Permanenterregte Synchronmaschine (PSM)

Die permanenterregte Synchronmaschine, im Deutschen meist mit PSM abgekürzt und international als PMSM bezeichnet, ist jene elektrische Maschine, die den weitaus größten Teil der heutigen batterieelektrischen Fahrzeuge und Plug-in-Hybride antreibt. Ihre Vormachtstellung verdankt sie der Tatsache, dass der Rotor sein eigenes Magnetfeld trägt, das von starken Dauermagneten und nicht von einem von außen zugeführten Strom erzeugt wird. Da dieses Feld dauerhaft vorhanden ist, verschwendet der Motor keine Energie, um es überhaupt aufzubauen, was der PSM einen außergewöhnlich hohen Wirkungsgrad sowie ein sehr günstiges Leistungsgewicht und eine hohe Leistungsdichte verschafft. Das Ergebnis ist eine kompakte, leichte Einheit, die schon aus dem Stand kräftiges Drehmoment liefert, also genau jene Eigenschaft, die ein Pkw braucht.

Mechanisch besteht die Maschine aus zwei Hauptteilen: einem feststehenden Stator mit Kupferwicklungen und einem rotierenden Rotor, in dem die Magnete eingebettet sind. Speist der Wechselrichter Drehstrom in die Statorwicklungen ein, entsteht ein umlaufendes Magnetfeld. Die Magnete des Rotors koppeln sich an dieses Drehfeld an und folgen ihm, sodass der Rotor synchron mit ihm umläuft, woher der Name Synchronmaschine rührt. Bei den meisten Automobilauslegungen sind die Magnete tief in den Blechpaketen des Rotors vergraben statt an dessen Oberfläche montiert; diese Bauform mit innenliegenden Permanentmagneten liefert einen nützlichen Anteil an Reluktanzmoment und erlaubt es dem Rotor, sicher mit hoher Drehzahl zu laufen, ohne dass die Magnete herausgeschleudert werden.

Bei den Magneten handelt es sich in der Regel um Neodym-Eisen-Bor-Magnete aus Seltenen Erden, denen häufig Dysprosium oder Terbium beigemengt wird, damit sie bei hohen Temperaturen nicht entmagnetisieren. Ihre Stärke ist die Quelle der Effizienz, zugleich aber auch der wichtigste Nachteil. Seltene Erden sind teuer, ihr Vorkommen ist geografisch stark konzentriert, und ihre Förderung und Aufbereitung sind mit ökologischen wie geopolitischen Lasten verbunden. Das hat die Hersteller dazu bewogen, den Magnetanteil zu senken, Rotoren mit weniger schweren Seltenen Erden auszulegen oder bei manchen Modellen eine PSM an der einen Achse mit einem magnetfreien Asynchronmotor an der anderen zu kombinieren.

Eine präzise Regelung setzt genaue Kenntnis der Rotorlage voraus, weshalb die Maschine auf einen Lagegeber angewiesen ist, üblicherweise einen Resolver, der an den Wechselrichter zurückmeldet, welcher die Stromkurve viele tausend Mal pro Sekunde anpasst. Dieselbe Hardware erlaubt es dem Motor, beim rekuperativen Bremsen als Generator zu arbeiten und die Bewegungsenergie des Fahrzeugs wieder in gespeicherte Ladung zurückzuverwandeln. Aus dem dauerhaften Feld folgt eine praktische Besonderheit: Da die Magnete stets eine Gegenspannung induzieren, kann eine PSM nicht so sauber im Leerlauf mitlaufen wie ein Asynchronmotor und muss bei sehr hohen Drehzahlen aktiv über Feldschwächung geregelt werden, um unerwünschte Bremswirkung oder Überspannung zu vermeiden.

Innerhalb des gesamten Antriebsstrangs sitzt die PSM zwischen dem Wechselrichter, der ihr den sorgfältig geformten Strom liefert, und einem Untersetzungsgetriebe, das ihre hohe Drehzahl an die Räder anpasst. Ihre wichtigste Alternative ist der Asynchronmotor, der etwas Wirkungsgrad gegen geringere Kosten und Unabhängigkeit von Seltenen Erden eintauscht, und die Wahl zwischen beiden zählt zu den prägendsten ingenieurtechnischen Entscheidungen hinter dem Antrieb und der Gesamteffizienz eines jeden Elektroautos.