O que alimenta o seu veículo elétrico? Desde motores assíncronos CA a motores síncronos de ímanes permanentes e até motores de relutância comutada, cada tipo oferece vantagens e desvantagens únicas. Este artigo explora as estruturas, os princípios e as aplicações destes tipos de motores chave, ajudando-o a compreender o impacto que têm no desempenho e na eficiência dos veículos eléctricos. Mergulhe e descubra qual o motor que pode estar a conduzir a sua próxima viagem!
Com base nos requisitos fundamentais de desempenho do motor de acionamento para veículos movidos a novas energias, os tipos de motores de acionamento habitualmente utilizados dividem-se em três categorias principais: motores assíncronos de corrente alternada, motores síncronos de ímanes permanentes e motores de relutância comutada.
Atualmente, cada modelo de automóvel equipado por várias empresas automóveis utiliza diferentes tipos de motores de acionamento.
Por conseguinte, para escolher o tipo de motor para um veículo de energia nova, é importante compreender a estrutura, o princípio de funcionamento e as vantagens e desvantagens do motor de acionamento.
O motor assíncrono de corrente alternada, também conhecido como motor de indução, é constituído principalmente por um estator, rotor, veio do motor, rolamentos dianteiros e traseiros, tampa da extremidade, sensor de posição, sensor de temperatura, cablagem de baixa tensão e cablagem de alta tensão.
O estator é constituído pelo núcleo de ferro do estator e pelo enrolamento trifásico; o rotor utiliza frequentemente um rotor em gaiola de esquilo, que inclui o núcleo de ferro do rotor e o enrolamento em gaiola de esquilo.
Consoante a potência do motor, pode optar-se entre os métodos de arrefecimento a água ou a ar. (Figura 1)
1- Tampa da extremidade dianteira
2- Rolamento dianteiro
3- Caixa do motor
4- Rotor gaiola de esquilo
5- Eixo do motor
6- Estator
7- Rolamento traseiro
8- Tampa da extremidade traseira
9- Sensor de posição
10- Tampa de manutenção do sensor
(1) Princípio de funcionamento do acionamento por motor assíncrono CA
1) O estator fornece um campo magnético rotativo. Para fornecer binário, o motor assíncrono CA precisa de passar energia CA trifásica através da bobina do estator, criando um campo magnético em rotação contínua (com uma velocidade de rotação do campo magnético de ns).
O motor assíncrono de corrente alternada requer que os enrolamentos trifásicos do estator sejam simétricos e que o núcleo de ferro do estator esteja espaçado 120 graus eléctricos. A corrente que passa através do enrolamento trifásico simétrico também deve ser simétrica, com o mesmo tamanho, frequência e diferença de fase de 120 graus. A velocidade de rotação do campo magnético rotativo é dada pela equação (1).
ns=60f/p (1)
Nesta equação, ns é a velocidade de rotação do campo magnético rotativo (também conhecida como velocidade síncrona), r/min; f é a frequência da corrente alternada trifásica, Hz; p é o número de pares de pólos.
Para um motor de acionamento que tenha sido concebido e colocado em produção, o número de pares de pólos é fixo, pelo que o fator que determina a velocidade de rotação do campo magnético é a frequência da corrente trifásica CA. Como a frequência da rede eléctrica no nosso país é f=50Hz, existe uma relação linear entre a velocidade do motor e o número de pares de pólos. (Figura 2)
2) O rotor em gaiola de esquilo fornece correntes de Foucault induzidas. Uma vez que o estator fornece um campo magnético rotativo, é induzida uma corrente de Foucault no condutor do rotor em gaiola de esquilo, como se mostra na Figura 3.
Na área magnética entre os condutores c e b do enrolamento em gaiola de esquilo, existem linhas de força magnética para fora, e estas linhas de força magnética são reforçadas sob a ação do campo magnético rotativo.
Por conseguinte, será induzida uma corrente de Foucault i1 nos condutores c, b; do mesmo modo, o enfraquecimento das linhas de força magnéticas na área entre o condutor a e o condutor b induzirá uma corrente de Foucault i2 no condutor.
A corrente no condutor b, sob a ação do campo magnético rotativo do estator, fará com que o condutor b do enrolamento em gaiola de esquilo seja sujeito a uma força electromagnética, fazendo com que o rotor gere um binário eletromagnético e comece a rodar. O rotor em rotação alcança gradualmente o campo magnético em rotação, rodando a uma velocidade n ligeiramente inferior à "velocidade síncrona ns" do campo magnético.
