Silniki synchroniczne z magnesami trwałymi
Silnik synchroniczny z magnesami trwałymi (PMSM) ma stałe pole magnetyczne na wirniku i podąża za wirującym polem stojana z prędkością synchroniczną. W pojeździe elektrycznym ta architektura może zapewnić wysoką gęstość momentu i szeroki obszar wysokiej sprawności, lecz szczegóły są ważniejsze niż skrót.
Jak PMSM wytwarza moment obrotowy
Falownik dostarcza do stojana sterowany prąd trójfazowy. Powstałe pole magnetyczne wiruje wokół szczeliny powietrznej i ciągnie za sobą pole magnetyczne wirnika. W normalnej pracy synchronicznej wirnik i pole stojana wykonują taką samą liczbę obrotów magnetycznych w jednostce czasu; nie występuje poślizg charakterystyczny dla silnika indukcyjnego.
Magnesy mogą być zamontowane blisko powierzchni wirnika lub umieszczone wewnątrz jego pakietu blach:
- Silnik z powierzchniowymi magnesami trwałymi ma stosunkowo prostą geometrię magnetyczną i małą wydatność biegunową wirnika. Utrzymanie magnesów przeciw sile odśrodkowej przy dużej prędkości jest kluczowym zadaniem mechanicznym.
- Silnik z wewnętrznymi magnesami trwałymi umieszcza magnesy za stalowymi mostkami lub w ukształtowanych barierach strumienia. Chroni to magnesy i tworzy różną reluktancję magnetyczną wzdłuż osi bezpośredniej i poprzecznej wirnika.
Ta kierunkowa różnica pozwala maszynie z wewnętrznymi magnesami wytwarzać moment reluktancyjny obok momentu magnetycznego. Wiele silników samochodowych określanych jako IPMSM, synchroniczne maszyny reluktancyjne wspomagane magnesami trwałymi lub synchroniczne maszyny reluktancyjne z magnesami trwałymi zajmuje nakładające się obszary techniczne. Sama nazwa nie ujawnia, jaka część momentu pochodzi z każdego mechanizmu.
Sterowanie prądem, prędkość bazowa i osłabianie pola
Położenie wirnika musi być znane lub oszacowane, aby falownik mógł ustawić pole stojana pod kątem wytwarzającym żądany moment. Układy seryjne często korzystają z resolwera lub czujnika położenia, zwykle uzupełnionego estymacją modelową.
Sterowanie zorientowane polowo przedstawia prąd stojana w dwóch obracających się osiach. Składowe wytwarzające moment i zmieniające strumień można wtedy regulować oddzielnie. Poniżej prędkości bazowej sterownik zwykle dąży do dużego momentu na amper, przestrzegając jednocześnie ograniczeń prądowych, napięciowych, cieplnych i rozmagnesowania.
Przy wyższej prędkości magnesy wirnika wytwarzają rosnącą siłę przeciwelektromotoryczną. Gdy dostępne napięcie magistrali DC staje się ograniczeniem, falownik podaje składową prądu przeciwdziałającą części strumienia magnesów. Osłabianie pola rozszerza zakres prędkości, lecz zużywa zdolność prądową i zwiększa straty. Wydatność biegunowa wirnika z wewnętrznymi magnesami może pomóc stworzyć użyteczny zakres prędkości przy stałej mocy.
Podczas hamowania rekuperacyjnego zadany prąd wytwarza ujemny moment na wale, a falownik oddaje energię elektryczną do akumulatora w granicach przyczepności i możliwości akumulatora.
Dlaczego PMSM są sprawne i kompaktowe
Pole wirnika nie wymaga ciągłego wzbudzenia elektrycznego, dlatego w normalnej pracy nie występują straty w klatce indukcyjnej ani straty wzbudzenia wirnika uzwojonego. Silne magnesy i zoptymalizowany obwód magnetyczny mogą dostarczyć wysoki strumień w szczelinie powietrznej z kompaktowego wirnika. Właściwości te sprzyjają dużej gęstości momentu i mocy.
Sprawność nadal jest mapą pracy, a nie stałą cechą silnika. Straty miedzi w stojanie dominują w wielu punktach dużego momentu; w innych miejscach istotne stają się straty w żelazie, od prądów wirowych w magnesach, oporów powietrza, łożysk, falownika i przekładni. Przy bardzo dużej prędkości prąd osłabiania pola może znacząco zmienić wynik całego układu.
