IPM- und SPM-Motoren: Magnete an der Oberfläche oder im Inneren – was ist der Unterschied?

Öffnen Sie den Nabenmotor eines Elektrorollers: Die Magnete sind auf der Oberfläche des Rotors aufgeklebt. Öffnen Sie den Motor eines modernen Elektroautos: Oft sind die Magnete in Schlitzen verborgen, innerhalb der Blechschicht des Rotors. Dieser Unterschied in der Positionierung führt zu zwei Familien von Synchronmotoren mit Permanentmagneten: SPM und IPM. Dies verändert die Art und Weise, wie der Motor sein Drehmoment erzeugt und seine Fähigkeit, schnell zu drehen.

Zwei Möglichkeiten, die Magnete zu befestigen

SPM: Permanentmagnete auf der Oberfläche

SPM steht für "Surface Permanent Magnet" (Permanentmagnet auf der Oberfläche). Die Magnete werden auf der Oberfläche des Rotors angebracht, gegenüber den Wicklungen. Die Konstruktion ist einfach, und der gesamte magnetische Fluss wirkt direkt. Die meisten Nabenmotoren für Elektroroller, mit externem Rotor, sind dieses Typs: die Magnete sind im Inneren des rotierenden Gehäuses angeordnet.

Grenze: Bei sehr hohen Geschwindigkeiten mit einem Innenrotor besteht die Gefahr, dass die Zentrifugalkraft die Magnete herausreißt. In diesem Fall müssen die Magnete mit einem Ring fixiert werden.

IPM: Innenliegende Magnete

IPM steht für "Interior Permanent Magnet". Die Magnete werden in Aussparungen eingelassen, die in die Stahlbleche des Rotors geschnitten sind, und sind oft in einer V-Form angeordnet. Sie sind mechanisch geschützt, und die Form des Eisens um sie herum erzeugt einen zusätzlichen Effekt, der weiter unten beschrieben wird.

Das Reluktanzmoment

Das Eisen wird von einem Magnetfeld angezogen, selbst ohne Magnet: das ist die Reluktanz. Ein längliches Stück Eisen neigt dazu, sich mit dem Feld auszurichten, ähnlich wie ein Kompassnadel.

In einem IPM-Motor (Interior Permanent Magnet) ist der Rotor nicht magnetisch "rund": er lässt das Magnetfeld in bestimmten Richtungen leichter durch als in anderen, aufgrund der Magnetunterbringungen, die kleine Hohlräume darstellen. Man spricht von einer Saillage. In der Vektorkontrollsprache ist seine Induktivität nicht gleich auf der d-Achse (ausgerichtet mit den Magneten) und auf der q-Achse (um 90° versetzt).

Ergebnis: Das Gesamtmoment eines IPM-Motors hat zwei Ursachen.

• das Magnetdrehmoment, wie bei einem SPM (Surface Permanent Magnet), das durch den Strom q erzeugt wird;
• Das Reluktanzmoment, das durch die Kombination der Ströme d und q entsteht, resultiert aus der Differenz der Induktivität zwischen den beiden Achsen.

Was das für die Steuerung bedeutet

In einem SPM (Surface Permanent Magnet) erzeugt der Stromkomponente "d" keinen Drehmoment: die Vektorregelung hält ihn bei Null. In einem IPM (Interior Permanent Magnet) erzeugt ein sorgfältig gewählter, negativer Stromkomponente "d" zusätzliches Reluktanzdrehmoment. Für ein gegebenes Drehmoment gibt es also eine Kombination aus Stromkomponenten "d" und "q", die die geringstmögliche Stromstärke benötigt: dies ist die MTPA-Strategie (Maximum Torque Per Ampere), also das maximale Drehmoment pro Stromstärke.

Der Controller muss dann die beiden Induktivitäten des Motors kennen und die korrekte Verteilung in jedem Moment berechnen, was eine detailliertere Charakterisierung des Motors erfordert.

Warum IPM im Automobilbereich dominiert

• `Er dreht sich schnell: Die Magnete sind in Eisen geschützt und ermöglichen hohe Drehzahlen.`
• Gute Flussfeldabschwächung: Über seine Basisfahrgeschwindigkeit hinaus bietet er dank des Stroms eine nützliche Leistung über einen weiten Geschwindigkeitsbereich. Sehen Sie sich unseren Leitfaden zur Flussfeldabschwächung an.
• `Es spart Magnete: Ein Teil des Drehmoments wird durch die magnetische Widerstand erzeugt, was dazu beiträgt, die Anzahl der Magnete zu reduzieren, da diese teuer sind.`

Einige Hersteller gehen noch weiter und verwenden sogenannte "synchronisierte Reluktanzmotoren mit Magnetunterstützung", bei denen die Reluktanz den Hauptteil des Drehmoments liefert und die Magnete eine zusätzliche Unterstützung bieten.

Und was ist mit einem Elektroroller?

Ein Nabenmotor für E-Scooter dreht sich langsam (das Rad wird direkt angetrieben) und benötigt viel Drehmoment beim Anfahren. Der SPM-Motor mit Außentor ist dafür sehr gut geeignet: großer Durchmesser, viele Magnete, direktes Drehmoment, einfache Konstruktion. Der IPM-Motor hingegen ist vor allem bei Motoren interessant, die schnell drehen und das Rad über eine Untersetzung antreiben, wie bei Elektro-Motorrädern und -Autos.

Unsere Elektro-Roller-Motoren sind Nabenmotoren dieser Art, erhältlich in den Varianten High Speed und High Torque.