Permanentmagnetiserade synkronmotorer
En permanentmagnetiserad synkronmotor (PMSM) har ett bestående magnetfält på rotorn och följer statorns roterande fält med synkron hastighet. I en elbil kan arkitekturen ge hög momenttäthet och ett brett område med hög verkningsgrad, men detaljerna betyder mer än förkortningen.
Så skapar en PMSM vridmoment
Växelriktaren matar statorn med reglerad trefasström. Det resulterande magnetfältet roterar runt luftgapet och drar med sig rotorns magnetfält. Vid normal synkrondrift fullbordar rotorn och statorfältet lika många magnetiska varv per tidsenhet; induktionsmotorns eftersläpning saknas.
Magneterna kan monteras nära rotorns yta eller bäddas in i rotorns plåtpaket:
- En ytmonterad permanentmagnetmotor har en jämförelsevis enkel magnetisk geometri och låg rotorsaliens. Att hålla kvar magneterna mot centrifugalkraften vid högt varvtal är en central mekanisk uppgift.
- En permanentmagnetmotor med invändiga magneter placerar magneterna bakom stålbryggor eller i formade flödesbarriärer. Det skyddar magneterna och skapar olika magnetisk reluktans längs rotorns direkt- och kvadraturaxlar.
Den riktningsberoende skillnaden gör att en maskin med invändiga magneter kan skapa reluktansmoment utöver magnetmoment. Många fordonsmotorer som beskrivs som IPMSM, permanentmagnetassisterad synkronreluktans eller permanentmagnetiserad synkronreluktans ligger inom överlappande tekniska områden. Beteckningen avslöjar inte hur stor del av vridmomentet som kommer från respektive mekanism.
Strömreglering, basvarvtal och fältförsvagning
Rotorns position måste vara känd eller uppskattad så att växelriktaren kan placera statorfältet i den vinkel som ger önskat vridmoment. Produktionssystem använder ofta en resolver eller positionsgivare, vanligen kompletterad med modellbaserad uppskattning.
Fältorienterad reglering representerar statorströmmen på två roterande axlar. De vridmomentskapande och flödesförändrande komponenterna kan då regleras separat. Under basvarvtalet söker regleringen vanligtvis högt vridmoment per ampere och respekterar samtidigt gränser för ström, spänning, temperatur och avmagnetisering.
Vid högre varvtal skapar rotormagneterna en växande motriktad elektromotorisk kraft. När den tillgängliga DC-busspänningen blir begränsningen lägger växelriktaren på en strömkomponent som motverkar en del av magnetflödet. Fältförsvagningen utökar varvtalsområdet men tar strömkapacitet i anspråk och ökar förlusterna. Saliensen i en rotor med invändiga magneter kan bidra till ett användbart område med konstant effekt.
Vid regenerativ bromsning skapar den beordrade strömmen negativt axelmoment, och växelriktaren återför elektrisk effekt till batteriet inom gränserna för väggrepp och batteri.
Därför är PMSM effektiva och kompakta
Rotorfältet kräver ingen kontinuerlig elektrisk excitering, så vid normal drift uppstår varken förluster i en induktionsbur eller exciteringsförluster i en lindad rotor. Starka magneter och en optimerad magnetkrets kan ge högt flöde i luftgapet från en kompakt rotor. Egenskaperna möjliggör hög moment- och effekttäthet.
Verkningsgrad är fortfarande en driftkarta, inte en fast motoregenskap. Kopparförluster i statorn dominerar vid många punkter med högt vridmoment; förluster i järn, genom virvelströmmar i magneter, luftmotstånd, lager, växelriktare och kugghjul blir viktiga på andra håll. Vid mycket högt varvtal kan fältförsvagningsströmmen ändra systemresultatet märkbart.
Magneter, temperatur och materialförsörjning
Högpresterande drivmotorer använder ofta neodym-järn-bor-magneter tack vare deras magnetiska styrka. Dysprosium, terbium eller andra tillsatser kan användas selektivt för att behålla koerciviteten vid hög temperatur. Samarium-kobolt- och ferritmagneter är alternativ för särskilda mål kring temperatur, kostnad eller försörjningskedja, men varje val förändrar avvägningarna för storlek, magnetkrets och reglering.
Magneter har termiska gränser. För hög rotortemperatur eller ett ogynnsamt magnetfält kan orsaka partiell, bestående avmagnetisering. Konstruktörerna hanterar risken genom magnetkvalitet, segmentering, rotorgeometri, strömgränser och kylning. Brytning av sällsynta jordartsmetaller, koncentrerad bearbetning, prisvariationer och tillverkning av magneter påverkar också arkitekturvalet.
Påståendet ”PMSM kräver sällsynta jordartsmetaller” är därför för svepande: permanentmagneter behöver inte innehålla sådana grundämnen. Det mer korrekta är att många PMSM för fordon med hög effekttäthet i dag använder magneter med sällsynta jordartsmetaller.
Lindningar och tillverkning
Statorn kan använda flertrådig ledare eller formade rektangulära ledare. Hairpin-lindningar kan öka kopparfyllnaden i spåren, förbättra tillverkningens repeterbarhet och skapa direkt termisk kontakt, men större ledare kan få ytterligare AC-förluster vid hög elektrisk frekvens. Lindningssteg, antal spår och poler, ändlindningarnas längd, isolering, sammanfogning och kylning samkonstrueras med rotor och växelriktare.
Magnetplaceringen är lika krävande. Rotorbryggorna måste tåla maximalt varvtal samtidigt som magnetiskt läckage begränsas. Segmentering av magneterna kan minska virvelströmsförluster, och hylsor eller andra fasthållningsstrukturer kan behövas i högvarvskonstruktioner.
Frirullning och sekundära axlar
En roterande permanentmagnetrotor fortsätter att skapa magnetiskt flöde. Den ger därför motriktad elektromotorisk kraft och förluster i kärna eller magneter även när det beordrade vridmomentet är noll. Den motriktade elektromotoriska kraften innebär inte i sig ett stort bromsmoment om fasström förhindras, men den inaktiva drivenheten har fortfarande förluster i lager, tätningar, kugghjul, olja och elektromagnetiska delar.
Tillverkarna hanterar förlusterna genom växelriktarreglering, motorkonstruktion med låga förluster, en frikopplingskoppling eller en annan motortyp på den sekundära axeln. Den bästa lösningen beror på kostnad, svarstid, paketering och hur ofta fyrhjulsdrift behövs.
Det avslöjar inte namnet
”PMSM” anger inte ytmonterade eller invändiga magneter, magnetkemi, antal poler, lindningstyp, kylning, maximalt varvtal, fältförsvagningsområde, toppeffektens varaktighet eller verkningsgradskartan. Dessa konstruktionsval avgör hur motorn uppför sig i ett fordon.
Porsche Taycan visar en produktionslösning: permanentmagnetiserade synkronmotorer, hairpin-lindningar i statorn, vätskekylning och växelriktarreglering integreras med axelspecifika transmissioner. Andra elbilar använder andra magnetplaceringar, lindningsmetoder eller fyrhjulsdriftsystem med blandade motortyper. Motortopologin bör ses som en del av drivenhetens fullständiga konstruktion.
För en detaljerad tillverkargenomgång av en kompakt PMSM-konstruktion är den befintliga tekniska videon från Lucid fortfarande användbar:
Tillbaka till Electric Motors and Drive Units.