Motor PMSM: Pilihan ideal untuk berkendara kendaraan listrik yang efisien

I. Pendahuluan

Dengan fokus global pada netralitas karbon dan peningkatan pesat dalam industri kendaraan listrik (EV), permintaan akan motor penggerak berefisiensi tinggi dan berkinerja tinggi menjadi semakin ketat. Sebagai komponen inti yang menentukan jangkauan EV, performa tenaga, dan keandalan, motor PMSM secara bertahap menjadi konfigurasi utama kendaraan energi baru, menggantikan motor tradisional di banyak model kelas atas dan pasar massal.

Sejak tahun 1970-an, pengembangan bahan magnet permanen tanah jarang telah mendorong peningkatan motor magnet permanen—mengandalkan medan magnet stabil yang dihasilkan oleh magnet permanen,motor pmsm untuk EVtelah menembus hambatan kinerja motor bertenaga listrik tradisional, menunjukkan keunggulan nyata dalam penghematan energi, miniaturisasi, dan kontrol presisi. Artikel ini akan menganalisis secara mendalam karakteristik teknis, keunggulan inti, dan nilai praktis motor PMSM, serta membahas prospek pengembangannya di bidang EV.

II. Pengantar Motor PMSM dan Perannya dalam Kendaraan Listrik

Motor PMSM adalah motor AC yang menggunakan magnet permanen untuk membentuk medan magnet rotor, mewujudkan operasi sinkron antara rotor dan medan magnet putar stator tanpa cincin selip, sikat, atau belitan eksitasi rotor. Tidak seperti motor tradisional, medan magnetnya disediakan oleh bahan magnet permanen tanah jarang (seperti neodymium-iron-boron Nd2Fe14B), yang memiliki sifat magnet yang sangat baik seperti koersivitas tinggi, magnet sisa, dan produk energi magnet.

Pada kendaraan listrik,motor pmsmfor ev melakukan tugas inti untuk mengubah energi listrik menjadi energi mekanik, yang secara langsung memengaruhi respons dinamis kendaraan, konsumsi energi, dan pengalaman berkendara.

Dengan kematangan pengendalian vektor, pengendalian torsi langsung, dan teknologi perangkat elektronik daya, motor PMSM telah memecahkan masalah historis kesulitan penyalaan dan pengendalian yang rumit, dan banyak digunakan pada mobil penumpang, kendaraan komersial, dan kendaraan khusus energi baru. Dari kendaraan listrik berperforma tinggi yang mengejar akselerasi cepat hingga mobil keluarga yang berfokus pada jarak jauh, motor PMSM dapat disesuaikan dan disesuaikan untuk memenuhi beragam kebutuhan positioning produk.

Dari perspektif sejarah perkembangan, motor pertama di dunia adalah motor magnet permanen, namun pernah digantikan oleh motor berenergi listrik karena kinerja bahan magnet permanen yang terbelakang. Baru setelah munculnya material tanah jarang NdFeB pada tahun 1970-an, motor PMSM mendapatkan kembali vitalitasnya dan bergerak menuju arah daya tinggi, efisiensi tinggi, dan miniaturisasi. Saat ini, perusahaan-perusahaan terkemuka di dalam dan luar negeri telah mencapai terobosan dalam teknologi PMSM berkekuatan besar, sehingga meletakkan dasar yang kuat untuk mempopulerkannya di industri kendaraan listrik.

AKU AKU AKU. Prinsip Kerja dan Fitur Teknis Motor PMSM

3.1 Prinsip Interaksi Antara Magnet Permanen dan Medan Elektromagnetik

Prinsip kerja inti motor PMSM didasarkan pada induksi elektromagnetik dan efek eksitasi timbal balik antara magnet permanen dan arus bolak-balik. Rotor dilengkapi dengan magnet permanen tanah jarang, yang menghasilkan medan magnet konstan setelah magnetisasi; belitan stator dihubungkan dengan arus bolak-balik tiga fasa sehingga membentuk medan magnet berputar dengan kecepatan dan amplitudo yang dapat disesuaikan.

Di bawah aksi gaya elektromagnetik, rotor "dikunci" dengan medan magnet berputar stator dan berjalan secara sinkron, dengan kecepatan putaran sama dengan kecepatan sinkron (tanpa kehilangan slip), yang secara mendasar meningkatkan efisiensi konversi energi.

3.2 Proses Konversi Energi yang Efisien

Dibandingkan dengan motor elektrik tradisional, motor pmsm untuk ev menghilangkan hilangnya eksitasi belitan rotor dan hilangnya mekanis sikat dan cincin selip, dan arus stator hanya perlu menyediakan arus torsi, sehingga secara signifikan mengurangi kehilangan tembaga dan kehilangan besi. Dalam proses konversi energi, medan magnet magnet permanen stabil dan dapat diandalkan, dan kehilangan energi dikendalikan pada tingkat yang rendah—bahkan dalam kondisi beban parsial atau kecepatan rendah, efisiensi tinggi dapat dipertahankan, yang sangat penting untuk memperluas jangkauan kendaraan listrik.

