Двигател с постоянни магнити (PMSM)

Синхронният двигател с постоянни магнити, познат най-често със съкращението PMSM, е електрическата машина, която задвижва огромната част от съвременните акумулаторни електромобили и плъгин хибриди. Това превъзходство се дължи на факта, че роторът носи собствено магнитно поле, създадено от мощни фиксирани магнити, а не от ток, подаван отвън. Тъй като това поле присъства постоянно, двигателят не хаби енергия за създаването му, което осигурява на PMSM изключително висока ефективност и много благоприятно съотношение между мощност и тегло, както и между мощност и обем. Резултатът е компактен и лек агрегат, който развива силен въртящ момент още от пълен покой — точно характеристиките, от които се нуждае един лек автомобил.

Механично двигателят се състои от две основни части: неподвижен статор с медни намотки и въртящ се ротор, в който са вградени магнитите. Когато инверторът подаде трифазен променлив ток в намотките на статора, той създава въртящо се магнитно поле. Магнитите на ротора се захващат за това поле и го следват, така че роторът се върти в синхрон с него — оттам идва и названието синхронен двигател. При повечето автомобилни конструкции магнитите са вградени дълбоко в стоманените пластини на ротора, а не монтирани на повърхността му; това разположение на вътрешните постоянни магнити добавя полезна съставка реактивен въртящ момент и позволява на ротора да се върти безопасно при високи обороти, без магнитите да изхвърчат.

Самите магнити обикновено са от неодим-желязо-бор — редкоземни магнити, често с добавка на диспрозий или тербий, която ги предпазва от размагнитване при нагряване. Силата им е източникът на ефективността на двигателя, но е и основният му недостатък. Редкоземните елементи са скъпи, доставките им са географски концентрирани, а добивът и преработката им носят екологична и геополитическа тежест. Това подтиква производителите да намаляват съдържанието на магнити, да преработват роторите така, че да използват по-малко тежки редкоземни елементи, или при някои модели да съчетават PMSM на едната ос с асинхронен двигател без магнити на другата.

Точното управление изисква точно познаване на положението на ротора, затова двигателят разчита на датчик за позиция — обикновено резолвер — който подава обратна връзка към инвертора, а той коригира формата на тока хиляди пъти в секунда. Същият хардуер позволява двигателят да работи като генератор при рекуперативно спиране, превръщайки инерцията на автомобила обратно в съхранен заряд. Постоянното поле води до една практическа особеност: тъй като магнитите винаги индуцират противоелектродвижещо напрежение, PMSM не може да се движи по инерция толкова чисто, колкото асинхронния двигател, а при много високи обороти трябва активно да се управлява чрез отслабване на полето, за да не създава нежелано спирачно съпротивление или излишно напрежение.

В цялостната задвижваща система PMSM е разположен между инвертора на електромобила, който му подава внимателно оформения ток, и редукторна предавка, която съгласува високите му обороти с колелата. Главната му алтернатива е асинхронният двигател, който жертва малко ефективност в замяна на по-ниска цена и независимост от редкоземни материали, а изборът между двата е едно от определящите инженерни решения зад задвижващата система на всеки електромобил и неговата обща ефективност.