Motor cu magneți permanenți (PMSM)

Motorul sincron cu magneți permanenți, prescurtat de obicei PMSM, este mașina electrică ce propulsează marea majoritate a vehiculelor electrice cu baterie și a hibridelor plug-in moderne. Își datorează această poziție dominantă faptului că rotorul poartă propriul câmp magnetic, generat de magneți ficși puternici, nu de un curent alimentat din exterior. Câmpul fiind prezent permanent, motorul nu consumă energie pentru a-l crea, ceea ce conferă PMSM-ului un randament excepțional și un raport foarte favorabil între putere și greutate, respectiv între putere și volum. Rezultă o unitate compactă și ușoară, care livrează cuplu consistent de la oprire, exact caracteristicile de care are nevoie un autoturism.

Din punct de vedere mecanic, motorul are două componente principale: un stator fix, bobinat cu înfășurări de cupru, și un rotor rotitor în care sunt încastrați magneții. Când invertorul alimentează înfășurările statorului cu curent alternativ trifazat, se produce un câmp magnetic rotitor. Magneții rotorului se cuplează cu acest câmp și îl urmăresc, astfel încât rotorul se rotește în pas, adică sincron, cu el, de unde și denumirea de mașină sincronă. La majoritatea construcțiilor auto, magneții sunt îngropați în pachetul de tole de oțel al rotorului, nu montați pe suprafața sa; această dispunere a magneților permanenți interiori adaugă o componentă utilă de cuplu reluctant și permite rotorului să se învârtă în siguranță la turații înalte, fără ca magneții să fie aruncați de forța centrifugă.

Magneții sunt de obicei din neodim-fier-bor, pământuri rare, adesea cu adaos de disprosiu sau terbiu, pentru a-i feri de demagnetizare la temperaturi ridicate. Forța lor este sursa randamentului motorului, dar și principalul său dezavantaj. Elementele de pământuri rare sunt scumpe, aprovizionarea cu ele este concentrată geografic, iar extracția și rafinarea lor implică o povară de mediu și una geopolitică. Acest lucru i-a împins pe producători să reducă conținutul de magneți, să reproiecteze rotoarele pentru a folosi mai puține pământuri rare grele sau, la unele modele, să cupleze un PMSM pe o punte cu un motor asincron fără magneți pe cealaltă.

Controlul precis cere o cunoaștere precisă a poziției rotorului, astfel că motorul se bazează pe un senzor de poziție, de regulă un resolver, care transmite informația către invertor; acesta ajustează forma de undă a curentului de mii de ori pe secundă. Aceeași componentă permite motorului să funcționeze ca generator în timpul frânării regenerative, transformând inerția mașinii înapoi în energie stocată. O particularitate practică decurge din câmpul permanent: deoarece magneții induc mereu o tensiune contraelectromotoare, un PMSM nu poate rula liber la fel de curat ca un motor asincron, iar la turații foarte înalte trebuie gestionat activ prin slăbirea câmpului, pentru a evita un cuplu de frânare nedorit sau o tensiune excesivă.

În ansamblul lanțului de propulsie, PMSM-ul se află între invertorul mașinii electrice, care îi furnizează curentul atent modelat, și un reductor care adaptează turația sa înaltă la roți. Principala sa alternativă este motorul asincron, care sacrifică puțin din randament în schimbul unui cost mai redus și al independenței față de pământurile rare, iar alegerea dintre cele două este una dintre deciziile inginerești definitorii din spatele lanțului de propulsie și al randamentului oricărei mașini electrice.