Motori sincroni a magneti permanenti
Un motore sincrono a magneti permanenti (PMSM) mantiene un campo magnetico persistente sul rotore e segue il campo rotante dello statore alla velocità sincrona. In un veicolo elettrico, questa architettura può offrire un’elevata densità di coppia e un’ampia zona ad alto rendimento, ma i dettagli contano più della sigla.
Come un PMSM genera coppia
L’inverter fornisce corrente trifase controllata allo statore. Il campo magnetico risultante ruota attorno al traferro e trascina con sé il campo magnetico del rotore. Nel normale funzionamento sincrono, il rotore e il campo statorico compiono lo stesso numero di rivoluzioni magnetiche per unità di tempo; non esiste lo scorrimento di un motore a induzione.
I magneti possono essere montati vicino alla superficie del rotore oppure inseriti nei suoi lamierini:
- Un motore a magneti permanenti superficiali ha una geometria magnetica relativamente semplice e una bassa salienza del rotore. Trattenere i magneti contro la forza centrifuga ad alta velocità è un compito meccanico fondamentale.
- Un motore a magneti permanenti interni colloca i magneti dietro ponti d’acciaio o in barriere di flusso sagomate. Questo protegge i magneti e crea una riluttanza magnetica diversa lungo gli assi diretto e in quadratura del rotore.
Questa differenza direzionale consente a una macchina con magneti interni di produrre coppia di riluttanza oltre alla coppia magnetica. Molti motori automobilistici descritti come IPMSM, macchine sincrone a riluttanza assistite da magneti permanenti o macchine sincrone a riluttanza con magneti permanenti occupano aree tecniche sovrapposte. La denominazione da sola non rivela quanta coppia provenga da ciascun meccanismo.
Controllo della corrente, velocità di base e indebolimento di campo
La posizione del rotore deve essere nota o stimata affinché l’inverter possa collocare il campo statorico nell’angolo che genera la coppia richiesta. I sistemi di serie utilizzano comunemente un resolver o un sensore di posizione, spesso affiancato da una stima basata su modelli.
Il controllo orientato al campo rappresenta la corrente dello statore su due assi rotanti. Le componenti che producono coppia e quelle che modificano il flusso possono così essere controllate separatamente. Al di sotto della velocità di base, il sistema di controllo cerca normalmente una coppia elevata per ampere, rispettando al contempo i limiti di corrente, tensione, temperatura e smagnetizzazione.
A velocità più elevata, i magneti del rotore generano una forza controelettromotrice crescente. Quando la tensione disponibile del bus CC diventa il vincolo, l’inverter applica una componente di corrente che si oppone a una parte del flusso magnetico. Questo indebolimento di campo amplia il campo di velocità, ma utilizza capacità di corrente e aggiunge perdite. La salienza di un rotore con magneti interni può contribuire a creare un’utile zona di velocità a potenza costante.
Durante la frenata rigenerativa, la corrente comandata produce una coppia negativa all’albero e l’inverter restituisce potenza elettrica alla batteria entro i limiti di aderenza e della batteria.
Perché i PMSM sono efficienti e compatti
Il campo rotorico non richiede eccitazione elettrica continua, quindi nel funzionamento normale non vi sono né perdite in una gabbia di induzione né perdite di eccitazione di un rotore avvolto. Magneti potenti e un circuito magnetico ottimizzato possono fornire un elevato flusso nel traferro da un rotore compatto. Queste proprietà favoriscono un’alta densità di coppia e di potenza.
Il rendimento rimane una mappa di funzionamento, non una caratteristica fissa del motore. Le perdite nel rame dello statore dominano molti punti ad alta coppia; le perdite nel ferro, per correnti parassite nei magneti, per ventilazione, nei cuscinetti, nell’inverter e negli ingranaggi diventano importanti altrove. A velocità molto elevata, la corrente di indebolimento di campo può cambiare sensibilmente il risultato del sistema.
