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Após o ano de 1930, com o desenvolvimento do AlniCo, um ímã resultante da adição de alumínio, níquel e cobalto em solução de ferro, reavivou o interesse pelo uso de ímãs permanentes em motores elétricos, já que estes ímãs tinham propriedades magnéticas melhores que os ímãs naturais (magnetitas).

Em 1940, com o aperfeiçoamento desse ímã e suas propriedades, a utilização em motores elétricos, em aplicações especiais, se tornou viável.

Em 1950, conseguiu-se obter ímãs de Ferrite que possui força coercitiva alta e de custos baixos, começou-se a utilizá-lo em motores de corrente contínua.
Apenas em 1970, foi obtido a liga SmCo , que possui força coercitiva e densidade de energia altas, e com isso deu um grande impulso no uso de ímãs permanentes em motores elétricos de potências significativas, tanto de máquinas de corrente contínua quanto máquinas de corrente alternada.

Em meados dos anos 1980, com o surgimento do Nd-Fe-B, uma liga mais abundante, mais barata e com densidade de energia maior do que dos ímãs de SmCo, conseguiu-se estabelecer o uso industrial de motores e geradores de ímãs permanentes.
(BIN, E. Máquinas Elétricas e Acionamento 3. ed,. p.417)

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Geralmente,  máquinas síncronas de ímãs permanentes de grande potência são trifásicas, podendo ainda, dependendo da aplicação ou do nível de potência, terem uma armadura com número de fases maior do que três e, neste caso, são conhecidas por máquinas multifásicas.
Comparadas com as máquinas síncronas convencionais, elas são mais eficientes e apresentam uma relação de potência por volume de material maior. Os ímãs são colados sobre a superfície do rotor cilíndrico ou inseridos no interior do núcleo do rotor.
O rotor é constituído de aço e seus pólos podem ser:
Lisos: enrolamentos distribuídos eletricamente em ranhuras, assim como no estator, de forma que se pode considerar o entreferro constante.
Salientes: enrolamentos concentrados que, para acomodar as diversas peças polares, necessitam de rotores com grandes diâmetros em relação ao comprimento axial.
O estator constitui a parte fixa da máquina. É tipicamente construído de aço laminado de forma a reduzir perdas, e possui diversas ranhuras onde são colocados os enrolamentos de armadura.
Nas aplicações que envolvem potência, o enrolamento do estator e a geometria das lâminas utilizadas no núcleo são semelhantes àqueles usados nas máquinas de corrente alternada, sejam de indução ou síncrona de polos eletromagnéticos.
As máquinas síncronas de ímãs permanentes de polos lisos são construídas com comprimentos de entreferro maiores que aqueles da máquina síncrona com enrolamento de campo, para evitar a desmagnetização excessiva do ímã à plena carga. Consequentemente, a indutância síncrona torna-se menor que aquela verificada nas máquinas com excitação convencional.
Os ímãs de terras-raras, especialmente as ligas de samário-cobalto (SaCo) e neodímio-ferro-boro (NdFeB), têm sido os preferidos nos motores de alto desempenho ou em motores que precisam ser compactos e leves.

(BIN, E. Máquinas Elétricas e Acionamento 3. ed,. p.421)

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Os ímãs permanentes são materiais magnéticos caracterizados pela alta indução residual e por valores altos de campo coercivo.
Para analisar as propriedades magnéticas do imã um dos parâmetros utilizados é o de indução residual (Br), que é o valor da indução resultante quando o campo magnético aplicado H é igual a zero, em outras palavras, é a quantidade de indução que um ímã é capaz de fornecer mesmo quando envolto por um material de permeabilidade infinita. Mas na pratica, utiliza-se valores entre 70 e 95% de Br, pois a queda da força magnetomotriz no entreferro atua como desmagnetizante sobre o ímã. Além disso, existe a força desmagnetizante gerada pelas correntes de fase, fazendo com que o ponto de operação do ímã altere de acordo com a carga do motor.
A curva de magnetização dos ímãs costuma ser reta, mas podem aparecer joelhos devido à variação de temperatura. Em ímãs de terras raras, os joelhos aparecem sob a ação de altas temperaturas, enquanto no ímã de ferrite, os joelhos aparecem sob ação da baixa temperatura.
Os outros parâmetros utilizados são campo coercivo intrínseco e máximo produto de energia BH. O primeiro mede a intensidade do campo que deve ser aplicado ao material para que a polarização intrínseca seja zero, que é onde a magnetização se anula, e o segundo é a máxima quantidade de energia que pode ser obtida de um ímã para realizar trabalho.

(Caetano, 2013, p.11)

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Para compreender o acionamento destes motores, é interessante inicialmente descobrir o modelo deles.

Utilizando o modelo provido por ... podemos chegar ao modelo equivalente...

O acionamento de um PMSM pode ser compreendido através de 4 componentes principais. O motor, o inversor, o controlador principal e o sensoriamento.

Uma representação mais aproximada do bloco do inversor e sua conexão com o PMSM. O inversor é responsável por transformar a tensão DC da fonte para a tensão AC na forma de onda adequada. O chaveamento realizado pelo inversor pode ser feito através de: tiristores, tbjs, mosfets, igbts, e GTOs. Os mais utilizados são os mosfets e igbts, funcionando entre baixo e média potência.

Já o controle do chaveamento pode ser feito de duas diferentes formas, o controle escalar e o controle vetorial.

