Synchrónny motor s permanentnými magnetmi (PMSM)

Synchrónny motor s permanentnými magnetmi, zvyčajne označovaný skratkou PMSM, je elektrický stroj, ktorý poháňa veľkú väčšinu moderných batériových elektromobilov a plug-in hybridov. Túto dominanciu si vyslúžil tým, že jeho rotor nesie vlastné magnetické pole, ktoré vytvárajú výkonné pevné magnety, a nie elektrina privádzaná zvonku. Keďže je toto pole trvalo prítomné, motor neplytvá energiou na jeho vytvorenie, čo PMSM dáva mimoriadne vysokú účinnosť a veľmi priaznivý pomer výkonu k hmotnosti aj výkonu k objemu. Výsledkom je kompaktná, ľahká jednotka, ktorá dodáva silný krútiaci moment už od zastavenia, čiže presne tie vlastnosti, ktoré osobné auto potrebuje.

Mechanicky má motor dve hlavné časti: nepohyblivý stator navinutý medenými cievkami a rotujúci rotor, v ktorom sú uložené magnety. Keď menič dodáva do statorových vinutí trojfázový striedavý prúd, vytvára rotujúce magnetické pole. Magnety rotora sa naň naviažu a stíhajú toto rotujúce pole, takže sa rotor otáča synchrónne s ním, presne v jeho rytme, a práve preto sa stroj nazýva synchrónny. Pri väčšine automobilových konštrukcií sú magnety zapustené vo vnútri oceľových plechov rotora, nie umiestnené na jeho povrchu; toto usporiadanie s vnútornými permanentnými magnetmi pridáva užitočnú zložku reluktančného krútiaceho momentu a umožňuje rotoru bezpečne sa otáčať vo vysokých otáčkach bez toho, aby magnety odleteli.

Samotné magnety sú zvyčajne vzácnozemné magnety z neodýmu, železa a bóru, často s prídavkom dysprózia alebo terbia, aby sa zabránilo ich demagnetizácii pri zahriatí. Ich sila je zdrojom účinnosti motora, no zároveň je jeho hlavnou slabinou. Vzácne zeminy sú drahé, ich ťažba je geograficky koncentrovaná a ich dobývanie a spracovanie nesú environmentálnu aj geopolitickú záťaž. To prinútilo výrobcov znižovať obsah magnetov, navrhovať rotory s menším množstvom ťažkých vzácnych zemín, alebo v niektorých modeloch spárovať PMSM na jednej náprave s asynchrónnym motorom bez magnetov na druhej.

Presné riadenie vyžaduje presnú znalosť polohy rotora, takže sa motor spolieha na snímač polohy, zvyčajne resolver, ktorý posiela spätnú väzbu do meniča, a ten upravuje priebeh prúdu mnohotisíckrát za sekundu. Tá istá technika umožňuje motoru pracovať ako generátor počas rekuperačného brzdenia a meniť hybnosť auta späť na uloženú energiu. Z trvalého magnetického poľa vyplýva jedna praktická zvláštnosť: keďže magnety vždy indukujú spätné elektromotorické napätie, PMSM nedokáže voľnobežne dobiehať tak čisto ako asynchrónny motor a pri veľmi vysokých otáčkach sa musí aktívne riadiť odbudzovaním poľa, aby nevytváral nežiaduci brzdný odpor alebo nadmerné napätie.

V rámci celého pohonného ústrojenstva sedí PMSM medzi meničom elektromobilu, ktorý mu dodáva starostlivo tvarovaný prúd, a redukčnou prevodovkou, ktorá prispôsobuje jeho vysoké otáčky kolesám. Jeho hlavnou alternatívou je asynchrónny motor, ktorý vymieňa trochu účinnosti za nižšiu cenu a nezávislosť od vzácnozemných materiálov, a voľba medzi nimi je jedným z určujúcich inžinierskych rozhodnutí pri pohonnom ústrojenstve každého elektromobilu a jeho celkovej účinnosti.