Este fenómeno, em que a velocidade de rotação do rotor n é ligeiramente inferior à velocidade do campo magnético do estator ns, é designado por deslizamento do rotor. Este deslizamento assíncrono permite que o condutor do rotor em gaiola de esquilo corte continuamente as linhas de força magnéticas, produzindo correntes de Foucault induzidas.
Consequentemente, no rotor, a energia eléctrica é convertida em energia mecânica, garantindo uma saída externa contínua.
(2) O Princípio da Geração de Potência em Motores Assíncronos CA
De acordo com a Lei de Faraday da Indução Electromagnética, quando uma secção do condutor de um circuito fechado atravessa as linhas do campo magnético em movimento, é gerada uma corrente induzida no interior do condutor, sendo a força eletromotriz gerada conhecida como força eletromotriz induzida.
Num motor assíncrono de corrente alternada, quando o motor é utilizado como gerador, o estator é energizado com uma corrente trifásica para fornecer o campo magnético e o enrolamento do rotor fornece o condutor.
Quando uma força mecânica externa, como o veio de transmissão de um automóvel, acciona o veio do rotor, fazendo com que este se mova, se a velocidade do rotor for superior à velocidade síncrona do campo magnético rotativo do estator, o motor assíncrono de corrente alternada funciona como um gerador.
A direção do rotor que corta o campo magnético rotativo é oposta à de quando funciona como motor de acionamento, pelo que a direção da força eletromotriz induzida pelo rotor também é invertida.
Durante o processo de produção de energia, o rotor do motor sofre um binário eletromagnético que é oposto à força de arrastamento externa, fazendo com que a velocidade do rotor diminua.
Os motores assíncronos de corrente alternada destacam-se por fornecerem um binário de saída ajustável numa vasta gama, capaz de aumentar forçosamente o binário de saída em curtos períodos durante a aceleração ou a subida. Os veículos eléctricos accionados por motores síncronos de ímanes permanentes utilizam frequentemente mecanismos de caixa de velocidades adicionais para aumentar o binário e aumentar a velocidade.
No entanto, os motores assíncronos de corrente alternada apresentam vários inconvenientes. Devido à excitação unilateral, requerem correntes de arranque mais elevadas e mais corrente por unidade de binário produzido. O estator aloja correntes de excitação reactivas, o que resulta num maior consumo de energia do que os motores síncronos de ímanes permanentes, com um fator de potência inferior.
As condições de sobrecarga ocorrem frequentemente em accionamentos pesados. A sua estrutura relativamente complexa exige uma elevada especialização em tecnologia de controlo, o que torna o seu fabrico mais dispendioso, e têm uma densidade de potência comparativamente mais baixa.
Atualmente, os motores assíncronos de corrente alternada são normalmente utilizados como motores de tração em veículos eléctricos desenvolvidos nos Estados Unidos.
A estrutura de um motor síncrono de ímanes permanentes inclui um estator, rotor, eixo do motor, rolamentos dianteiros e traseiros, tampa da extremidade, canal de água de arrefecimento, sensor de posição, sensor de temperatura, cablagem de baixa tensão e cablagem de alimentação.
O estator é formado pelo núcleo de ferro do estator e pelos enrolamentos trifásicos; o rotor é constituído por pólos de ímanes permanentes e um núcleo de ferro, sendo o núcleo de ferro constituído por chapas de aço silício.
A disposição dos ímanes permanentes no rotor inclui principalmente rotores de ímanes permanentes montados à superfície, embutidos à superfície e interiores, sendo os rotores de ímanes permanentes interiores normalmente utilizados em motores para novas energias. (Figura 4)
1- Tampa da extremidade dianteira
2- Rolamento da extremidade dianteira
3- Caixa do motor
4- Estator
5- Eixo do motor
6- Rotor de ímanes permanentes integrado
7- Rolamento da extremidade traseira
8- Tampa da extremidade traseira (sensor de posição incorporado)
(1) Princípio de acionamento do motor síncrono de ímanes permanentes
O campo magnético rotativo é fornecido pelo estator, produzido da mesma forma e à mesma velocidade que um motor assíncrono de corrente alternada. Os pólos magnéticos são fornecidos pelos ímanes permanentes do rotor.
Assim, o campo magnético rotativo gerado pelo estator forma um circuito com os pólos magnéticos permanentes e o núcleo de ferro do rotor. De acordo com o princípio da mínima relutância magnética, ou seja, o fluxo magnético fecha-se sempre ao longo do caminho de menor resistência magnética, o rotor é levado a rodar pela força electromagnética do campo rotativo.
Consequentemente, o rotor de ímanes permanentes roda sincronizadamente com o campo magnético rotativo gerado pelo estator, conduzindo assim a rotação do veio do motor.
