Permanentmagneet-synchroonmotoren
Een permanentmagneet-synchroonmotor (PMSM) draagt een blijvend magnetisch veld op de rotor en volgt het roterende statorveld met synchrone snelheid. In een elektrische auto kan deze architectuur een hoge koppeldichtheid en een breed gebied met hoog rendement bieden, maar de details zijn belangrijker dan de afkorting.
Hoe een PMSM koppel opwekt
De omvormer levert geregelde driefasenstroom aan de stator. Het resulterende magnetische veld roteert rondom de luchtspleet en trekt het magnetische veld van de rotor mee. Bij normaal synchroonbedrijf voltooien de rotor en het statorveld per tijdseenheid hetzelfde aantal magnetische omwentelingen; de slip van een inductiemotor ontbreekt.
De magneten kunnen dicht bij het rotoroppervlak worden gemonteerd of in het rotorblikpakket worden ingebed:
- Een motor met permanente magneten op het oppervlak heeft een relatief eenvoudige magnetische geometrie en geringe rotorsaliëntie. De magneten bij hoge snelheid tegen de middelpuntvliedende kracht vasthouden is een belangrijke mechanische opgave.
- Een motor met inwendige permanente magneten plaatst de magneten achter stalen bruggen of in gevormde fluxbarrières. Dit beschermt de magneten en creëert verschillende magnetische reluctantie langs de directe en kwadratuurassen van de rotor.
Dankzij dit richtingsafhankelijke verschil kan een machine met inwendige magneten naast magneetkoppel ook reluctantiekoppel produceren. Veel automotoren die worden omschreven als IPMSM, door permanente magneten ondersteunde synchroonreluctantie of permanentmagneet-synchroonreluctantie bevinden zich in overlappende technische gebieden. De benaming alleen laat niet zien hoeveel koppel uit elk mechanisme voortkomt.
Stroomregeling, basistoerental en veldverzwakking
De rotorpositie moet bekend zijn of worden geschat, zodat de omvormer het statorveld onder de hoek kan plaatsen die het gevraagde koppel produceert. Productiesystemen gebruiken vaak een resolver of positiesensor, doorgaans aangevuld met een modelgebaseerde schatting.
Veldgeoriënteerde regeling geeft de statorstroom weer op twee roterende assen. De koppelvormende en fluxveranderende componenten kunnen vervolgens afzonderlijk worden geregeld. Onder het basistoerental streeft de regeling doorgaans naar veel koppel per ampère, met inachtneming van stroom-, spannings-, temperatuur- en demagnetisatiegrenzen.
Bij hogere snelheid wekken de rotormagneten een toenemende tegen-elektromotorische kracht op. Zodra de beschikbare DC-busspanning de beperking vormt, legt de omvormer een stroomcomponent aan die een deel van de magneetflux tegenwerkt. Deze veldverzwakking vergroot het toerentalbereik, maar gebruikt stroomcapaciteit en voegt verliezen toe. De saliëntie van een rotor met inwendige magneten kan helpen een bruikbaar gebied met constant vermogen te creëren.
Bij regeneratief remmen produceert de gevraagde stroom een negatief askoppel en voert de omvormer binnen de grenzen van grip en accu elektrisch vermogen terug naar de accu.
Waarom PMSM’s efficiënt en compact zijn
Het rotorveld vereist geen voortdurende elektrische bekrachtiging, zodat bij normaal bedrijf geen verliezen in een inductiekooi of bekrachtigingsverliezen van een gewikkelde rotor optreden. Sterke magneten en een geoptimaliseerd magnetisch circuit kunnen vanuit een compacte rotor een hoge flux in de luchtspleet leveren. Deze eigenschappen ondersteunen een hoge koppel- en vermogensdichtheid.
Het rendement blijft een bedrijfskaart, geen vaste motoreigenschap. Koperverliezen in de stator domineren veel punten met hoog koppel; verliezen in ijzer, door wervelstromen in magneten, door luchtweerstand, in lagers, omvormer en tandwielen worden elders belangrijk. Bij zeer hoge snelheid kan de veldverzwakkingsstroom het systeemresultaat wezenlijk veranderen.
