Motori Sincroni a Magneti Permanenti

Come Funziona

Rotore: Il rotore di un PMSM contiene magneti permanenti che generano un campo magnetico fisso. Questi magneti sono tipicamente realizzati con materiali come neodimio ferro boro (NdFeB) o samario cobalto (SmCo), noti per l’elevata intensità magnetica.

Tipicamente, il rotore ha 6 o 8 poli magnetici.

Statore: Lo statore è la parte fissa del motore e consiste in avvolgimenti avvolti intorno ai poli dello statore. Questi avvolgimenti sono generalmente realizzati in rame e sono alimentati con corrente alternata (AC) per creare un campo magnetico che interagisce con il rotore.

Commutazione: Il PMSM si basa sulla commutazione elettronica per controllare la direzione e la velocità del motore. Sensori, come sensori ad effetto Hall o encoder, rilevano la posizione del rotore e inviano feedback al controller del motore. In base a questo feedback, il controller del motore determina quando e come attivare o disattivare gli avvolgimenti dello statore per creare un campo magnetico rotante che aziona il rotore.

Sincronizzazione: Il campo magnetico generato dagli avvolgimenti dello statore deve essere sincronizzato con la posizione del rotore per ottenere un funzionamento efficiente e fluido. Questo avviene tipicamente utilizzando una tecnica chiamata controllo orientato al campo (FOC) o controllo vettoriale, che regola ampiezza e fase della corrente dello statore per allinearla con la posizione del rotore.

Generazione di coppia: Quando il campo magnetico rotante generato dallo statore interagisce con i magneti permanenti sul rotore, esercita una coppia sul rotore, facendolo ruotare. La coppia prodotta dal motore può essere controllata regolando ampiezza e frequenza della corrente dello statore, determinando così la forza e la velocità del campo magnetico rotante.

Alimentazione: I motori sincroni a magneti permanenti richiedono un’alimentazione in grado di fornire la tensione e la frequenza AC appropriate agli avvolgimenti dello statore. Questo viene normalmente realizzato tramite un inverter, che converte una tensione DC proveniente da una sorgente di alimentazione, come una batteria o la rete elettrica, nella tensione e nella frequenza AC necessarie al motore.

In sintesi, un motore sincrono a magneti permanenti utilizza magneti permanenti sul rotore, avvolgimenti dello statore, commutazione elettronica e tecniche di sincronizzazione per generare un campo magnetico rotante che aziona il rotore e produce rotazione meccanica. Coppia e velocità del motore possono essere controllate regolando ampiezza e frequenza della corrente dello statore mediante un inverter e un controller del motore.

Vantaggi

Uno dei principali vantaggi dei motori sincroni nei veicoli elettrici è la loro maggiore densità di potenza. I magneti permanenti nel rotore forniscono un campo magnetico costante, consentendo una coppia e una potenza superiori rispetto ai motori asincroni di dimensioni simili. Ciò rende i motori sincroni particolarmente adatti per veicoli elettrici ad alte prestazioni che richiedono accelerazioni rapide e alte velocità.

I motori sincroni nei veicoli elettrici sono anche noti per il controllo preciso ed efficiente. Possono essere controllati con precisione utilizzando elettronica di potenza avanzata, come controllori del motore o inverter, che consentono prestazioni ottimizzate e una migliore gestione dell’energia. Questo abilita funzionalità come la distribuzione della coppia, in cui la coppia può essere controllata in modo indipendente per ogni ruota, migliorando trazione e maneggevolezza in diverse condizioni di guida.

Un altro vantaggio dei motori sincroni è la capacità di raggiungere elevata efficienza su un’ampia gamma di velocità e carichi. Ciò permette un funzionamento efficiente sia a basse che ad alte velocità, particolarmente utile nei veicoli elettrici che richiedono differenti livelli di potenza e coppia a seconda delle condizioni di guida.

Limitazioni

Materiali delle terre rare: I motori sincroni a magneti permanenti richiedono magneti in terre rare, che possono essere costosi e presentare implicazioni ambientali in termini di estrazione e sostenibilità.

Resistenza durante il moto a ruote libere: Quando un veicolo elettrico è in folle o rotola senza alimentazione, il motore elettrico può generare un effetto di trascinamento, spesso chiamato "motor drag" o "coasting drag". Questa resistenza è causata dalle forze elettromagnetiche all’interno del motore, che possono opporsi al movimento del rotore e creare attrito contro lo spostamento del veicolo.

Nel caso dei motori a magneti permanenti, i magneti sul rotore creano un campo magnetico fisso, che può generare maggiore resistenza quando il motore non è alimentato. Ciò comporta un trascinamento superiore rispetto ai motori a induzione. Tuttavia, il trascinamento dal motore a magneti permanenti può variare in base al design specifico e alla strategia di controllo impiegata, poiché alcuni motori a magneti permanenti possono presentare trascinamento ridotto grazie a tecniche avanzate di controllo motore.

Alcuni produttori di veicoli elettrici utilizzano una frizione per disaccoppiare il motore dal gruppo motopropulsore, svincolando efficacemente il motore dalle ruote e consentendo al veicolo di rotolare senza alcuna resistenza dal motore. Ciò può contribuire a ridurre la resistenza avvertita dalle ruote quando il motore non è alimentato, migliorando potenzialmente l’efficienza del veicolo e riducendo il consumo di energia.

Altri montano motori a induzione anteriormente e PMSM posteriormente. Esempi includono tutte le auto basate sulla piattaforma Volkswagen MEB.

Se vuoi saperne di più sui motori PMSM, ti consigliamo di guardare questo video in cui Lucid spiega il loro design PMSM e lo confronta con altri.