Silniki synchroniczne z magnesami trwałymi

Jak to działa

Wirnik: Wirnik silnika PMSM zawiera trwałe magnesy, które generują stałe pole magnetyczne. Magnesy te są zazwyczaj wykonane z materiałów takich jak neodym-żelazo-bor (NdFeB) lub kobalt-samarium (SmCo), znanych z wysokiej siły magnetycznej.

Zazwyczaj wirnik ma 6 lub 8 biegunów magnetycznych.

Stojan: Stojan jest nieruchomą częścią silnika i składa się z uzwojeń nawiniętych wokół biegunów stojana. Uzwojenia te wykonane są zazwyczaj z miedzi i są zasilane prądem przemiennym (AC), co tworzy pole magnetyczne oddziałujące z wirnikiem.

Komutacja: Silnik synchroniczny z magnesami trwałymi opiera się na komutacji elektronicznej do sterowania kierunkiem i prędkością obrotową silnika. Czujniki, takie jak czujniki Halla lub enkodery, wykrywają pozycję wirnika i dostarczają informacji zwrotnej do sterownika silnika. Na podstawie tych informacji sterownik decyduje, kiedy i jak przełączyć uzwojenia stojana, aby utworzyć wirujące pole magnetyczne, które napędza wirnik.

Synchronizacja: Pole magnetyczne generowane przez uzwojenia stojana musi być zsynchronizowane z pozycją wirnika, aby osiągnąć wydajną i płynną pracę. Zwykle realizuje się to za pomocą techniki zwanej sterowaniem ukierunkowanym pola (FOC) lub sterowaniem wektorowym, która dostosowuje amplitudę i fazę prądu stojana do położenia wirnika.

Wytwarzanie momentu obrotowego: Gdy wirujące pole magnetyczne generowane przez stojan oddziałuje z magnesami na wirniku, wywiera moment obrotowy na wirnik, powodując jego obrót. Moment obrotowy generowany przez silnik można kontrolować, regulując amplitudę i częstotliwość prądu stojana, co z kolei decyduje o sile i prędkości wirującego pola magnetycznego.

Zasilanie: Silniki PMSM wymagają źródła zasilania, które może dostarczyć odpowiednie napięcie i częstotliwość prądu przemiennego do uzwojeń stojana. Zazwyczaj osiąga się to za pomocą falownika, który przekształca napięcie stałe z źródła zasilania, takiego jak akumulator lub sieć energetyczna, na wymagane napięcie i częstotliwość prądu przemiennego dla silnika.

Podsumowując, silnik synchroniczny z magnesami trwałymi wykorzystuje trwałe magnesy na wirniku, uzwojenia stojana, komutację elektroniczną i techniki synchronizacji do generowania wirującego pola magnetycznego, które napędza wirnik i wytwarza ruch obrotowy. Moment obrotowy i prędkość silnika można kontrolować, regulując amplitudę i częstotliwość prądu stojana za pomocą falownika i sterownika silnika.

Zalety

Jedną z głównych zalet silników synchronicznych w pojazdach elektrycznych jest ich wyższa gęstość mocy. Trwałe magnesy w wirniku dostarczają stałe pole magnetyczne, co pozwala na wyższy moment obrotowy i moc w porównaniu z silnikami asynchronicznymi o podobnych rozmiarach. Dzięki temu silniki synchroniczne są szczególnie odpowiednie dla wysokowydajnych pojazdów elektrycznych, które wymagają szybkiego przyspieszenia i dużych prędkości.

Silniki synchroniczne w pojazdach elektrycznych są również znane z precyzyjnej i efektywnej kontroli. Mogą być precyzyjnie sterowane za pomocą zaawansowanej elektroniki mocy, takiej jak sterowniki silnika lub falowniki, co pozwala na zoptymalizowaną wydajność i lepsze zarządzanie energią. Umożliwia to takie funkcje, jak wektorowanie momentu obrotowego (torque vectoring), gdzie moment obrotowy może być niezależnie sterowany dla każdego koła, poprawiając trakcję i prowadzenie w różnych warunkach jazdy.

Kolejną zaletą silników synchronicznych jest ich zdolność do osiągania wysokiej efektywności w szerokim zakresie prędkości i obciążeń. Pozwala to na efektywną pracę zarówno przy niskich, jak i wysokich prędkościach, co jest szczególnie przydatne w pojazdach elektrycznych, które wymagają różnych poziomów mocy i momentu obrotowego w zależności od warunków jazdy.

Ograniczenia

Materiały z metali ziem rzadkich: Silniki PMSM wymagają magnesów z metali ziem rzadkich, które mogą być drogie i wiązać się z implikacjami środowiskowymi związanymi z wydobyciem i zrównoważonym rozwojem.

Opór podczas swobodnego toczenia: Gdy pojazd elektryczny (EV) żegluje lub toczy się bez zasilania, silnik elektryczny może generować efekt oporu, często nazywany „oporem silnika” lub „oporem żeglowania”. Ten opór jest spowodowany siłami elektromagnetycznymi wewnątrz silnika, które mogą przeciwstawiać się ruchowi wirnika i stwarzać opór dla poruszania się pojazdu.

W przypadku silników z magnesami trwałymi magnesy w wirniku tworzą stałe pole magnetyczne, co może generować większy opór, gdy silnik nie jest zasilany. W rezultacie opór silnika jest wyższy w porównaniu z silnikami asynchronicznymi. Jednakże opór ze strony silnika z magnesami trwałymi może zależeć także od konkretnej konstrukcji i zastosowanej strategii sterowania, ponieważ niektóre silniki z magnesami trwałymi mogą mieć zmniejszony opór dzięki zaawansowanym technikom sterowania silnikiem.

Niektórzy producenci pojazdów elektrycznych stosują sprzęgło do odłączania silnika od układu napędowego, skutecznie rozłączając silnik z kołami i pozwalając pojazdowi toczyć się bez oporu ze strony silnika. Może to pomóc zmniejszyć opór odczuwany przez koła, gdy silnik nie jest zasilany, co potencjalnie poprawia efektywność pojazdu i zmniejsza zużycie energii.

Inni wykorzystują silniki asynchroniczne z przodu i silniki PMSM z tyłu. Przykłady to wszystkie samochody oparte na platformie Volkswagen MEB.

Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o silnikach PMSM, zalecamy obejrzenie tego wideo, w którym Lucid wyjaśnia swoją konstrukcję silnika PMSM i porównuje ją z innymi.