IPM- och SPM-motorer: skillnaden mellan magneter på ytan och magneter inuti, och vad det innebär

Öppna motorhjulet på en elscooter: magneterna är fastlimmade på rotorns yta. Öppna motorn på en modern elbil: ofta är magneterna inbäddade i spår, inuti rotorns laminerade delar. Denna skillnad i placering ger två familjer av synkronmotorer med permanentmagneter: SPM och IPM. Detta påverkar hur motorn genererar vridmoment och dess förmåga att rotera snabbt.

Här är två sätt att montera magneterna

SPM: ytmonterade magneter

SPM står för "Surface Permanent Magnet" (permanentmagnet på ytan). Magneterna är fastlimmade på rotorns yta, mot lindningarna. Konstruktionen är enkel, och hela magnetflödet verkar direkt. De flesta navmotorer för elscootrar, med en extern rotor, är av denna typ: magneterna sitter på insidan av den roterande höljet.

Begränsning: Vid mycket höga hastigheter på en motor med inre rotor, tenderar centrifugalkraften att lossa magneterna, vilket kräver att de fixeras med en ring.

IPM: Inre permanentmagneter

IPM står för "Interior Permanent Magnet". Magneterna är inbäddade i utskurna fack i rotorplåtarna, ofta arrangerade i en V-form. De är mekaniskt skyddade, och formen på järnet runt dem skapar en ytterligare effekt, som beskrivs mer detaljerat nedan.

Reluktansmomentet

Järn dras till ett magnetfält, även utan en magnet: detta kallas reluktans. En förlängd järnbit tenderar att rikta in sig med fältet, likt en kompassnål.

I en IPM-motor (Interior Permanent Magnet) är rotorn inte magnetiskt "rund": den släpper igenom magnetfältet lättare i vissa riktningar än i andra, på grund av magnetfacken som är små tomrum. Man säger att den har en saillance. I termer av vektorstyrning är dess induktans inte densamma längs axeln d (som är inriktad med magneterna) och längs axeln q (som är 90°).

Resultat: det totala vridmomentet för en IPM-motor (Internally Permanent Magnet) har två källor.

• det magnetiska momentet, likt i en SPM, som genereras av strömmen q;
• det reluktansmomentet, som genereras av kombinationen av strömmarna d och q, tack vare skillnaden i induktans mellan de två axlarna.

Vad detta innebär för styrningen

I en SPM (Surface Permanent Magnet) producerar inte strömmen *d* något vridmoment: den vektorstyrningen håller den på noll. I en IPM (Interior Permanent Magnet) adderar en väl vald, negativ ström *d* vridmoment från reluktans. För ett givet vridmoment finns det därför en kombination av strömmar *d* och *q* som kräver så få ampere som möjligt: detta är strategin MTPA, vilket står för "Maximum Torque Per Ampere", alltså maximalt vridmoment per ampere.

Styrenheten måste då känna till båda motorlindningarna och beräkna den korrekta fördelningen vid varje tidpunkt, vilket kräver en mer detaljerad karakterisering av motorn.

Varför är IPM-system dominerande inom fordonsindustrin?

• Den går snabbt: Magneterna är skyddade av järn, vilket gör att den klarar höga rotationshastigheter.
• Den ger bra prestanda vid olika hastigheter: Utöver sin grundläggande hastighet bibehåller den en användbar effekt över ett brett hastighetsområd tack vare strömstyrningen. Se vår guide om fältstyrningsjustering (defluxage).
• Sparar på magneter: En del av vridmomentet kommer från reluktansen, vilket möjliggör en minskning av antalet magneter, som är kostsamma.

Vissa tillverkare går ännu längre med motorer som kallas "magnetassisterade reluktansmotorer", där reluktansen bidrar till det mesta av vridmomentet och magneterna ger ett extra stöd.

Och på en elscooter?

En motor för elscooter roterar långsamt (hjulet drivs direkt) och behöver mycket vridmoment redan från stillastående. SPM-motorer med yttre rotor är mycket lämpliga för detta: stor diameter, många magneter, direkt vridmoment och enkel konstruktion. IPM-motorer är mest fördelaktiga för motorer som roterar snabbt och driver hjulet via en utväxling, som i elbilar och motorcyklar.

Våra motorer för elscooter är navmotorer av denna typ, och finns i versioner med hög hastighet och högt vridmoment.