Pysyväismagneettisynkronimoottorit

Miten se toimii

Roottori: Pysyväismagneettisynkronimoottorin roottori sisältää pysyviä magneetteja, jotka tuottavat kiinteän magneettikentän. Nämä magneetit ovat tyypillisesti valmistettuja materiaaleista, kuten neodyymi-rautaboroni (NdFeB) tai samarium-koboltti (SmCo), jotka tunnetaan korkeasta magneettivahvuudestaan.

Tyypillisesti roottorissa on 6 tai 8 magneettinapaa.

Staattori: Staattori on moottorin paikallaan oleva osa ja koostuu käämeistä, jotka on kierretty staattorin napojen ympärille. Nämä käämit on yleensä valmistettu kuparista, ja niihin syötetään vaihtovirtaa (AC) magneettikentän luomiseksi, joka vuorovaikuttaa roottorin kanssa.

Kommutointi: PMSM-moottori perustuu elektroniseen kommutointiin moottorin suunnan ja nopeuden hallitsemiseksi. Anturit, kuten Hallin ilmiöön perustuvat anturit tai enkooderit, havaitsevat roottorin asennon ja antavat palautetta moottorinohjaimelle. Tämän palautteen perusteella moottorinohjain päättää, milloin ja miten staattorikäämit kytketään päälle ja pois, jotta saadaan aikaan pyörivä magneettikenttä, joka pyörittää roottoria.

Synkronointi: Staattorikäämien tuottama magneettikenttä on synkronoitava roottorin asennon kanssa tehokkaan ja tasaisen toiminnan varmistamiseksi. Tämä toteutetaan yleensä kenttäsuuntautuneella säädöllä (FOC) tai vektoriohjauksella, joka säätää staattorivirran amplitudia ja vaihetta kohdistuakseen roottorin asentoon.

Vääntömomentin tuotto: Kun staattorin tuottama pyörivä magneettikenttä vuorovaikuttaa roottorin pysyvien magneettien kanssa, se kohdistaa vääntömomenttia roottoriin ja saa sen pyörimään. Moottorin vääntömomenttia voidaan hallita säätämällä staattorivirran amplitudia ja taajuutta, jotka puolestaan määräävät pyörivän magneettikentän voimakkuuden ja nopeuden.

Virtalähde: PMSM-moottorit tarvitsevat virtalähteen, joka pystyy tarjoamaan staattorikäämeille sopivan vaihtojännitteen ja taajuuden. Tämä toteutetaan yleensä invertterillä, joka muuntaa tasavirran (esim. akun tai sähköverkon) vaadittavaksi vaihtojännitteeksi ja taajuudeksi.

Yhteenvetona PMSM-moottori hyödyntää roottorin pysyviä magneetteja, staattorikäämejä, elektronista kommutointia ja synkronointitekniikoita tuottaakseen pyörivän magneettikentän, joka pyörittää roottoria ja tuottaa mekaanista pyörimisliikettä. Moottorin vääntömomenttia ja nopeutta voidaan hallita säätämällä staattorivirran amplitudia ja taajuutta invertterin ja moottorinohjaimen avulla.

Edut

Yksi pysyväismagneettisynkronimoottoreiden keskeisistä eduista sähköajoneuvoissa on niiden korkeampi tehotiheys. Roottorin pysyvät magneetit tarjoavat vakaan magneettikentän, mikä mahdollistaa suuremman vääntömomentin ja tehotuloksen verrattuna samankokoisiin asynkronimoottoreihin. Tämä tekee niistä erityisen sopivia suorituskykyisiin sähköajoneuvoihin, jotka vaativat nopeaa kiihtyvyyttä ja suuria huippunopeuksia.

Pysyväismagneettisynkronimoottorit tunnetaan myös tarkasta ja tehokkaasta ohjauksestaan. Niitä voidaan ohjata tarkasti kehittyneen tehoelektroniikan, kuten moottorinohjaimien tai inverttereiden, avulla, mikä mahdollistaa suorituskyvyn optimoinnin ja paremman energianhallinnan. Tämä mahdollistaa esimerkiksi vääntömomentin jakamisen pyöräkohtaisesti (torque vectoring), parantaen pitoa ja ajettavuutta erilaisissa ajo-olosuhteissa.

Toinen pysyväismagneettisynkronimoottoreiden etu on niiden kyky saavuttaa korkea hyötysuhde laajalla nopeus- ja kuormitusalueella. Tämä mahdollistaa tehokkaan toiminnan sekä alhaisilla että korkeilla nopeuksilla, mikä on erityisen hyödyllistä sähköajoneuvoissa, jotka tarvitsevat eri teho- ja vääntömomenttitasoja riippuen ajo-olosuhteista.

Rajoitukset

Harvinaismateriaalit: PMSM-moottorit tarvitsevat harvinaisia maametallimagneetteja, jotka voivat olla kalliita ja joilla on ympäristövaikutuksia kaivostoiminnan ja kestävän kehityksen kannalta.

Vapaakierroksen vastus: Kun sähköauto (EV) rullaa ilman voimansiirtoa, sähkömoottori voi aiheuttaa vastusilmiön, jota kutsutaan usein "moottorivastukseksi" tai "rullaamisvastukseksi". Tämä vastus johtuu moottorin sisäisistä sähkömagneettisista voimista, jotka voivat vastustaa roottorin liikettä ja lisätä ajoneuvon rullausvastusta.

Pysyväismagneettimoottoreissa roottorin magneetit luovat kiinteän magneettikentän, mikä voi aiheuttaa suurempaa vastusta, kun moottori ei ole kytketty. Tämä johtaa korkeampaan moottorivastukseen verrattuna induktiomoottoreihin. Vastuksen määrä riippuu kuitenkin myös käytetystä suunnittelusta ja ohjausstrategiasta, sillä joissakin pysyväismagneettimoottoreissa vastus voi olla pienempi edistyneiden moottorinohjaustekniikoiden ansiosta.

Jotkut sähköautovalmistajat käyttävät kytkintä moottorin irrottamiseen voimansiirrosta, jolloin moottori ei ole kytketty pyöriin ja ajoneuvo voi rullata ilman moottorivastusta. Tämä voi vähentää pyörien kokemaa vastusta, kun moottori ei ole kytketty, mikä voi parantaa ajoneuvon tehokkuutta ja vähentää energiankulutusta.

Toiset käyttävät etuakselilla induktiomoottoria ja taka-akselilla PMSM-moottoria. Esimerkkinä kaikki Volkswagen MEB -alustaan perustuvat automallit.

Jos haluat oppia lisää PMSM-moottoreista, suosittelemme katsomaan tämän videon, jossa Lucid selittää PMSM-suunnittelunsa ja vertaa sitä muihin.