3.3 Kontrol Kecepatan dan Torsi yang Tepat

Kontrol motor PMSM yang presisi bergantung pada algoritme kontrol canggih dan perangkat elektronik daya berkinerja tinggi. Kontrol vektor (FOC) memecahkan masalah pengaturan kecepatan motor AC dari prinsipnya, mewujudkan pengaturan kecepatan yang mulus dalam rentang yang luas dan respons torsi yang cepat; kontrol torsi langsung (DTC) menyederhanakan struktur kontrol, dengan ketahanan yang kuat terhadap perubahan parameter dan respons dinamis yang cepat.

Untuk kendaraan listrik, ini berarti motor dapat menghasilkan torsi besar secara instan saat start dan akselerasi, serta mempertahankan pengoperasian yang stabil selama jelajah kecepatan tinggi, sekaligus mencapai kesesuaian yang tepat antara kecepatan dan torsi sesuai dengan kondisi berkendara, sehingga mengoptimalkan konsumsi energi.

Selain itu, penerapan prosesor berkinerja tinggi dan perangkat elektronik daya telah semakin meningkatkan presisi kontrol dan kecepatan respons motor PMSM. Konverter frekuensi umum dapat mengubah daya frekuensi daya menjadi daya frekuensi variabel, memecahkan masalah startup motor sinkron dan memberikan jaminan teknis yang dapat diandalkan untuk penerapan motor pmsm untuk ev.

IV. Keunggulan Motor PMSM untuk Pengendaraan Efisien pada Kendaraan Listrik

4.1 Meningkatkan Jangkauan dengan Efisiensi Tinggi

Efisiensi beban penuh motor PMSM dapat mencapai 94%-97%, yaitu 3-5 poin persentase lebih tinggi dibandingkan motor asinkron tradisional. Yang lebih penting lagi, teknologi ini dapat mempertahankan efisiensi tinggi dalam kondisi beban parsial, yang merupakan sebagian besar skenario berkendara kendaraan listrik sehari-hari.

Untuk kendaraan listrik dengan kapasitas baterai terbatas, efisiensi motor yang lebih tinggi secara langsung berarti jangkauan yang lebih jauh—dengan konfigurasi baterai yang sama, kendaraan yang dilengkapi motor pmsm untuk ev dapat meningkatkan jangkauannya sebesar 10%-15%, sehingga secara efektif mengurangi kekhawatiran jangkauan pengguna.

4.2 Memperkuat Kinerja Tenaga dengan Kepadatan Torsi Tinggi

Karena penghapusan belitan eksitasi rotor dan penerapan magnet permanen tanah jarang berkinerja tinggi, motor PMSM memiliki karakteristik struktur kompak, ukuran kecil, dan bobot ringan. Dengan volume dan berat yang sama, kepadatan torsinya 20%-30% lebih tinggi dibandingkan motor asinkron, sehingga menghasilkan keluaran daya yang lebih kuat.

Untuk kendaraan listrik, hal ini berarti motor dapat diatur lebih fleksibel, sekaligus dapat menghasilkan torsi besar pada kecepatan rendah, mewujudkan akselerasi cepat dan performa pendakian yang kuat, sehingga meningkatkan kenikmatan berkendara.

4.3 Memenuhi Beragam Kebutuhan dengan Rentang Pengaturan Kecepatan yang Luas

Dengan dukungan teknologi kontrol vektor dan teknologi ekspansi kecepatan magnet lemah, motor pmsm untuk ev memiliki rentang pengaturan kecepatan yang luas—kecepatan rendah, torsi besar, dan kecepatan tinggi,d daya konstan dapat dialihkan dengan mulus. Hal ini memungkinkan kendaraan listrik beradaptasi dengan kondisi berkendara yang kompleks: dapat menghasilkan torsi besar secara stabil saat start dan menanjak, serta menjaga efisiensi dan stabilitas tinggi saat melaju dengan kecepatan tinggi. Khusus untuk motor PMSM internal, motor ini memiliki kemampuan ekspansi kecepatan magnet lemah yang sangat baik, yang selanjutnya dapat memperluas jangkauan kerja kecepatan tinggi dan memenuhi persyaratan kecepatan kendaraan listrik yang beragam.

4.4 Memastikan Keselamatan Berkendara dengan Keandalan Tinggi

Motor PMSM mengadopsi struktur tanpa sikat, menghilangkan risiko keausan dan kegagalan sikat dan cincin selip, dan masa pakainya bisa mencapai lebih dari 15 tahun (sesuai dengan masa pakai kendaraan listrik). Pada saat yang sama, karena penyederhanaan struktur, tingkat kegagalan jauh lebih rendah dibandingkan motor tradisional.

