Permanentmagnetmotor (PMSM)

En permanentmagnetiserad synkronmotor, oftast förkortad PMSM, är den elmaskin som driver den stora majoriteten av dagens batterielbilar och laddhybrider. Dominansen beror på att rotorn bär sitt eget magnetfält, alstrat av kraftfulla fasta magneter i stället för av ström som matas in utifrån. Eftersom fältet alltid finns på plats slösar motorn ingen energi på att bygga upp det, vilket ger PMSM en mycket hög verkningsgrad och ett ytterst gynnsamt förhållande mellan effekt och vikt respektive effekt och volym. Resultatet blir en kompakt och lätt enhet som levererar starkt vridmoment redan från stillastående, precis de egenskaper en personbil behöver.

Mekaniskt består motorn av två huvuddelar: en stillastående stator lindad med kopparspolar och en roterande rotor där magneterna sitter inbäddade. När växelriktaren matar trefasig växelström genom statorlindningarna uppstår ett roterande magnetfält. Rotorns magneter låser fast vid och följer detta roterande fält, så att rotorn snurrar i takt med, alltså synkront med, fältet, vilket är förklaringen till namnet synkronmotor. I de flesta fordonskonstruktioner ligger magneterna begravda inuti rotorns stålplåtar i stället för att sitta monterade på ytan; denna inre magnetuppbyggnad bidrar med ett nyttigt tillskott av reluktansmoment och låter rotorn snurra säkert vid höga varvtal utan att magneterna slits loss.

Själva magneterna är vanligen sällsynta jordartsmagneter av typen neodym-järn-bor, ofta med inblandning av dysprosium eller terbium för att hindra dem från att avmagnetiseras när de blir varma. Deras styrka är källan till motorns verkningsgrad, men den utgör samtidigt dess största nackdel. Sällsynta jordartsmetaller är dyra, utvinningen är geografiskt koncentrerad och brytning och raffinering bär på en miljömässig och geopolitisk belastning. Detta har drivit tillverkare att minska magnetinnehållet, konstruera om rotorer för att använda mindre mängd tunga jordartsmetaller eller i vissa modeller para en PMSM på den ena axeln med en magnetfri asynkronmotor på den andra.

Exakt styrning kräver exakt kunskap om var rotorn befinner sig, så motorn är beroende av en lägesgivare, vanligen en resolver, som återkopplar till växelriktaren, vilken justerar strömkurvan flera tusen gånger i sekunden. Samma hårdvara gör att motorn kan arbeta som generator vid regenerativ bromsning och förvandla bilens rörelseenergi tillbaka till lagrad laddning. En praktisk egenhet följer av det permanenta fältet: eftersom magneterna alltid inducerar en motriktad spänning kan en PMSM inte rulla fritt lika rent som en asynkronmotor, och vid mycket höga varvtal måste den aktivt hanteras genom fältförsvagning för att undvika oönskad bromsverkan eller överspänning.

I den större drivlinan sitter PMSM mellan elbilens växelriktare, som levererar den noggrant formade strömmen, och en reduktionsväxel som anpassar dess höga varvtal till hjulen. Det främsta alternativet är asynkronmotorn, som byter bort en aning verkningsgrad mot lägre kostnad och frihet från sällsynta jordartsmetaller, och valet mellan de två är ett av de avgörande konstruktionsbesluten bakom varje elbils drivlina och dess samlade verkningsgrad.