Permanentmagnet-synkronmotorer
En permanentmagnet-synkronmotor (PMSM) har et vedvarende magnetfelt på rotoren og følger statorens roterende felt med synkron hastighet. I en elbil kan denne arkitekturen gi høy dreiemomenttetthet og et bredt område med høy virkningsgrad, men detaljene betyr mer enn forkortelsen.
Slik skaper en PMSM dreiemoment
Vekselretteren leverer styrt trefaset strøm til statoren. Det resulterende magnetfeltet roterer rundt luftgapet og trekker rotorens magnetfelt med seg. Ved normal synkron drift fullfører rotoren og statorfeltet like mange magnetiske omdreininger per tidsenhet; sakkingen fra en induksjonsmotor finnes ikke.
Magnetene kan monteres nær rotoroverflaten eller bygges inn i rotorens lamineringer:
- En overflatemontert permanentmagnetmotor har forholdsvis enkel magnetisk geometri og lav rotorsaliens. Å holde magnetene på plass mot sentrifugalkraften ved høyt turtall er en sentral mekanisk oppgave.
- En permanentmagnetmotor med innvendige magneter plasserer magnetene bak stålbroer eller i formede fluksbarrierer. Det beskytter magnetene og skaper ulik magnetisk reluktans langs rotorens direkte akse og kvadraturakse.
Den retningsavhengige forskjellen gjør at en maskin med innvendige magneter kan skape reluktansmoment i tillegg til magnetmoment. Mange bilmotorer som beskrives som IPMSM, permanentmagnetassistert synkronreluktans eller permanentmagnet-synkronreluktans, befinner seg i overlappende tekniske områder. Betegnelsen alene avslører ikke hvor mye av dreiemomentet som kommer fra hver mekanisme.
Strømstyring, basisturtall og feltsvekking
Rotorens posisjon må være kjent eller estimert, slik at vekselretteren kan plassere statorfeltet i vinkelen som skaper ønsket dreiemoment. Produksjonssystemer bruker vanligvis en resolver eller posisjonssensor, ofte støttet av modellbasert estimering.
Feltorientert styring representerer statorstrømmen på to roterende akser. De dreiemomentdannende og fluksendrende komponentene kan dermed styres separat. Under basisturtallet søker styringen vanligvis høyt dreiemoment per ampere samtidig som den overholder grenser for strøm, spenning, temperatur og avmagnetisering.
Ved høyere turtall skaper rotormagnetene økende mot-elektromotorisk kraft. Når den tilgjengelige DC-busspenningen blir begrensningen, tilfører vekselretteren en strømkomponent som motvirker en del av magnetfluksen. Feltsvekkingen utvider turtallsområdet, men bruker strømkapasitet og øker tapene. Saliensen i en rotor med innvendige magneter kan bidra til å skape et nyttig område med konstant effekt.
Ved regenerativ bremsing skaper den beordrede strømmen negativt akselmoment, og vekselretteren fører elektrisk effekt tilbake til batteriet innenfor grensene for veigrep og batteri.
Derfor er PMSM-motorer effektive og kompakte
Rotorfeltet krever ikke kontinuerlig elektrisk eksitasjon, så det oppstår verken tap i et induksjonsbur eller eksitasjonstap i en viklet rotor under normal drift. Sterke magneter og en optimalisert magnetkrets kan gi høy fluks i luftgapet fra en kompakt rotor. Egenskapene støtter høy dreiemoment- og effekttetthet.
Virkningsgraden er fortsatt et driftskart, ikke en fast motoregenskap. Kobbertap i statoren dominerer mange punkter med høyt dreiemoment; tap i jern, fra virvelstrømmer i magneter, luftmotstand, lagre, vekselretter og gir blir viktige andre steder. Ved svært høyt turtall kan feltsvekkingsstrømmen endre systemresultatet merkbart.
Magneter, temperatur og materialforsyning
Trekkmotorer med høy ytelse bruker ofte neodym-jern-bor-magneter på grunn av den magnetiske styrken. Dysprosium, terbium eller andre tilsetninger kan brukes selektivt for å bevare koersiviteten ved høy temperatur. Samarium-kobolt- og ferrittmagneter er alternativer for bestemte mål knyttet til temperatur, kostnad eller forsyningskjede, men hvert valg endrer avveiningene for størrelse, magnetkrets og styring.
Magneter har termiske grenser. For høy rotortemperatur eller et ugunstig magnetfelt kan føre til delvis, irreversibel avmagnetisering. Ingeniørene håndterer risikoen gjennom magnetkvalitet, segmentering, rotorgeometri, strømgrenser og kjøling. Utvinning av sjeldne jordarter, konsentrert foredling, prisvariasjoner og magnetproduksjon påvirker også valget av arkitektur.
Påstanden «PMSM-motorer krever sjeldne jordarter» er derfor for generell: Permanentmagneter trenger ikke å inneholde sjeldne jordarter. Det mer presise er at mange PMSM-motorer for biler med høy effekttetthet i dag bruker magneter med sjeldne jordarter.
Viklinger og produksjon
Statoren kan bruke flertrådet ledning eller formede rektangulære ledere. Hairpin-viklinger kan øke kobberfyllingen i sporene, forbedre repeterbarheten i produksjonen og skape direkte termisk kontakt, men større ledere kan få ekstra AC-tap ved høy elektrisk frekvens. Viklingstrinn, antall spor og poler, endeviklingenes lengde, isolasjon, sammenføyning og kjøling konstrueres sammen med rotor og vekselretter.
Plasseringen av magnetene er like krevende. Rotorbroene må tåle maksimalt turtall samtidig som magnetisk lekkasje begrenses. Segmentering av magnetene kan redusere virvelstrømstap, og hylser eller andre holdekonstruksjoner kan være nødvendige i høyhastighetsdesign.
Frirulling og sekundære aksler
En roterende permanentmagnetrotor fortsetter å skape magnetisk fluks. Den skaper derfor mot-elektromotorisk kraft samt tap i kjerne eller magneter selv når beordret dreiemoment er null. Mot-elektromotorisk kraft alene innebærer ikke stort bremsemoment dersom fasestrøm hindres, men den inaktive drivenheten har fortsatt tap i lagre, tetninger, gir, olje og elektromagnetiske deler.
Produsentene håndterer tapene gjennom vekselretterstyring, motordesign med lave tap, en frakoblingsclutch eller en annen motortype på sekundærakselen. Den beste løsningen avhenger av kostnad, responstid, innbygging og hvor ofte firehjulsdrift er nødvendig.
Dette forteller ikke navnet
«PMSM» angir ikke overflate- eller innvendige magneter, magnetkjemi, antall poler, viklingstype, kjøling, maksimalt turtall, feltsvekkingsområde, varighet av toppeffekt eller virkningsgradskartet. Disse designvalgene bestemmer hvordan motoren oppfører seg i et kjøretøy.
Porsche Taycan viser én produksjonsløsning: Permanentmagnet-synkronmotorer, hairpin-viklinger i statoren, væskekjøling og vekselretterstyring integreres med akselspesifikke transmisjoner. Andre elbiler bruker andre magnetoppsett, viklingsmetoder eller firehjulsdriftsystemer med blandede motortyper. Motortopologien bør ses som én del av den komplette konstruksjonen av drivenheten.
For en detaljert produsentgjennomgang av en kompakt PMSM-konstruksjon er den eksisterende tekniske videoen fra Lucid fortsatt nyttig:
Tilbake til Electric Motors and Drive Units.