Silnik z magnesami trwałymi (PMSM)

Synchroniczny silnik z magnesami trwałymi, oznaczany skrótem PMSM, to maszyna elektryczna napędzająca zdecydowaną większość współczesnych samochodów elektrycznych i hybryd typu plug-in. Swoją dominację zawdzięcza temu, że jego wirnik wytwarza własne pole magnetyczne za pomocą mocnych magnesów stałych, a nie prądu doprowadzanego z zewnątrz. Ponieważ pole to jest obecne na trwałe, silnik nie traci energii na jego wytwarzanie, co przekłada się na wyjątkowo wysoką sprawność oraz bardzo korzystny stosunek mocy do masy i do objętości. Efektem jest zwarta, lekka jednostka oddająca wysoki moment obrotowy już od zera obrotów, czyli dokładnie to, czego potrzebuje samochód osobowy.

Pod względem mechanicznym silnik składa się z dwóch głównych części: nieruchomego stojana z uzwojeniami z miedzi oraz obracającego się wirnika, w którym osadzono magnesy. Gdy falownik zasila uzwojenia stojana trójfazowym prądem przemiennym, powstaje wirujące pole magnetyczne. Magnesy wirnika sprzęgają się z tym polem i podążają za nim, więc wirnik kręci się w takt pola, czyli synchronicznie, dlatego maszynę określa się jako synchroniczną. W większości rozwiązań motoryzacyjnych magnesy są zatopione wewnątrz pakietu blach wirnika, a nie umieszczone na jego powierzchni. Taki układ z magnesami wewnętrznymi dodaje użytecznej składowej momentu reluktancyjnego i pozwala wirnikowi bezpiecznie osiągać wysokie obroty bez ryzyka oderwania magnesów.

Same magnesy to zwykle magnesy ziem rzadkich neodymowo-żelazowo-borowe, często z domieszką dysprozu lub terbu, która zapobiega ich rozmagnesowaniu w wysokiej temperaturze. Ich siła jest źródłem sprawności silnika, lecz stanowi też jego główną wadę. Pierwiastki ziem rzadkich są kosztowne, ich wydobycie jest skupione geograficznie, a samo pozyskiwanie i rafinacja niosą obciążenie środowiskowe i geopolityczne. Skłania to producentów do ograniczania ilości magnesów, przeprojektowywania wirników tak, by zużywały mniej ciężkich ziem rzadkich, lub w niektórych modelach do łączenia silnika PMSM na jednej osi z bezmagnesowym silnikiem indukcyjnym na drugiej.

Precyzyjne sterowanie wymaga dokładnej wiedzy o położeniu wirnika, dlatego silnik korzysta z czujnika położenia, zwykle resolwera, przekazującego sygnał do falownika, który wielotysięczną liczbę razy na sekundę koryguje przebieg prądu. Ten sam układ pozwala silnikowi pracować jako prądnica podczas hamowania rekuperacyjnego, zamieniając pęd samochodu z powrotem w zmagazynowany ładunek. Z obecności stałego pola wynika praktyczna osobliwość: ponieważ magnesy zawsze indukują siłę przeciwelektromotoryczną, silnik PMSM nie potrafi swobodnie toczyć się tak czysto jak silnik indukcyjny, a przy bardzo wysokich obrotach trzeba nim aktywnie zarządzać poprzez osłabianie pola, by uniknąć niepożądanego oporu hamującego lub nadmiernego napięcia.

W szerszym układzie napędowym silnik PMSM znajduje się między falownikiem samochodu elektrycznego, który dostarcza mu starannie ukształtowany prąd, a przekładnią redukcyjną dopasowującą jego wysokie obroty do kół. Jego główną alternatywą jest silnik indukcyjny, który oddaje nieco sprawności w zamian za niższy koszt i niezależność od materiałów ziem rzadkich, a wybór między tymi dwoma rozwiązaniami to jedna z decydujących decyzji inżynierskich kształtujących układ napędowy każdego samochodu elektrycznego i jego ogólną sprawność.