(2) Princípio de produção de energia do motor síncrono de ímanes permanentes
De acordo com a lei de Faraday da indução electromagnética, uma parte do condutor do circuito fechado é fornecida pelos enrolamentos trifásicos do estator, sendo o campo magnético fornecido pelos ímanes permanentes do rotor.
Quando o binário externo faz rodar o rotor, este gera um campo magnético rotativo que atravessa parte dos condutores dos enrolamentos trifásicos do estator e induz uma corrente trifásica simétrica.
Neste ponto, a energia cinética do rotor é convertida em energia eléctrica, e o Motor Síncrono de Ímanes Permanentes funciona como um gerador.
As vantagens de um motor síncrono de ímanes permanentes incluem o seu tamanho pequeno, peso leve, elevada densidade de potência, menor consumo de energia, menor aumento de temperatura e maior eficiência em comparação com os motores assíncronos.
Pode ser concebido como um motor estruturado de elevado binário de arranque e elevada capacidade de sobrecarga com base nos requisitos.
O motor síncrono de ímanes permanentes sincroniza-se rigorosamente e tem um bom desempenho de resposta dinâmica, adequado para o controlo de frequência; o binário e a velocidade do motor podem ser ajustados numa vasta gama, alterando a corrente e a frequência.
No entanto, o material magnético permanente utilizado nos motores síncronos de ímanes permanentes é geralmente um material magnético forte de neodímio, ferro e boro, que é relativamente frágil e pode fraturar sob vibração intensa.
Além disso, a utilização de material magnético permanente no rotor pode levar a uma degradação magnética no funcionamento do motor e a situações de sobreaquecimento, resultando numa diminuição da potência.
Atualmente, os motores síncronos de ímanes permanentes são amplamente utilizados em motores de veículos de energia nova, com os mercados de energia nova na Ásia e na Europa a utilizarem principalmente motores síncronos de ímanes permanentes como motores de energia nova.
O Motor de relutância comutada (SRM) é um motor mecatrónico típico, também conhecido como "Sistema de acionamento de relutância comutada". O motor inclui essencialmente quatro componentes: o próprio SRM, um conversor de potência, sensores de posição do rotor e um controlador, como se mostra na Figura 5.
A estrutura principal do MRE inclui o estator, o rotor, os sensores de posição, os rolamentos dianteiros e traseiros, as tampas das extremidades dianteira e traseira e a caixa do motor, conforme ilustrado na figura 6. O estator inclui o núcleo do estator e os enrolamentos.
1- Tampa da extremidade dianteira
2- Rolamento da extremidade dianteira
3- Rotor
4- Eixo do motor
5- Estator
6- Caixa do motor
7- Rolamento da extremidade traseira
8- Tampa da extremidade traseira
9- Sensor de posição
10- Tampa de manutenção do sensor
11- Ventoinha de arrefecimento
12- Tampa da extremidade do ventilador
Tanto o núcleo do estator como o rotor utilizam estruturas de pólos salientes e são constituídos por chapas laminadas de aço silício. Os pólos salientes do estator estão equipados com enrolamentos, enquanto o rotor não tem enrolamentos nem ímanes permanentes.
A estrutura trifásica de 6/4 pólos indica que o estator do motor tem seis pólos salientes e o rotor tem quatro pólos salientes. Os enrolamentos concentrados em dois pólos salientes simétricos do estator são ligados em série para formar uma fase, e o número de fases é igual ao número de pólos salientes do estator dividido por dois, como se mostra na Figura 7(a).
A estrutura trifásica de 12/8 pólos indica que o estator do motor tem doze pólos salientes e o rotor tem oito pólos salientes. Os enrolamentos em quatro pólos salientes simétricos do estator são ligados em série para formar uma fase, e o número de fases é igual ao número de pólos salientes do estator dividido por quatro, como se mostra na Figura 7(b).
Quanto maior for o número de fases de um motor de relutância comutado, menor será o ângulo de passo, mais suave será o funcionamento e mais favorável será a redução da ondulação do binário. No entanto, o controlo torna-se mais complexo, o que leva a um aumento do número de dispositivos de comutação principais e dos custos.
O cálculo do ângulo de passo é apresentado na equação (2):
α = 360° × (Número de pólos do estator - Número de pólos do rotor) / (Número de pólos do estator)
Por exemplo, para um motor trifásico de 6/4 pólos, o ângulo de passo α = 360° × 2/(6×4) = 30°.
(1) Princípio de funcionamento do motor de relutância comutada
Como mostra o diagrama do princípio de funcionamento do SRM trifásico de 12/8 pólos na Figura 8, quando a corrente do enrolamento da fase A controla o interrutor principal S1, S2 para fechar, a fase A é energizada e magnetizada.
