Synchrone permanentmagneetmotoren

Hoe het werkt

Rotor: De rotor van een PMSM bevat permanente magneten die een vast magnetisch veld genereren. Deze magneten zijn doorgaans gemaakt van materialen zoals neodymium-ijzer-boor (NdFeB) of samarium-kobalt (SmCo), bekend om hun hoge magnetische sterkte.

Gewoonlijk heeft de rotor 6 of 8 magnetische polen.

Stator: De stator is het stilstaande deel van de motor en bestaat uit windingen gewikkeld rond de statorpalen. Deze windingen zijn meestal van koper en worden gevoed met wisselstroom (AC) om een magnetisch veld te creëren dat in wisselwerking staat met de rotor.

Commutatie: De PMSM is afhankelijk van elektronische commutatie om de richting en snelheid van de motor te regelen. Sensoren, zoals Hall-effectsensoren of encoders, detecteren de positie van de rotor en geven feedback aan de motorcontroller. Op basis van deze feedback bepaalt de motorcontroller wanneer en hoe de statorwikkelingen in- en uitgeschakeld moeten worden om een roterend magnetisch veld te creëren dat de rotor aandrijft.

Synchronisatie: Het magnetische veld dat door de statorwikkelingen wordt gegenereerd, moet worden gesynchroniseerd met de positie van de rotor om een efficiënte en soepele werking te bereiken. Dit wordt meestal gedaan met een techniek die field-oriented control (FOC) of vector control wordt genoemd, waarbij de amplitude en fase van de statorstroom worden aangepast om deze uit te lijnen met de rotorpositie.

Koppelproductie: Terwijl het roterende magnetische veld dat door de stator wordt gegenereerd, in wisselwerking staat met de permanente magneten op de rotor, oefent het koppel uit op de rotor, waardoor deze gaat draaien. Het door de motor geproduceerde motorkoppel kan worden geregeld door de amplitude en frequentie van de statorstroom aan te passen, wat op zijn beurt de sterkte en snelheid van het roterende magnetische veld bepaalt.

Voedingsbron: PMSM’s hebben een voedingsbron nodig die de juiste AC-spanning en frequentie kan leveren aan de statorwikkelingen. Dit wordt meestal bereikt met behulp van een omvormer, die een DC-spanning van een krachtbron, zoals een batterij of een elektriciteitsnet, omzet in de vereiste AC-spanning en frequentie voor de motor.

Samengevat gebruikt een PMSM permanente magneten op de rotor, statorwikkelingen, elektronische commutatie en synchronisatietechnieken om een roterend magnetisch veld te genereren dat de rotor aandrijft en mechanische rotatie produceert. Het koppel en de snelheid van de motor kunnen worden geregeld door de amplitude en frequentie van de statorstroom aan te passen met behulp van een omvormer en een motorcontroller.

Voordelen

Een van de belangrijkste voordelen van synchrone motoren in Elektroauto's is hun hogere vermogensdichtheid. Permanente magneten in de rotor zorgen voor een constant magnetisch veld, waardoor er meer koppel en meer vermogen geleverd kan worden in vergelijking met asynchrone motoren van vergelijkbare omvang. Dit maakt synchrone motoren bijzonder geschikt voor high-performance Elektroauto's die snelle acceleratie en hoge snelheden vereisen.

Synchrone motoren in Elektroauto's staan ook bekend om hun nauwkeurige en efficiënte regeling. Ze kunnen nauwkeurig worden aangestuurd met behulp van geavanceerde vermogenselektronica, zoals motorcontrollers of omvormers, wat geoptimaliseerde prestaties en verbeterd energiemanagement mogelijk maakt. Dit maakt functies zoals torque vectoring mogelijk, waarbij het motorkoppel onafhankelijk per wiel kan worden geregeld, wat de tractie en het rijgedrag onder verschillende rijomstandigheden verbetert.

Een ander voordeel van synchrone motoren is hun vermogen om een hoge efficiëntie te bereiken over een breed snelheids- en belastingsbereik. Dit maakt een efficiënte werking mogelijk bij zowel lage als hoge snelheden, wat vooral nuttig is in Elektroauto's die afhankelijk van de rijomstandigheden verschillende niveaus van vermogen en motorkoppel vereisen.

Beperkingen

Zeldzame aardmaterialen: PMSM’s vereisen zeldzame aardmagnets, die duur kunnen zijn en milieugevolgen kunnen hebben wat betreft mijnbouw en duurzaamheid.

Weerstand bij vrij rollen: Wanneer een Elektroauto (EV) uitrolt of rolt zonder aandrijving, kan de elektromotor een weerstandseffect veroorzaken, vaak aangeduid als "motordrag" of "coasting drag." Deze weerstand wordt veroorzaakt door de elektromagnetische krachten binnen de motor, die de beweging van de rotor kunnen tegenwerken en weerstand bieden tegen de voortbeweging van het voertuig.

In het geval van permanente magneetmotoren creëren de magneten in de rotor een vast magnetisch veld, wat meer weerstand kan veroorzaken wanneer de motor niet wordt aangedreven. Dit resulteert in een hogere motorweerstand in vergelijking met inductiemotoren. De weerstand van de permanente magneetmotor kan echter ook afhangen van het specifieke ontwerp en de toegepaste regelstrategie, aangezien sommige permanente magneetmotoren door geavanceerde motorregelingen minder weerstand kunnen hebben.

Sommige fabrikanten van Elektroauto's gebruiken een koppeling om de motor los te koppelen van de aandrijflijn, waardoor de motor effectief loskomt van de wielen en het voertuig kan rollen zonder enige weerstand van de motor. Dit kan helpen de weerstand die door de wielen wordt gevoeld te verminderen wanneer de motor niet is ingeschakeld, wat mogelijk de efficiëntie van het voertuig verbetert en het energieverbruik verlaagt.

Andere maken gebruik van inductiemotoren aan de voorkant en PMSM’s aan de achterzijde. Voorbeelden hiervan zijn alle auto’s gebaseerd op het Volkswagen MEB-platform.

Als je nog meer over PMSM-motoren wilt leren, raden we aan deze video te bekijken waarin Lucid hun PMSM-ontwerp uitlegt en vergelijkt met andere.