A Permanentmagnetmotor (PM). ist ein Wechselstrommotor, der Magnete verwendet, die in die Oberfläche des Motorrotors eingebettet oder daran befestigt sind. Elektrofahrzeuge verwenden Permanentmagnet-Synchronmotoren mit hoher Drehmomentdichte und hohem Wirkungsgrad.

Bei den verwendeten Magneten handelt es sich um Neodym-Eisen-Bor-Magnete, auch Supermagnete genannt. Der Name kommt von dem sehr konzentrierten Magnetfeld pro Quadratzentimeter, was sie aufgrund ihrer geringen Größe sehr attraktiv macht, ihre hohe Magnetfelddichte ist jedoch gut für Stärke und Effizienz.

Unter Berücksichtigung der Eigenschaften von Permanentmagnetmotoren und der hohen magnetischen Felddichte beträgt die ausgelegte Motorgröße ein Drittel derjenigen von Motoren mit gleicher Leistung. Darüber hinaus hält der hohe Wirkungsgrad den Stromverbrauch von Elektrofahrzeugen auf einem Minimum und nicht zuletzt wird die magnetische Lebensdauer des Supermagneten auf etwa 400 Jahre geschätzt, was seine Effizienz und Zuverlässigkeit im Laufe der Zeit gewährleistet.

Permanentmagnetmotoren (auch als PMs bekannt) können in zwei Hauptkategorien unterteilt werden: Innenpermanentmagnete (IPM) und Oberflächenpermanentmagnete (SPM). Beide Typen erzeugen einen magnetischen Fluss durch Permanentmagnete, die am oder im Rotor befestigt sind.

Der Oberflächenpermanentmagnet ist ein Motor mit Permanentmagneten, die am Umfang des Rotors angebracht sind, und der Innenpermanentmagnet ist ein Motor mit im Rotor eingebetteten Permanentmagneten, genannt IPM.

Seit Jahrzehnten dominieren Oberflächen-Permanentmagnetmotoren den Markt für Permanentmagnetmotoren. In den letzten Jahren haben jedoch die aufstrebenden Märkte für Hybrid- und Elektrofahrzeuge die Nachfrage nach Permanentmagnetmotoren für den Innenraum erhöht.

Mit Vorteilen wie konstanter Leistung über einen weiten Drehzahlbereich und Magnethaltedesign bieten innenliegende Permanentmagnetmotoren eine gute Lösung für Anwendungen wie Traktions- und Hilfsmotoren.

Bei Fahrzeuganwendungen bietet die eingebettete Permanentmagnettechnologie große Vorteile gegenüber Oberflächenpermanentmagnetmotoren. Das eingebettete Permanentmagnet-Design ermöglicht eine bessere Kontrolle über die Magnetisierung des Magnetkreises.

Im Gegensatz dazu bieten Innenmotoren mit Permanentmagneten einen größeren Bereich mehr oder weniger konstanten Drehmoments. Mithilfe einer Technik namens Feldschwächung können Designer Strom anwenden, um die Leistung zu ändern. Bei der Feldschwächung wird das Statormagnetfeld so angepasst, dass es der Wirkung des Permanentmagneten teilweise entgegenwirkt.

———–Oberflächen-Permanentmagnetmotoren———–

Oberflächenpermanentmagnetmotoren verfügen über Magnete, die an der Außenseite der Rotoroberfläche befestigt sind, und ihre mechanische Festigkeit ist schwächer als die von Motoren mit eingebetteten Permanentmagneten. Die geschwächte mechanische Festigkeit begrenzt die maximale sichere mechanische Geschwindigkeit des Motors.

Darüber hinaus sind die magnetische Konvexität (Ld≈Lq) dieser Motoren und die an den Rotoranschlüssen gemessenen Induktivitätswerte unabhängig von der Rotorposition konsistent. Aufgrund des engen magnetischen Kronenverhältnisses sind Oberflächenpermanentmagnetmotorkonstruktionen in hohem Maße auf magnetische Drehmomentkomponenten angewiesen, um Drehmoment zu erzeugen.

———–Innenraum-Permanentmagnetmotoren———–

Bei Innen-Permanentmagnetmotoren sind Permanentmagnete in den Rotor eingebettet. Anders als bei Oberflächen-Permanentmagnetmotoren sorgt die Anordnung der Permanentmagnete dafür, dass der Innen-Permanentmagnetmotor mechanisch gut und für den Hochgeschwindigkeitsbetrieb geeignet ist.

Diese Motoren zeichnen sich auch durch ihr relativ hohes magnetisches Kronenverhältnis (Lq>Ld) aus. Aufgrund seiner offensichtlichen magnetischen Konvexität kann der innere Permanentmagnetmotor ein Drehmoment erzeugen, indem er die magnetischen Drehmoment- und Reluktanzdrehmomentkomponenten des Motors nutzt, wodurch er für verschiedene Elektrofahrzeuge geeignet ist.

Schlussfolgerung

Für Hochgeschwindigkeitsanwendungen wie Fahrmotoren, Innen-Permanentmagnetmotoren sind die beste Wahl, wobei weniger Magnetmaterial verwendet wird und durch das scheinbare Kronenverhältnis des Rotors etwas Drehmoment gewonnen wird. Zusätzlich zum magnetischen Drehmoment wird auch das Reluktanzdrehmoment verwendet, um ein hohes Drehmoment zu erreichen, und es kann durch Vektorsteuerung zweier Drehmomentarten auf die Drehung eines Hochgeschwindigkeitsmotors reagieren.

In Kombination mit einer besseren Kontrolle über die Magnetisierung des Magnetkreises durch Steuerung des Stroms wird ein effizienter Betrieb über einen weiten Drehzahlbereich ermöglicht. Die mechanische Sicherheit wird verbessert, da sich der Magnet im Gegensatz zu einem SPM nicht aufgrund der Zentrifugalkraft löst. Im Vergleich zu herkömmlichen Motoren kann der interne Permanentmagnetmotor bei gleicher Leistung 30 % des Energieverbrauchs einsparen.