Permanentmagnetmotor (PMSM)

En permanentmagnet-synkronmotor, oftest forkortet PMSM, er den elektriske maskine, der driver langt størstedelen af nutidens batterielbiler og plug-in-hybrider. Den dominerende stilling skyldes, at rotoren bærer sit eget magnetfelt, skabt af kraftige faste magneter frem for af strøm, der tilføres udefra. Fordi feltet altid er til stede, spilder motoren ingen energi på at danne det, og det giver PMSM'en en usædvanlig høj virkningsgrad og et meget gunstigt forhold mellem effekt og vægt såvel som mellem effekt og volumen. Resultatet er en kompakt, let enhed, der leverer kraftigt drejningsmoment helt fra stilstand, præcis de egenskaber en personbil har brug for.

Mekanisk består motoren af to hoveddele: en stillestående stator viklet med kobberspoler og en roterende rotor, hvori magneterne er indstøbt. Når inverteren sender trefaset vekselstrøm ind i statorviklingerne, opstår et roterende magnetfelt. Rotorens magneter låser sig fast på dette roterende felt og følger det, så rotoren drejer i takt med, altså synkront med, feltet, hvilket netop er grunden til, at maskinen kaldes synkron. I de fleste bildesigns er magneterne begravet inde i rotorens stållameller frem for monteret på overfladen; denne indvendige permanentmagnet-opbygning tilfører et nyttigt bidrag af reluktansmoment og lader rotoren dreje sikkert ved høje omdrejninger, uden at magneterne slynges af.

Selve magneterne er typisk neodym-jern-bor-sjældne jordartsmagneter, ofte tilsat dysprosium eller terbium for at hindre, at de afmagnetiseres, når de bliver varme. Deres styrke er kilden til motorens virkningsgrad, men også dens største ulempe. Sjældne jordarters grundstoffer er kostbare, forsyningen er geografisk koncentreret, og udvinding og raffinering medfører en miljømæssig og geopolitisk byrde. Det har fået producenterne til at reducere magnetindholdet, omkonstruere rotorer, så de bruger mindre tunge sjældne jordarter, eller i visse modeller kombinere en PMSM på den ene aksel med en magnetfri induktionsmotor på den anden.

Præcis styring kræver præcis viden om rotorens position, så motoren er afhængig af en positionssensor, typisk en resolver, der melder tilbage til inverteren, som justerer strømmens kurveform mange tusinde gange i sekundet. Det samme hardware lader motoren fungere som generator under regenerativ bremsning og omdanne bilens bevægelsesenergi tilbage til lagret ladning. En praktisk særegenhed følger af det permanente felt: fordi magneterne altid inducerer en modelektromotorisk kraft, kan en PMSM ikke rulle frit lige så rent som en induktionsmotor, og ved meget høje hastigheder må den aktivt styres med feltsvækkelse for at undgå at skabe en uønsket bremsende modstand eller en for høj spænding.

I det samlede drivlinje sidder PMSM'en mellem elbilens inverter, der leverer dens nøje formede strøm, og en reduktionsgearing, der tilpasser dens høje omdrejningstal til hjulene. Det vigtigste alternativ er induktionsmotoren, der bytter en smule virkningsgrad for lavere pris og uafhængighed af sjældne jordarter, og valget mellem de to er en af de afgørende tekniske beslutninger bag enhver elbils drivlinje og dens samlede virkningsgrad.