Kestomagneettisynkronimoottorit
Kestomagneettisynkronimoottorissa (PMSM) roottorilla on pysyvä magneettikenttä, ja se seuraa staattorin pyörivää kenttää tahtinopeudella. Sähköautossa tämä rakenne voi tarjota suuren vääntömomenttitiheyden ja laajan korkean hyötysuhteen alueen, mutta yksityiskohdat ovat lyhennettä tärkeämpiä.
Miten PMSM tuottaa vääntömomenttia
Invertteri syöttää staattoriin hallittua kolmivaihevirtaa. Syntyvä magneettikenttä pyörii ilmavälin ympäri ja vetää roottorin magneettikentän mukaansa. Normaalissa tahtikäytössä roottori ja staattorikenttä tekevät saman määrän magneettisia kierroksia aikayksikköä kohti; induktiomoottorin jättämää ei ole.
Magneetit voidaan asentaa lähelle roottorin pintaa tai upottaa roottorin levypakettiin:
- Pintamagneettimoottorissa magneettinen geometria on suhteellisen yksinkertainen ja roottorin salienssi pieni. Magneettien pitäminen paikallaan suuren pyörimisnopeuden keskipakovoimaa vastaan on keskeinen mekaaninen tehtävä.
- Sisämagneettimoottorissa magneetit sijoitetaan terässiltojen taakse tai muotoiltuihin vuoesteisiin. Tämä suojaa magneetteja ja luo erilaisen magneettisen reluktanssin roottorin suoran ja poikittaisen akselin suunnissa.
Suuntariippuvaisen eron ansiosta sisämagneettikone voi tuottaa magneettivääntömomentin lisäksi reluktanssivääntömomenttia. Monet IPMSM-, kestomagneettiavusteinen synkronireluktanssi- tai kestomagneettisynkronireluktanssimoottoreiksi kuvatut automoottorit sijoittuvat päällekkäisille teknisille alueille. Pelkkä nimitys ei kerro, kuinka suuri osa vääntömomentista syntyy kummallakin mekanismilla.
Virranohjaus, perusnopeus ja kentänheikennys
Roottorin asento on tunnettava tai arvioitava, jotta invertteri voi asettaa staattorikentän pyydetyn vääntömomentin tuottavaan kulmaan. Tuotantojärjestelmissä käytetään tavallisesti resolveria tai asentoanturia, usein mallipohjaisen arvion tukemana.
Kenttäsuuntautunut säätö esittää staattorivirran kahdella pyörivällä akselilla. Vääntömomenttia tuottavia ja vuota muuttavia komponentteja voidaan silloin ohjata erikseen. Perusnopeuden alapuolella ohjaus pyrkii yleensä suureen vääntömomenttiin ampeeria kohti ja noudattaa samalla virta-, jännite-, lämpö- ja demagnetoitumisrajoja.
Suuremmalla nopeudella roottorin magneetit tuottavat kasvavan vastasähkömotorisen voiman. Kun käytettävissä olevasta DC-välipiirin jännitteestä tulee rajoite, invertteri syöttää virtakomponentin, joka vastustaa osaa magneettivuosta. Kentänheikennys kasvattaa nopeusaluetta, mutta käyttää virtakapasiteettia ja lisää häviöitä. Sisämagneettiroottorin salienssi voi auttaa luomaan hyödyllisen vakiotehon nopeusalueen.
Regeneratiivisessa jarrutuksessa ohjattu virta tuottaa akselille negatiivisen vääntömomentin, ja invertteri palauttaa sähkötehoa akkuun pidon ja akun rajojen puitteissa.
Miksi PMSM-moottorit ovat tehokkaita ja kompakteja
Roottorikenttä ei vaadi jatkuvaa sähköistä magnetointia, joten normaalikäytössä ei synny induktiohäkin häviöitä eikä käämityn roottorin magnetointihäviöitä. Voimakkaat magneetit ja optimoitu magneettipiiri voivat tuottaa kompaktista roottorista suuren ilmavälivuon. Ominaisuudet tukevat suurta vääntömomentti- ja tehotiheyttä.
Hyötysuhde on edelleen toimintakartta, ei moottorin kiinteä ominaisuus. Staattorin kuparihäviöt hallitsevat monia suuren vääntömomentin pisteitä; raudan, magneettien pyörrevirtojen, ilmanvastuksen, laakereiden, invertterin ja vaihteiden häviöt korostuvat muualla. Erittäin suurella nopeudella kentänheikennysvirta voi muuttaa järjestelmän tulosta huomattavasti.
