Κινητήρας μόνιμων μαγνητών (PMSM)

Ο σύγχρονος κινητήρας μόνιμων μαγνητών, γνωστός συνήθως με το ακρωνύμιο PMSM, είναι η ηλεκτρική μηχανή που κινεί τη συντριπτική πλειονότητα των σύγχρονων αμιγώς ηλεκτρικών και επαναφορτιζόμενων υβριδικών αυτοκινήτων. Αυτή η κυριαρχία οφείλεται στο ότι ο δρομέας του φέρει το δικό του μαγνητικό πεδίο, το οποίο παράγεται από ισχυρούς σταθερούς μαγνήτες και όχι από ρεύμα που τροφοδοτείται εξωτερικά. Επειδή το πεδίο αυτό υπάρχει μόνιμα, ο κινητήρας δεν σπαταλά ενέργεια για να το δημιουργήσει, γεγονός που προσδίδει στον PMSM εξαιρετικά υψηλή απόδοση και πολύ ευνοϊκή σχέση ισχύος προς βάρος και ισχύος προς όγκο. Το αποτέλεσμα είναι μια συμπαγής και ελαφριά μονάδα που αποδίδει ισχυρή ροπή από στάση, ακριβώς τα χαρακτηριστικά που χρειάζεται ένα επιβατικό αυτοκίνητο.

Μηχανικά, ο κινητήρας αποτελείται από δύο βασικά μέρη: έναν ακίνητο στάτη τυλιγμένο με χάλκινα πηνία και έναν περιστρεφόμενο δρομέα στον οποίο είναι ενσωματωμένοι οι μαγνήτες. Όταν ο μετατροπέας (inverter) τροφοδοτεί τριφασικό εναλλασσόμενο ρεύμα στα τυλίγματα του στάτη, παράγεται ένα περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο. Οι μαγνήτες του δρομέα κλειδώνουν πάνω σε αυτό το περιστρεφόμενο πεδίο και το ακολουθούν, οπότε ο δρομέας περιστρέφεται σε συγχρονισμό μαζί του, εξ ου και ο χαρακτηρισμός σύγχρονος. Στις περισσότερες σχεδιάσεις για αυτοκίνητα οι μαγνήτες είναι θαμμένοι μέσα στα χαλύβδινα ελάσματα του δρομέα αντί να τοποθετούνται στην επιφάνειά του· αυτή η διάταξη εσωτερικών μόνιμων μαγνητών προσθέτει μια χρήσιμη συνιστώσα ροπής μαγνητικής αντίστασης και επιτρέπει στον δρομέα να περιστρέφεται με ασφάλεια σε υψηλές στροφές χωρίς να εκτινάσσονται οι μαγνήτες.

Οι ίδιοι οι μαγνήτες είναι συνήθως μαγνήτες σπανίων γαιών από νεοδύμιο-σίδηρο-βόριο, συχνά με προσθήκη δυσπροσίου ή τερβίου ώστε να μην απομαγνητίζονται όταν αναπτύσσουν υψηλή θερμοκρασία. Η ισχύς τους είναι η πηγή της απόδοσης του κινητήρα, αλλά και το βασικότερο μειονέκτημά του. Τα στοιχεία σπανίων γαιών είναι ακριβά, η προσφορά τους είναι γεωγραφικά συγκεντρωμένη και η εξόρυξη και η επεξεργασία τους επιβαρύνουν τόσο το περιβάλλον όσο και τη γεωπολιτική ισορροπία. Αυτό έχει ωθήσει τους κατασκευαστές να μειώσουν την περιεκτικότητα σε μαγνήτες, να επανασχεδιάσουν τους δρομείς ώστε να χρησιμοποιούν λιγότερες βαριές σπάνιες γαίες ή, σε ορισμένα μοντέλα, να συνδυάσουν έναν PMSM στον έναν άξονα με έναν επαγωγικό κινητήρα χωρίς μαγνήτες στον άλλο.

Ο ακριβής έλεγχος απαιτεί ακριβή γνώση της θέσης του δρομέα, οπότε ο κινητήρας στηρίζεται σε έναν αισθητήρα θέσης, συνήθως έναν resolver, που τροφοδοτεί με δεδομένα τον μετατροπέα, ο οποίος προσαρμόζει την κυματομορφή του ρεύματος χιλιάδες φορές ανά δευτερόλεπτο. Το ίδιο υλικό επιτρέπει στον κινητήρα να λειτουργεί ως γεννήτρια κατά την αναγεννητική πέδηση, μετατρέποντας την ορμή του αυτοκινήτου ξανά σε αποθηκευμένο φορτίο. Από το μόνιμο πεδίο προκύπτει και μια πρακτική ιδιαιτερότητα: επειδή οι μαγνήτες επάγουν πάντοτε αντι-ηλεκτρεγερτική δύναμη, ένας PMSM δεν μπορεί να κινείται ελεύθερα τόσο καθαρά όσο ένας επαγωγικός κινητήρας, και σε πολύ υψηλές στροφές πρέπει να διαχειρίζεται ενεργά μέσω εξασθένησης πεδίου ώστε να αποφεύγεται ανεπιθύμητη πέδηση ή υπερβολική τάση.

Στο ευρύτερο σύστημα μετάδοσης κίνησης, ο PMSM βρίσκεται ανάμεσα στον μετατροπέα του ηλεκτρικού αυτοκινήτου, που του παρέχει το προσεκτικά διαμορφωμένο ρεύμα, και σε ένα μειωτήρα που προσαρμόζει τις υψηλές στροφές του στους τροχούς. Η κύρια εναλλακτική του είναι ο επαγωγικός κινητήρας, ο οποίος θυσιάζει λίγη απόδοση για χαμηλότερο κόστος και ανεξαρτησία από τα υλικά σπανίων γαιών, και η επιλογή ανάμεσα στους δύο αποτελεί μία από τις καθοριστικές μηχανολογικές αποφάσεις πίσω από το σύστημα κίνησης κάθε ηλεκτρικού αυτοκινήτου και τη συνολική του απόδοση.