Permanentmagnetmotor (PMSM)

En synkronmotor med permanentmagneter, vanligvis forkortet PMSM, er den elektriske maskinen som driver det store flertallet av dagens batterielektriske biler og ladbare hybrider. Bakgrunnen for denne dominansen er at rotoren bærer sitt eget magnetfelt, skapt av kraftige faste magneter i stedet for av strøm tilført utenfra. Siden feltet alltid er til stede, går det ingen energi tapt på å bygge det opp, og det gir motoren svært høy virkningsgrad og et meget gunstig forhold mellom effekt og vekt og mellom effekt og volum. Resultatet er en kompakt og lett enhet som leverer kraftig dreiemoment fra stillstand, nettopp slik en personbil trenger.

Mekanisk består motoren av to hoveddeler: en fast stator viklet med kobberspoler, og en roterende rotor der magnetene ligger innstøpt. Når omformeren mater trefaset vekselstrøm inn i statorviklingene, oppstår det et roterende magnetfelt. Magnetene i rotoren låser seg til og følger dette roterende feltet, slik at rotoren går synkront med det, og det er grunnen til at maskinen kalles synkron. I de fleste bilkonstruksjoner ligger magnetene begravd inne i rotorens stållameller framfor å være montert på overflaten; denne løsningen med innvendige permanentmagneter tilfører et nyttig bidrag av reluktansmoment og lar rotoren rotere trygt ved høyt turtall uten at magnetene slynges av.

Selve magnetene er som regel sjeldne jordartsmagneter av neodym-jern-bor, ofte tilsatt dysprosium eller terbium for å hindre at de avmagnetiseres når de blir varme. Styrken deres er kilden til motorens virkningsgrad, men også dens største svakhet. Sjeldne jordarter er kostbare, forsyningen er geografisk konsentrert, og utvinning og raffinering medfører en miljømessig og geopolitisk belastning. Dette har drevet produsentene til å redusere magnetinnholdet, konstruere rotorer som bruker mindre tunge jordarter, eller i enkelte modeller kombinere en PMSM på den ene akselen med en magnetfri induksjonsmotor på den andre.

Presis styring krever presis kunnskap om hvor rotoren befinner seg, og motoren er derfor avhengig av en posisjonssensor, vanligvis en resolver, som gir tilbakemelding til omformeren. Omformeren justerer strømkurven flere tusen ganger i sekundet. Det samme utstyret gjør at motoren kan virke som generator under regenerativ bremsing og gjøre bilens bevegelsesenergi om til lagret ladning. En praktisk særegenhet følger av det faste feltet: siden magnetene alltid induserer en motelektromotorisk spenning, kan en PMSM ikke frihjule like rent som en induksjonsmotor, og ved svært høye turtall må den styres aktivt med feltsvekking for å unngå uønsket bremsedrag eller for høy spenning.

I det større drivverket sitter PMSM-en mellom omformeren, som leverer den nøye formede strømmen, og en reduksjonsgir som tilpasser det høye turtallet til hjulene. Det viktigste alternativet er induksjonsmotoren, som ofrer litt virkningsgrad for lavere kostnad og frihet fra sjeldne jordarter, og valget mellom de to er en av de avgjørende konstruksjonsbeslutningene bak en elbils drivlinje og dens samlede virkningsgrad.