Állandó mágneses motor (PMSM)

Az állandó mágneses szinkronmotor, amelyet rendszerint a PMSM rövidítéssel jelölnek, a korszerű tisztán elektromos és plug-in hibrid járművek túlnyomó többségét hajtó villamos gép. Vezető szerepét annak köszönheti, hogy forgórésze saját mágneses teret hordoz, amelyet erős, beépített fix mágnesek hoznak létre, nem pedig kívülről bevezetett áram. Mivel ez a mágneses tér állandóan jelen van, a motornak nem kell energiát fordítania a felépítésére, így a PMSM rendkívül jó hatásfokkal, valamint kedvező teljesítmény-tömeg és teljesítmény-térfogat aránnyal működik. Az eredmény egy tömör, könnyű egység, amely már álló helyzetből erős nyomatékot ad le, vagyis pontosan azt nyújtja, amire egy személyautónak szüksége van.

A motor mechanikailag két fő részből áll: az álló helyzetű, rézhuzalokkal tekercselt állórészből, valamint a forgó részből, amelybe a mágnesek vannak ágyazva. Amikor az inverter háromfázisú váltakozó áramot vezet az állórész tekercseibe, forgó mágneses teret kelt. A forgórész mágnesei ráhangolódnak erre a forgó térre, és követik azt, ezért a forgórész vele azonos ütemben, azaz szinkronban pörög, innen ered a szinkronmotor elnevezés. A legtöbb járműben alkalmazott kialakításnál a mágnesek nem a forgórész felületén ülnek, hanem annak acéllemezei közé vannak süllyesztve; ez a belső elrendezés egy hasznos reluktancianyomaték-összetevővel egészíti ki a hajtást, és lehetővé teszi, hogy a forgórész nagy fordulatszámon is biztonságosan pörögjön, anélkül hogy a mágnesek leváljanak róla.

Maguk a mágnesek jellemzően neodímium-vas-bór ritkaföldfém-mágnesek, amelyekhez gyakran diszpróziumot vagy terbiumot is adagolnak, hogy felmelegedéskor se veszítsék el a mágnesességüket. Erejük a motor hatásfokának forrása, ám egyúttal a fő hátránya is. A ritkaföldfémek drágák, kitermelésük földrajzilag erősen koncentrált, bányászatuk és finomításuk pedig komoly környezeti és geopolitikai terhet jelent. Ez arra ösztönzi a gyártókat, hogy csökkentsék a mágnesek mennyiségét, kevesebb nehéz ritkaföldfémet igénylő forgórészeket tervezzenek, vagy egyes modellekben az egyik tengelyen PMSM-et, a másikon mágnes nélküli aszinkronmotort alkalmazzanak.

A pontos szabályozáshoz pontosan ismerni kell a forgórész helyzetét, ezért a motor egy helyzetérzékelőre, jellemzően egy rezolverre támaszkodik, amely visszajelez az inverternek; az pedig másodpercenként sok ezerszer igazítja az áram hullámformáját. Ugyanez a felépítés teszi lehetővé, hogy a motor a regeneratív fékezés során generátorként működjön, és a jármű mozgási energiáját visszaalakítsa tárolt töltéssé. Az állandó mágneses térből egy gyakorlati sajátosság is fakad: mivel a mágnesek mindig ellenelektromotoros erőt indukálnak, a PMSM nem tud olyan tisztán szabadon kifutni, mint egy aszinkronmotor, ezért nagyon nagy fordulatszámon a mezőgyengítés aktív kezelésével kell elkerülni a nemkívánatos fékhatást vagy a túl magas feszültséget.

A teljes hajtáslánc rendszerében a PMSM a gondosan formált áramot szolgáltató inverter és a motor nagy fordulatszámát a kerekekhez illesztő áttételes hajtómű között helyezkedik el. Fő alternatívája az aszinkronmotor, amely némi hatásfokot feláldoz a kedvezőbb költségért és a ritkaföldfém-mentességért, a kettő közötti választás pedig az egyik meghatározó mérnöki döntés bármely villanyautó hajtásláncának és összhatásfokának kialakításában.