Magneti, temperatura e approvvigionamento dei materiali
I motori di trazione ad alte prestazioni utilizzano comunemente magneti al neodimio-ferro-boro per la loro forza magnetica. Disprosio, terbio o altri additivi possono essere impiegati selettivamente per conservare la coercitività ad alta temperatura. I magneti al samario-cobalto e in ferrite sono alternative per specifici obiettivi di temperatura, costo o catena di fornitura, ma ciascuna opzione modifica i compromessi di dimensioni, circuito magnetico e controllo.
I magneti hanno limiti termici. Una temperatura eccessiva del rotore o un campo magnetico avverso possono provocare una smagnetizzazione parziale e irreversibile. Gli ingegneri gestiscono questo rischio mediante qualità e segmentazione dei magneti, geometria del rotore, limiti di corrente e raffreddamento. Anche l’estrazione delle terre rare, la concentrazione della lavorazione, la volatilità dei prezzi e la produzione dei magneti influenzano la scelta dell’architettura.
L’affermazione «i PMSM richiedono terre rare» è quindi troppo generica: i magneti permanenti non devono necessariamente contenere elementi delle terre rare. È più preciso dire che molti PMSM automobilistici ad alta densità di potenza utilizzano oggi magneti con terre rare.
Avvolgimenti e produzione
Lo statore può utilizzare fili multifilari o conduttori rettangolari sagomati. Gli avvolgimenti hairpin possono aumentare il riempimento di rame delle cave, migliorare la ripetibilità della produzione e creare un contatto termico diretto, ma i conduttori più grandi possono subire perdite CA aggiuntive ad alta frequenza elettrica. Passo dell’avvolgimento, numero di cave e poli, lunghezza delle testate, isolamento, giunzioni e raffreddamento sono progettati insieme al rotore e all’inverter.
Il posizionamento dei magneti è altrettanto impegnativo. I ponti del rotore devono resistere alla velocità massima limitando al contempo le dispersioni magnetiche. La segmentazione dei magneti può ridurre le perdite per correnti parassite, e nei progetti ad alta velocità possono essere necessarie camicie o altre strutture di ritenzione.
Scorrimento libero e assi secondari
Un rotore a magneti permanenti in movimento continua a creare flusso magnetico. Produce quindi forza controelettromotrice e perdite nel nucleo o nei magneti anche quando la coppia comandata è zero. La forza controelettromotrice da sola non implica una grande coppia frenante se si impedisce la corrente di fase, ma l’unità di trazione inattiva presenta comunque perdite nei cuscinetti, nelle guarnizioni, negli ingranaggi, nell’olio e nei componenti elettromagnetici.
I costruttori gestiscono queste perdite tramite il controllo dell’inverter, un motore a basse perdite, una frizione di disconnessione o un tipo di motore diverso sull’asse secondario. La soluzione migliore dipende da costo, tempo di risposta, integrazione e frequenza con cui è necessaria la trazione integrale.
Cosa non rivela la denominazione
«PMSM» non specifica magneti superficiali o interni, composizione dei magneti, numero di poli, tipo di avvolgimento, raffreddamento, velocità massima, zona di indebolimento di campo, durata del picco o mappa di rendimento. Queste scelte progettuali determinano il comportamento del motore in un veicolo.
La Porsche Taycan mostra un approccio produttivo: motori sincroni a magneti permanenti, avvolgimenti hairpin nello statore, raffreddamento a liquido e controllo tramite inverter sono integrati con trasmissioni specifiche per ciascun asse. Altri veicoli elettrici utilizzano disposizioni diverse dei magneti, altri metodi di avvolgimento o sistemi di trazione integrale con tipi di motore misti. La topologia del motore va considerata come una parte della progettazione completa dell’unità di trazione.
Per una spiegazione dettagliata del costruttore sulla struttura compatta di un PMSM, il video tecnico esistente di Lucid rimane utile:
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