Magnesy, temperatura i dostępność materiałów
Wysokowydajne silniki trakcyjne często wykorzystują magnesy neodymowo-żelazowo-borowe ze względu na ich siłę magnetyczną. Dysproz, terb lub inne dodatki można stosować wybiórczo, aby zachować koercję w wysokiej temperaturze. Magnesy samarowo-kobaltowe i ferrytowe są alternatywami dla określonych celów temperaturowych, kosztowych lub logistycznych, lecz każda opcja zmienia kompromisy dotyczące rozmiaru, obwodu magnetycznego i sterowania.
Magnesy mają ograniczenia cieplne. Zbyt wysoka temperatura wirnika lub niekorzystne pole magnetyczne mogą spowodować częściowe, nieodwracalne rozmagnesowanie. Inżynierowie ograniczają to ryzyko przez dobór klasy i segmentację magnesów, geometrię wirnika, ograniczenia prądu i chłodzenie. Wydobycie metali ziem rzadkich, koncentracja przetwarzania, zmienność cen i produkcja magnesów również wpływają na wybór architektury.
Stwierdzenie „PMSM wymagają metali ziem rzadkich” jest więc zbyt ogólne: magnesy trwałe nie muszą zawierać pierwiastków ziem rzadkich. Dokładniej można powiedzieć, że wiele samochodowych PMSM o wysokiej gęstości mocy korzysta dziś z magnesów ziem rzadkich.
Uzwojenia i produkcja
Stojan może wykorzystywać przewody wielodrutowe lub formowane przewodniki prostokątne. Uzwojenia hairpin mogą zwiększyć wypełnienie żłobków miedzią, poprawić powtarzalność produkcji i zapewnić bezpośredni kontakt cieplny, lecz większe przewodniki mogą mieć dodatkowe straty AC przy wysokiej częstotliwości elektrycznej. Poskok uzwojenia, liczba żłobków i biegunów, długość czół uzwojeń, izolacja, połączenia i chłodzenie są projektowane wspólnie z wirnikiem oraz falownikiem.
Rozmieszczenie magnesów jest równie wymagające. Mostki wirnika muszą wytrzymać maksymalną prędkość, a jednocześnie ograniczać rozproszenie magnetyczne. Segmentacja magnesów może zmniejszać straty od prądów wirowych, a konstrukcje wysokoobrotowe mogą wymagać tulei lub innych elementów mocujących.
Swobodne toczenie i dodatkowe osie
Obracający się wirnik z magnesami trwałymi nadal wytwarza strumień magnetyczny. Dlatego powstają siła przeciwelektromotoryczna oraz straty w rdzeniu lub magnesach, nawet gdy zadany moment wynosi zero. Sama siła przeciwelektromotoryczna nie oznacza dużego momentu hamującego, jeśli zapobiega się przepływowi prądu fazowego, lecz nieaktywny zespół napędowy nadal ma straty w łożyskach, uszczelnieniach, przekładniach, oleju i elementach elektromagnetycznych.
Producenci ograniczają te straty przez sterowanie falownikiem, niskostratną konstrukcję silnika, sprzęgło rozłączające lub inny typ silnika na dodatkowej osi. Najlepsze rozwiązanie zależy od kosztu, czasu reakcji, zabudowy i częstotliwości korzystania z napędu na wszystkie koła.
Czego nie mówi nazwa
„PMSM” nie określa powierzchniowych ani wewnętrznych magnesów, ich składu, liczby biegunów, rodzaju uzwojenia, chłodzenia, maksymalnej prędkości, zakresu osłabiania pola, czasu trwania mocy szczytowej ani mapy sprawności. Te decyzje projektowe określają zachowanie silnika w pojeździe.
Porsche Taycan pokazuje jedno podejście produkcyjne: silniki synchroniczne z magnesami trwałymi, uzwojenia hairpin stojana, chłodzenie cieczą i sterowanie falownikiem są zintegrowane z przekładniami właściwymi dla każdej osi. Inne pojazdy elektryczne wykorzystują odmienne układy magnesów, metody uzwajania lub napędy na wszystkie koła z mieszanymi typami silników. Topologię silnika należy traktować jako jedną część kompletnej konstrukcji zespołu napędowego.
Szczegółowe omówienie kompaktowej konstrukcji PMSM przez producenta zawiera nadal przydatny film techniczny firmy Lucid:
Wróć do Electric Motors and Drive Units.