Motor s permanentními magnety (PMSM)

Synchronní motor s permanentními magnety, obvykle zkracovaný jako PMSM, je elektrický stroj pohánějící drtivou většinu současných bateriových elektromobilů i plug-in hybridů. Jeho dominance má jasný důvod: rotor si nese vlastní magnetické pole vytvářené silnými permanentními magnety, nikoli proudem dodávaným zvenčí. Protože je toto pole trvale přítomné, motor neplýtvá energií na jeho vybuzení, což vede k mimořádně vysoké účinnosti a velmi příznivému poměru výkonu k hmotnosti i objemu. Výsledkem je kompaktní a lehká jednotka, která dodává silný točivý moment už od nulových otáček, tedy přesně to, co osobní automobil potřebuje.

Mechanicky se motor skládá ze dvou hlavních částí: pevného statoru s měděným vinutím a otáčejícího se rotoru, v němž jsou zalisované magnety. Když střídač přivede do statorových cívek třífázový střídavý proud, vznikne rotující magnetické pole. Magnety v rotoru se na něj navážou a otáčejí se s ním ve stejném rytmu, tedy synchronně, odkud pochází i název stroje. Ve většině automobilových konstrukcí jsou magnety zapuštěné uvnitř plechů rotoru, nikoli umístěné na povrchu; toto uspořádání s vnitřními permanentními magnety přidává užitečnou složku reluktančního momentu a umožňuje bezpečné točení rotoru ve vysokých otáčkách bez rizika, že by magnety odletěly.

Magnety samotné jsou obvykle ze slitiny neodym-železo-bor s přídavkem dysprosia nebo terbia, aby se nedemagnetovaly při zahřátí. Jejich síla je zdrojem účinnosti motoru, ale zároveň i jeho hlavní slabinou. Vzácné zeminy jsou drahé, jejich těžba je geograficky soustředěná a s jejich získáváním a zpracováním je spojena ekologická i geopolitická zátěž. To tlačí výrobce k omezování obsahu magnetů, k novým konstrukcím rotorů s menším podílem těžkých vzácných zemin, případně k řešení, kdy jednu nápravu pohání PMSM a druhou asynchronní motor bez permanentních magnetů.

Přesné řízení vyžaduje přesnou znalost polohy rotoru, motor se proto opírá o snímač polohy, nejčastěji resolver, jehož signál putuje do střídače, který tisíckrát za sekundu upravuje tvar proudu. Stejný hardware umožňuje motoru pracovat jako generátor při rekuperačním brzdění a měnit kinetickou energii vozu zpět na uloženou elektřinu. Z trvalého magnetického pole však plyne i jedna praktická zvláštnost: magnety neustále indukují zpětné elektromotorické napětí, takže PMSM nedokáže volně doběhnout tak čistě jako asynchronní motor a ve velmi vysokých otáčkách musí být aktivně řízen oslabováním pole, aby nevznikal nežádoucí brzdný účinek nebo přepětí.

V rámci pohonné soustavy je PMSM umístěn mezi střídačem, který mu dodává pečlivě tvarovaný proud, a redukční převodovkou, jež jeho vysoké otáčky převádí na otáčky kol. Jeho hlavní alternativou je asynchronní motor, který obětuje část účinnosti výměnou za nižší cenu a nezávislost na vzácných zeminách, a volba mezi těmito dvěma typy patří k zásadním inženýrským rozhodnutím, která definují pohonné ústrojí každého elektromobilu i jeho celkovou účinnost.