IPM- en SPM-motoren: magneten aan de oppervlakte of in het midden, wat is het verschil?
Open de motor van een elektrische scooter: de magneten zijn vastgeplakt aan het oppervlak van de rotor. Open de motor van een recente elektrische auto: vaak zijn de magneten verborgen in sleuven, in de binnenkant van de stapel metalen van de rotor. Dit verschil in positie geeft twee families van synchrone motoren met permanente magneten: SPM en IPM. Dit verandert de manier waarop de motor zijn koppel produceert en zijn vermogen om snel te draaien.
Het belangrijkste
- SPM: Magneten aan de oppervlakte van de rotor. Dit is een eenvoudige en efficiënte oplossing, en wordt vaak gebruikt bij de motoren van elektrische scooters.
- IPM: Magneten die zich bevinden in het midden van de rotor. De motor produceert een extra koppel, ook wel bekend als "reluctantiekoppel".
- De IPM-configuratie is beter geschikt voor zeer hoge snelheden en leent zich goed voor het afvoeren van warmte, wat verklaart waarom deze populair is in de auto-industrie.
- De IPM-configuratie vereist een fijnere afstelling: de nulstroom (d-stroom) wordt niet langer op nul gehouden.
Er zijn twee manieren om de magneten te plaatsen
SPM: oppervlakte-geplaatste magneten
SPM staat voor "Surface Permanent Magnet". De magneten zijn bevestigd aan het oppervlak van de rotor, tegenover de spoelen. De constructie is eenvoudig en alle magnetische flux werkt direct. De wielmotoren van elektrische scooters, met een externe rotor, zijn bijna allemaal van dit type: de magneten bedekken de binnenkant van de behuizing die draait.
Beperking: bij zeer hoge snelheden met een interne rotor, heeft de centrifugale kracht de neiging om de magneten los te maken. Deze magneten moeten dan worden vastgezet, bijvoorbeeld met een ring.
IPM: interne magneten
IPM staat voor "Interior Permanent Magnet". De magneten worden ingelegd in uitsparingen die zijn uitgesneden in de plaatstalen van de rotor, en zijn vaak in een V-vorm gerangschikt. Ze zijn mechanisch beschermd, en de vorm van het ferromateriaal eromheen creëert een extra effect, dat hieronder verder wordt beschreven.
Het koppel dat ontstaat door de weerstand
IJzer wordt aangetrokken door een magnetisch veld, zelfs zonder een magneet: dit is de reluctantie. Een lang stuk ijzer heeft de neiging om zich uit te lijnen met het veld, net als een kompasnaald.
In een IPM-motor is de rotor niet magnetisch "rond": de magnetische flux kan gemakkelijker door bepaalde richtingen heen dan door andere, vanwege de inkapselingen voor de magneten, die allemaal kleine openingen vormen. Men zegt dat de motor saillantie heeft. In de taal van vectorbesturing is de inductantie niet hetzelfde langs de d-as (uitgelijnd met de magneten) en langs de q-as (90°).
Resultaat: het totale koppel van een IPM-motor heeft twee bronnen.
- het koppel van de magneten, zoals bij een SPM, wordt veroorzaakt door de stroom q;
- het reluctantiemoment, dat wordt veroorzaakt door de combinatie van de stromen d en q, dankzij het verschil in inductantie tussen de twee assen.
Wat dit betekent voor de besturing
In een SPM (Surface Permanent Magnet) produceert de stroom *d* geen koppel: de vectoriële regeling houdt deze op nul. In een IPM (Interior Permanent Magnet), voegt een zorgvuldig gekozen, negatieve stroom *d* remkoppel toe. Voor een bepaald koppel bestaat er dus een combinatie van stromen *d* en *q* die het minste aantal ampère vereist: dit is de MTPA strategie, wat staat voor "Maximum Torque Per Ampere", oftewel het maximale koppel per ampère.
De controller moet dan de twee inductanties van de motor kennen en de juiste verdeling berekenen op elk moment, wat een meer gedetailleerde karakterisering van de motor vereist.
Waarom IPM (Integrated Power Module) zo populair is in de auto-industrie
- `Hij draait snel: de magneten zijn beschermd in een metalen behuizing, waardoor hij hoge rotatiesnelheden kan verdragen.`
- Goede fluxverzwakking: Naast de basis snelheid, behoudt hij een nuttig vermogen over een breed snelheidsbereik dankzij de stroom. Zie onze handleiding over fluxverzwakking.
- Het bespaart magneten: een deel van het koppel komt voort uit de weerstand, waardoor de hoeveelheid magneten, die duur zijn, kan worden verminderd.
Sommige fabrikanten gaan nog verder met zogenaamde "synchrone motoren met magnetische assistentie", waarbij de magnetische weerstand het grootste deel van het koppel levert en de magneten een aanvullende kracht bieden.
En wat betreft een elektrische step?
Een motor voor een elektrische scooter draait langzaam (het wiel wordt direct aangedreven) en heeft veel koppel nodig, vooral bij het wegrijden vanuit stilstand. De SPM-motor met externe rotor is hier zeer geschikt voor: groot diameter, veel magneten, direct koppel en een eenvoudige constructie. De IPM-motor is vooral interessant voor motoren die snel draaien en het wiel aandrijven via een reductie, zoals bij elektrische motorfietsen en auto's.
Onze motoren voor elektrische scooters zijn naafmotoren van dit type, verkrijgbaar in de versies High Speed en High Torque.
Veelgestelde vragen
Is een IPM-motor krachtiger dan een SPM-motor?
De keuze van de motor is belangrijk. Motoren van hetzelfde formaat kunnen meer koppel per ampère leveren en, vooral, een groter snelheidsbereik bieden. Een goed ontworpen SPM (Permanent Magnet Synchronous Motor) blijft echter uitstekend presteren wanneer de rotatiesnelheid gematigd is, zoals bij een wiel van een elektrische scooter.
Kan een controller voor een elektrische scooter een IPM-motor aansturen?
Het zal werken, maar het maakt geen gebruik van het koppel dat voortkomt uit de reluktantie als de stroom (I) op nul blijft. Om een IPM-motor optimaal te benutten, is een controller nodig die de MTPA-strategie beheert en de twee inductanties van de motor kent.
Wat betekent "saillance"?
Het komt doordat de rotor het magnetische veld gemakkelijker doorlaat in de ene richting dan in de andere. Dit wordt gemeten aan de hand van het verschil tussen de inductantie langs de as van de magneten (d) en loodrecht daarop (q). Hoe groter dit verschil, hoe hoger het koppel dat ontstaat door de variërende magnetische weerstand.