Dalam proses desain, dengan mengoptimalkan koefisien busur kutub, lebar slot, dan mengadopsi slot miring serta tindakan lainnya, torsi cogging berkurang, getaran dan kebisingan selama pengoperasian motor diminimalkan, serta kenyamanan dan keselamatan berkendara ditingkatkan. Selain itu, teknologi manajemen termal yang matang dapat secara efektif mencegah demagnetisasi magnet permanen yang disebabkan oleh suhu tinggi, memastikan pengoperasian yang stabil dalam kondisi kerja yang ekstrem.

V. Kasus Penerapan Praktis Motor PMSM pada Kendaraan Listrik

Secara global, motor pmsm untuk ev telah menjadi motor penggerak pilihan bagi produsen mobil arus utama. Misalnya, Tesla Model 3/Y mengadopsi motor sinkron magnet permanen interior, yang mewujudkan keseimbangan antara efisiensi tinggi dan kinerja tinggi—efisiensi motornya mencapai 97% dalam kondisi kerja optimal, dan waktu akselerasi 0-100km/jam hanya 3,3 detik. BYD, produsen mobil dalam negeri, telah secara mandiri mengembangkan motor blade, yang banyak digunakan pada model seperti Han dan Tang.

Ia menggunakan bahan magnet permanen neodymium-iron-boron dan mengoptimalkan desain sirkuit magnetik, dengan kepadatan torsi lebih dari 40N·m/kg dan efisiensi maksimum 98,5%.

Di bidang kendaraan niaga, bus ringan listrik SAIC Maxus dan truk listrik Foton juga dilengkapi dengan motor PMSM khusus, yang dapat beradaptasi dengan kondisi kerja yang sering start-stop dan beban berat, serta konsumsi energi per 100 kilometer 15% -20% lebih rendah dibandingkan kendaraan yang dilengkapi motor asinkron.

Secara internasional, BMW iX3 dan Mercedes-Benz EQC juga menggunakan motor PMSM sebagai komponen penggerak inti, dengan mengandalkan keandalan dan efisiensi yang tinggi untuk meningkatkan daya saing pasar produk.

Dalam hal dukungan industri, perusahaan motor terkemuka seperti Siemens dan ABB juga telah membuat terobosan penting dalam teknologi motor pmsm untuk ev. Siemens mengembangkan motor PMSM enam fase berkekuatan 1095kW pada awal tahun 1986, yang digunakan untuk penggerak kapal, dengan volume yang berkurang hampir 60% dibandingkan dengan motor DC tradisional. Motor PMSM ABB untuk penggerak kapal memiliki kapasitas terpasang maksimum sebesar 38MW, yang meletakkan landasan teknis untuk penerapan motor PMSM dalam skenario daya tinggi.

Di Tiongkok, CRRC Zhuzhou telah mengembangkan generator tenaga angin magnet permanen berkecepatan tinggi 3MW, dan teknologinya telah ditransfer ke bidang EV, sehingga mendorong peningkatan motor PMSM domestik.

VI. Perbandingan Motor PMSM Dengan Motor Penggerak Lainnya

6.1 Perbandingan dengan Motor Induksi Asinkron

Motor induksi asinkron (IM) memiliki keunggulan berupa biaya rendah, struktur sederhana, dan ketahanan yang kuat, dan pernah banyak digunakan pada kendaraan listrik awal. Namun, dibandingkan dengan motor PMSM, kelemahannya jelas: efisiensi beban penuh hanya 90%-93%, dan efisiensi turun secara signifikan pada beban parsial; kepadatan torsi rendah, menghasilkan volume dan berat lebih besar; presisi pengaturan kecepatan dibatasi oleh slip, dan respons dinamisnya lambat.

Untuk kendaraan listrik yang mengejar jangkauan dan performa, motor pmsm untuk ev telah menjadi pilihan yang lebih ideal, sementara motor asinkron hanya dipertahankan pada sejumlah kecil model berbiaya rendah atau kendaraan khusus berdaya tinggi.

6.2 Perbandingan dengan Motor Reluktansi Switched

Switched Reluctance Motors (SRM) memiliki keunggulan struktur sederhana, biaya rendah, dan tidak ada risiko demagnetisasi. Namun, alat ini memiliki kekurangan yang jelas seperti riak torsi yang besar, kebisingan yang tinggi, dan efisiensi yang rendah, yang membatasi penerapannya pada kendaraan penumpang. Motor PMSM memiliki kehalusan yang lebih baik, kebisingan yang lebih rendah, dan efisiensi yang lebih tinggi, yang dapat lebih memenuhi persyaratan kenyamanan kendaraan listrik.