Magneetit, lämpötila ja materiaalien saatavuus
Tehokkaissa ajomoottoreissa käytetään usein neodyymi-rauta-boorimagneetteja niiden magneettisen voimakkuuden vuoksi. Dysprosiumia, terbiumia tai muita lisäaineita voidaan käyttää valikoidusti koersiivisuuden säilyttämiseksi korkeassa lämpötilassa. Samarium-koboltti- ja ferriittimagneetit ovat vaihtoehtoja tiettyihin lämpötila-, kustannus- tai toimitusketjutavoitteisiin, mutta jokainen valinta muuttaa koon, magneettipiirin ja ohjauksen kompromisseja.
Magneeteilla on lämpörajat. Liiallinen roottorin lämpötila tai epäedullinen magneettikenttä voi aiheuttaa osittaisen, pysyvän demagnetoitumisen. Suunnittelijat hallitsevat riskiä magneettilaadulla, segmentoinnilla, roottorigeometrialla, virtarajoilla ja jäähdytyksellä. Harvinaisten maametallien louhinta, jalostuksen keskittyminen, hintavaihtelut ja magneettien valmistus vaikuttavat myös arkkitehtuurin valintaan.
Väite ”PMSM-moottorit tarvitsevat harvinaisia maametalleja” on siksi liian yleinen: kestomagneettien ei tarvitse sisältää harvinaisia maametalleja. Tarkemmin ilmaistuna monet suuren tehotiheyden autojen PMSM-moottorit käyttävät nykyään harvinaisten maametallien magneetteja.
Käämit ja valmistus
Staattorissa voidaan käyttää säikeistettyä lankaa tai muotoiltuja suorakulmaisia johtimia. Hairpin-käämit voivat kasvattaa urien kuparitäyttöä, parantaa valmistuksen toistettavuutta ja luoda suoran lämpökosketuksen, mutta suuremmissa johtimissa voi syntyä lisää AC-häviöitä korkealla sähköisellä taajuudella. Käämijako, ura- ja napaluku, kääminpäiden pituus, eristys, liitokset ja jäähdytys suunnitellaan yhdessä roottorin ja invertterin kanssa.
Magneettien sijoittaminen on yhtä vaativaa. Roottorisiltojen on kestettävä enimmäisnopeus ja samalla rajoitettava magneettista vuotoa. Magneettien segmentointi voi vähentää pyörrevirtahäviöitä, ja suurten nopeuksien rakenteissa voidaan tarvita holkkeja tai muita pidätysrakenteita.
Vapaasti rullaaminen ja toissijaiset akselit
Pyörivä kestomagneettiroottori tuottaa jatkuvasti magneettivuota. Siksi se synnyttää vastasähkömotorista voimaa sekä ytimen tai magneettien häviöitä myös silloin, kun pyydetty vääntömomentti on nolla. Vastasähkömotorinen voima ei yksin merkitse suurta jarrutusmomenttia, jos vaihevirta estetään, mutta käyttämättömässä voimansiirtoyksikössä on edelleen laakeri-, tiiviste-, vaihde-, öljy- ja sähkömagneettisia häviöitä.
Valmistajat hallitsevat häviöitä invertteriohjauksella, vähähäviöisellä moottorirakenteella, irrotuskytkimellä tai toisen akselin eri moottorityypillä. Paras ratkaisu riippuu kustannuksista, vasteajasta, pakkaamisesta ja siitä, kuinka usein nelivetoa tarvitaan.
Mitä nimi ei kerro
”PMSM” ei määritä pinta- tai sisämagneetteja, magneettien koostumusta, napalukua, käämityyppiä, jäähdytystä, enimmäisnopeutta, kentänheikennysaluetta, huipputehon kestoa tai hyötysuhdekarttaa. Nämä suunnitteluvalinnat ratkaisevat, miten moottori käyttäytyy ajoneuvossa.
Porsche Taycan esittelee yhden tuotantoratkaisun: kestomagneettisynkronimoottorit, staattorin hairpin-käämit, nestejäähdytys ja invertteriohjaus on integroitu akselikohtaisiin vaihteistoihin. Muissa sähköautoissa käytetään erilaisia magneettiasetteluja, käämitysmenetelmiä tai eri moottorityyppejä yhdistäviä nelivetojärjestelmiä. Moottorin topologiaa on tarkasteltava osana voimansiirtoyksikön kokonaisrakennetta.
Lucidin olemassa oleva tekninen video on edelleen hyödyllinen valmistajan yksityiskohtainen esitys kompaktista PMSM-rakenteesta:
Palaa sivulle Electric Motors and Drive Units.