No controle escalar é um controle de loop aberto, onde não há o sensoriamento dos estados do sensor. Esse tipo de controle troca o funcionamento para um grande range de aplicações por uma redução da resposta dinâmica.

Já o controle vetorial é um controle em loop fechado, que usa do sensoriamento dos estados para a realização do controle. Existem dois tipos diferentes, o de controle direto do torque e o de controle por orientação do campo.

O Controle por Orientação do Campo (FOC - Field Orientation Control) é uma maneira de facilitar o controle do PMSM ao faze-lo se assemelhar ao controle de um motor DC com excitação independente. Isso é obtido ao se realizar transformações com relação a referência utilizada de forma a desacoplar o torque e o fluxo da corrente de estator. Isso significa que a corrente de armadura é responsável pelo torque e a corrente de excitação se torna responsável pelo fluxo. Para o FOC é necessário conhecer a posição do rotor.

Para maior parte dos tipos de controle, é necessário que haja um sensoriamento dos estados do sistema. Com isso, é necessário a medição da corrente e tensão sobre o motor, assim como a medição da posição atual do rotor. A medição da posição do rotor é normalmente feita com encoders ou resolvers, utilizando, por exemplo, sensores de efeito hall.

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As máquinas com ímãs montados na superfície do rotor são usadas em aplicações de baixa velocidade e as máquinas com ímãs montados no interior do rotor possuem o rotor mais robusto e por isso podem ser usadas em aplicações de alta velocidade (acima de 3.000 rpm).  Os motores síncronos de ímãs permanentes têm sido utilizados em aplicações de alta potência, como acionamento de compressores, tração elétrica de trens e carros de metrôs e mais recentemente na propulsão de navios.

(Souza, 2016, p.22)

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As máquinas síncronas de ímãs permanentes podem ser encontradas com duas formas de ondas, onda senoidal e onda trapezoidal.
Na máquina com FEM senoidal, os enrolamentos do estator são distribuídos. A configuração do rotor é projetada de forma que o fluxo dos imas estabeleça uma densidade de fluxo muito próxima do formato senoidal. Seu princípio de funcionamento é baseado na excitação simultânea das fases para obtenção do campo girante.

Na máquina com FEM trapezoidal os imas são na forma de arco e cobrem 180º ou 120º elétricos do entreferro, sendo fixados sobre a superfície do rotor. Idealmente, a distribuição da densidade de fluxo seria retangular, mas na prática a distribuição será trapezoidal devido ao efeito de espraiamento do fluxo que ocorre nas extremidades dos imas. Ao contrário das máquinas tradicionais onde a fmm se desloca de forma contínua, nas máquinas trapezoidais o deslocamento ocorre em intervalos de 60 graus elétricos do rotor.

(Caetano, 2013, p.8)

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Vantagens e Desvantagens da Máquina Síncrona de Ímãs Permanentes

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Vantagens e Desvantagens da Máquina Síncrona de Ímãs Permanentes

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Vantagens:  possui maior eficiência, maior densidade de energia, e menor ruído em relação aos outros tipos de motores de corrente alternada.

Desvantagens:
não permite o controle do fluxo dos ímãs, não permite a regulação do fator de potência, apresenta risco de desmagnetização e possui um custo maior do que outras máquinas de corrente alternada.

(Souza, 2016, p.4)

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Edson Bin, 3°Edição Máquinas de ímãs permanentes

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Edson Bin, 3°Edição Máquinas de ímãs permanentes

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Vídeo 1 de Máquinas síncronas de ímãs permanentes 

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Vídeo 1 de Máquinas síncronas de ímãs permanentes 

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CO2: Aula 2020-05-21 Máquina síncrona de ímãs permanentes (Parte 01)

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Fitzgerald, 7ª edição, 5.8 - Motores CA de Imãs Permanentes

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Máquinas elétricas de Fitzgerald e Kingsley - 7ª Edição - Imã Permanente

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UMANS, S.  Máquinas elétricas de Fitzgerald e Kingsley: 7. ed.

BIN, E. Máquinas Elétricas e Acionamentos: 3. ed.

CAETANO, Rafael. Análise de uma Máquina Síncrona de Imã Permanente com Tensão não senoidal. 2013. 76f. TCC – Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rijo de Janeiro, 2013.

OLIVEIRA, João Paulo. Geradores Síncronos a Imãs Permanentes Aplicados a Aerogeradores: Modelagem, Obtenção de Parâmetros e Validação Laboratorial. 2018. 203f. Dissertação de Mestrado – Universidade de Brasília, Brasília, 2018.

SOUZA, Samuel. Acionamento de Motor Síncrono de Imãs Permanentes Pentafásico com Controle Tolerante a Falta de Fase. 2016. 187f. Dissertação de Doutorado – Universidade de Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2016.

Vídeo 1 de Máquinas síncronas de ímãs permanentes

Vídeo 2 de Máquinas síncronas de ímãs permanentes

Permanent Magnet Synchronous Motor por Microchip, Link: https://www.microchip.com/design-centers/motor-control-and-drive/motor-types/permanent-magnet-synchronous-motor

Adhavan Balashanmugham and Mockaisamy Maheswaran, Permanent-Magnet Synchronous

Machine Drives. Setembro, 2019.

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Vídeo 2 de Máquinas síncronas de ímãs permanentes 

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Vídeo 2 de Máquinas síncronas de ímãs permanentes 

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CO2: Aula 2020-05-21 Máquinas Síncronas de Ímãs Permanentes (Parte 02)