Selain itu, presisi kendali dan respons dinamis motor PMSM jauh lebih unggul dibandingkan SRM, sehingga lebih cocok untuk skenario dengan persyaratan performa berkendara tinggi. Oleh karena itu, SRM hanya digunakan pada sejumlah kecil kendaraan listrik kelas bawah dan peralatan khusus, sementara motor PMSM mendominasi pasar EV mainstream.

VII. Tren Perkembangan dan Tantangan Motor PMSM

7.1 Tren Pembangunan

Pengembangan motor PMSM di masa depan akan fokus pada dua arah: biaya rendah dan performa tinggi. Dari segi biaya rendah, penelitian dan penerapan bahan magnet permanen non-rare earth dan bahan magnet permanen daur ulang akan mengurangi ketergantungan pada neodymium-iron-boron, dan optimalisasi desain serta proses manufaktur akan semakin mengurangi biaya produksi.

Dalam hal performa tinggi, motor pmsm untuk ev akan berkembang menuju kecepatan tinggi, torsi besar, dan kecerdasan—dengan mengadopsi perangkat daya silikon karbida (SiC) dan algoritme kontrol canggih (seperti kontrol mode geser, kontrol adaptif), efisiensi dan kecepatan respons akan lebih ditingkatkan, dan integrasi dengan sistem cerdas yang dipasang di kendaraan akan diwujudkan untuk mewujudkan penyesuaian adaptif sesuai dengan kebiasaan mengemudi.

Selain itu, kombinasi teknologi simulasi dan teknologi desain akan menjadi arah pengembangan utama. Perangkat lunak analisis elemen hingga dapat secara akurat menghitung parameter motor seperti distribusi medan magnet dan torsi cogging, dan metode kombinasi sirkuit medan dapat menyeimbangkan efisiensi dan presisi perhitungan, sehingga memperpendek siklus pengembangan motor PMSM. Pada saat yang sama, motor DC brushless magnet permanen (BLDCM) akan lebih terintegrasi dengan teknologi PMSM, dan strategi pengendalian tingkat lanjut akan diperkenalkan untuk memperluas penerapannya pada peralatan rumah tangga dan kendaraan listrik kecil.

7.2 Tantangan Inti

Meski memiliki keunggulan yang nyata, motor PMSM masih menghadapi banyak tantangan di bidang EV. Pertama, harga bahan magnet permanen tanah jarang mudah berubah, dan rantai pasokan dipengaruhi oleh kebijakan dan faktor lingkungan, sehingga menimbulkan risiko biaya bagi produsen. Kedua, masalah demagnetisasi magnet permanen dalam kondisi ekstrim belum sepenuhnya terselesaikan, sehingga memerlukan optimalisasi lebih lanjut manajemen termal dan desain sirkuit magnetik. Ketiga, sistem kendalinya rumit, dan ambang batas penelitian dan pengembangan untuk kendali tanpa sensor dan teknologi startup berkecepatan rendah tinggi, yang membatasi mempopulerkan usaha kecil dan menengah.

Selain itu, teknologi daur ulang dan penggunaan kembali bahan magnet permanen belum matang, yang membawa tekanan lingkungan pada pembuangan motor PMSM yang sudah habis masa pakainya. Menyeimbangkan kinerja, biaya, perlindungan lingkungan, dan keandalan telah menjadi isu utama dalam pengembangan motor PMSM yang berkelanjutan.

VIII. Kesimpulan dan Prospek

Dengan keunggulan efisiensi tinggi, kepadatan torsi tinggi, rentang pengaturan kecepatan yang luas, dan keandalan yang tinggi, motor PMSM telah menjadi pilihan ideal untuk pengendaraan kendaraan listrik yang efisien, dan selanjutnya akan menempati posisi utama di pasar motor penggerak EV dengan peningkatan teknologi material tanah jarang dan teknologi kontrol. Bagi produsen kendaraan listrik, mengoptimalkan desain motor PMSM untuk ev, mengurangi biaya dan meningkatkan keandalan akan menjadi daya saing inti untuk merebut pasar; bagi konsumen, kendaraan yang dilengkapi motor PMSM dapat menghadirkan pengalaman berkendara yang lebih baik dan biaya penggunaan yang lebih rendah.

Menantikan masa depan, dengan terobosan bahan magnet permanen non-rare earth, teknologi kontrol cerdas, dan teknologi daur ulang, hambatan teknis pada motor PMSM akan diatasi secara bertahap, dan bidang penerapannya akan semakin diperluas—mulai dari mobil penumpang dan kendaraan komersial hingga kapal energi baru, ruang angkasa, dan bidang teknologi canggih lainnya. Sebagai komponen inti kendaraan energi baru, motor PMSM akan terus mendorong transformasi dan peningkatan industri otomotif global, berkontribusi pada realisasi tujuan netralitas karbon.