Magneten, temperatuur en materiaalvoorziening
Krachtige tractiemotoren gebruiken vanwege hun magnetische sterkte vaak neodymium-ijzer-boormagneten. Dysprosium, terbium of andere toevoegingen kunnen selectief worden gebruikt om de coërciviteit bij hoge temperatuur te behouden. Samarium-kobalt- en ferrietmagneten zijn alternatieven voor specifieke doelen rond temperatuur, kosten of toeleveringsketen, maar iedere keuze verandert de afwegingen voor afmetingen, magnetisch circuit en regeling.
Magneten hebben thermische grenzen. Een te hoge rotortemperatuur of een ongunstig magnetisch veld kan gedeeltelijke, onomkeerbare demagnetisatie veroorzaken. Ingenieurs beheersen dit risico via de magneetkwaliteit, segmentatie, rotorgeometrie, stroomgrenzen en koeling. Ook de winning van zeldzame aardmetalen, de concentratie van verwerking, prijsvolatiliteit en magneetproductie beïnvloeden de architectuurkeuze.
De uitspraak ‘PMSM’s vereisen zeldzame aardmetalen’ is daarom te algemeen: permanente magneten hoeven geen zeldzame-aarde-elementen te bevatten. Nauwkeuriger is dat veel PMSM’s voor auto’s met hoge vermogensdichtheid tegenwoordig zeldzame-aardmagneten gebruiken.
Wikkelingen en productie
De stator kan meeraderige draad of gevormde rechthoekige geleiders gebruiken. Hairpin-wikkelingen kunnen de kopervulling van de sleuven verhogen, de reproduceerbaarheid van de productie verbeteren en direct thermisch contact creëren, maar grotere geleiders kunnen bij hoge elektrische frequentie extra AC-verliezen hebben. Wikkelsteek, aantal sleuven en polen, lengte van de wikkelkoppen, isolatie, verbindingen en koeling worden samen met rotor en omvormer ontworpen.
Ook de plaatsing van de magneten is veeleisend. De rotorbruggen moeten het maximale toerental doorstaan en tegelijk magnetische lekkage beperken. Segmentatie van de magneten kan wervelstroomverliezen verminderen en bij hogesnelheidsontwerpen kunnen hulzen of andere borgconstructies nodig zijn.
Vrij rollen en secundaire assen
Een draaiende permanentmagneetrotor blijft magnetische flux creëren. Daarom produceert hij tegen-elektromotorische kracht en verliezen in de kern of magneten, ook wanneer het gevraagde koppel nul is. Tegen-elektromotorische kracht alleen betekent geen groot remkoppel als fasestroom wordt voorkomen, maar de inactieve aandrijfeenheid heeft nog steeds verliezen in lagers, afdichtingen, tandwielen, olie en elektromagnetische onderdelen.
Fabrikanten beheersen deze verliezen met omvormerregeling, een motorontwerp met lage verliezen, een ontkoppeling of een ander motortype op de secundaire as. De beste oplossing hangt af van kosten, reactietijd, inbouw en hoe vaak vierwielaandrijving nodig is.
Wat de benaming niet vertelt
‘PMSM’ vermeldt niet of magneten op het oppervlak of inwendig zijn geplaatst, welke samenstelling ze hebben, het aantal polen, het wikkelingstype, de koeling, het maximale toerental, het veldverzwakkingsbereik, de piekduur of de rendementskaart. Deze ontwerpkeuzes bepalen hoe de motor zich in een voertuig gedraagt.
De Porsche Taycan toont één productieaanpak: permanentmagneet-synchroonmotoren, hairpin-wikkelingen in de stator, vloeistofkoeling en omvormerregeling zijn geïntegreerd met asspecifieke transmissies. Andere elektrische auto’s gebruiken andere magneetindelingen, wikkelmethoden of vierwielaandrijfsystemen met gemengde motortypen. De motortopologie moet worden gezien als één deel van het complete ontwerp van de aandrijfeenheid.
Voor een uitvoerige uitleg van de fabrikant over de compacte constructie van een PMSM blijft de bestaande technische video van Lucid nuttig:
Terug naar Electric Motors and Drive Units.