entmagnetisierung verursachen. Entwickler beherrschen dieses Risiko durch Magnetgüte, Segmentierung, Rotorgeometrie, Stromgrenzen und Kühlung. Auch der Abbau seltener Erden, die Konzentration der Verarbeitung, Preisschwankungen und die Magnetfertigung beeinflussen die Architekturentscheidung.
Die Aussage „PMSM benötigen seltene Erden“ ist daher zu pauschal: Permanentmagnete müssen keine Seltenerdelemente enthalten. Genauer ist, dass heute viele automobile PMSM mit hoher Leistungsdichte Seltenerdmagnete verwenden.
Wicklungen und Fertigung
Der Stator kann Litzenleiter oder geformte rechteckige Leiter nutzen. Hairpin-Wicklungen können den Kupferfüllfaktor der Nuten erhöhen, die Fertigungswiederholbarkeit verbessern und direkten thermischen Kontakt schaffen. Größere Leiter können jedoch bei hoher elektrischer Frequenz zusätzliche Wechselstromverluste aufweisen. Wicklungsschritt, Nut- und Polzahl, Länge der Wickelköpfe, Isolierung, Fügeverfahren und Kühlung werden gemeinsam mit Rotor und Wechselrichter ausgelegt.
Auch die Magnetplatzierung ist anspruchsvoll. Die Rotorstege müssen der Höchstdrehzahl standhalten und gleichzeitig magnetische Streuflüsse begrenzen. Eine Segmentierung der Magnete kann Wirbelstromverluste verringern; bei Hochgeschwindigkeitsausführungen können Hülsen oder andere Haltestrukturen erforderlich sein.
Rollen und Sekundärachsen
Ein rotierender Permanentmagnetrotor erzeugt weiterhin Magnetfluss. Deshalb entstehen selbst bei einem Drehmomentsollwert von null Gegen-EMK sowie Verluste im Kern oder in den Magneten. Die Gegen-EMK allein bedeutet kein großes Bremsmoment, wenn ein Phasenstrom verhindert wird, doch die inaktive Antriebseinheit weist weiterhin Lager-, Dichtungs-, Zahnrad-, Öl- und elektromagnetische Verluste auf.
Hersteller beherrschen diese Verluste durch Wechselrichterregelung, verlustarme Motorauslegung, eine Trennkupplung oder einen anderen Motortyp an der Sekundärachse. Die beste Lösung hängt von Kosten, Reaktionszeit, Bauraum und der Häufigkeit des benötigten Allradantriebs ab.
Was die Bezeichnung nicht verrät
„PMSM“ sagt nichts über oberflächenmontierte oder innenliegende Magnete, Magnetwerkstoff, Polzahl, Wicklungsart, Kühlung, Höchstdrehzahl, Feldschwächbereich, Spitzendauer oder Wirkungsgradkennfeld aus. Diese Konstruktionsentscheidungen bestimmen das Verhalten des Motors im Fahrzeug.
Der Porsche Taycan zeigt einen Serienansatz: Permanentmagneterregte Synchronmotoren, Hairpin-Statorwicklungen, Flüssigkeitskühlung und Wechselrichterregelung sind mit achsspezifischen Getrieben integriert. Andere Elektrofahrzeuge verwenden andere Magnetanordnungen, Wicklungsverfahren oder Allradsysteme mit gemischten Motortypen. Die Motortopologie sollte als ein Teil der vollständigen Antriebsauslegung betrachtet werden.
Für eine ausführliche Herstellererläuterung zum kompakten Aufbau eines PMSM bleibt das vorhandene technische Video von Lucid hilfreich:
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