A força do campo magnético gerado no motor forma um campo magnético radial com OA como eixo. As linhas de força magnética deste campo são dobradas quando passam pelo espaço de ar entre os pólos salientes do estator e os pólos salientes do rotor.
Neste momento, a relutância magnética do circuito magnético é maior do que quando o pólo saliente do estator e o pólo saliente do rotor coincidem. Por isso, o pólo saliente do rotor sofre a ação da tração magnética, que alinha o eixo do pólo do rotor Oa com o eixo do pólo do estator OA.
Isto gera um binário eletromagnético de relutância magnética, fazendo com que o rotor comece a rodar no sentido contrário ao dos ponteiros do relógio. Quando a corrente da fase A é desligada e a fonte de alimentação da fase B é estabelecida, o campo magnético no interior do motor roda 30 graus.
O rotor roda então mais 15 graus no sentido contrário ao dos ponteiros do relógio sob a ação da tração electromagnética. Se a energia for fornecida sequencialmente aos enrolamentos das fases A-B-C-A, o rotor rodará continuamente no sentido contrário ao dos ponteiros do relógio.
Quando os enrolamentos do estator em cada fase são energizados alternadamente, o campo magnético do estator roda 3×30 graus e o rotor roda um passo de pólo do rotor de 3×15 graus (ou seja, 360 graus / número de pólos salientes do rotor).
Se a energia for fornecida sequencialmente aos enrolamentos das fases A-C-B-A, o rotor rodará no sentido dos ponteiros do relógio. O sentido de rotação do motor de relutância comutado não está relacionado com o sentido da corrente, mas é determinado pela sequência de ligação dos enrolamentos de fase do estator.
No funcionamento efetivo de motores multifásicos, também é comum que dois ou mais enrolamentos de fase sejam energizados simultaneamente.
(2) Princípio de funcionamento de um gerador de relutância comutado
O estado de funcionamento de um gerador de relutância comutado envolve três condições: o estado de excitação, o estado de continuação e o estado de geração de energia, como demonstrado pela forma de onda da indutância de fase L na Figura 10.
Na Figura 9, o ângulo θ é definido como o ângulo entre o eixo do pólo do dente do rotor e o eixo da ranhura do dente do estator. Quando o eixo do pólo do dente do rotor se alinha com o eixo da ranhura do dente do estator correspondente, a indutância de fase está no seu mínimo (definido como θ=0°). A indutância de fase do enrolamento permanece constante em Lmin até que o bordo de ataque do pólo do rotor encontre o bordo de fuga do pólo do estator (θ=θ1).
À medida que o rotor continua a rodar e o pólo do rotor começa a sobrepor-se ao pólo do estator, até que o bordo de fuga do pólo do rotor e o bordo de fuga do pólo do estator se alinhem completamente (neste momento, θ=θ2), a indutância de fase do enrolamento aumenta linearmente nesta região, atingindo um máximo de Lmax.
Quando o rotor continua a rodar de modo a que o bordo de ataque do pólo do rotor se alinhe com o bordo de ataque do pólo do estator (neste momento, θ=θ4), a indutância de fase permanece em Lmax.
De acordo com a teoria básica do campo eletromagnético, a existência de um campo magnético é acompanhada pelo binário eletromagnético do rotor do motor, que pode ser representado pela equação (3).
Se os enrolamentos do motor de relutância comutado forem ligados e desligados entre θ3 e θ4, o motor funciona como um gerador. Neste momento, forma-se uma corrente na região de indutância decrescente, logo dL/dθ<0.
Se a corrente passar pelos enrolamentos de fase neste momento, é gerado um binário de travagem (T(θ, i)<0). Se uma força mecânica externa mantiver a rotação do motor, o motor absorve energia mecânica e converte-a em energia eléctrica, indicando que o motor de relutância comutado está a funcionar em modo gerador.
As vantagens dos motores de relutância comutada são a sua estrutura simples e fiável, o bom desempenho no arranque, a elevada eficiência e o baixo custo. Oferecem uma vasta gama de capacidades de controlo da velocidade através da variação da condução, dos ângulos de corte e da tensão. No entanto, as desvantagens incluem uma ondulação de binário substancial e um ruído elevado.
Atualmente, são utilizados em alguns pequenos veículos eléctricos, tais como scooters eléctricas de quatro rodas e carros-patrulha.
Dadas as diferentes características de desempenho exigidas pelos motores de propulsão dos veículos de energia nova, o tipo de motor de acionamento selecionado varia consoante os diferentes modelos no mercado.
Este artigo descreve a estrutura e os princípios de funcionamento dos motores de acionamento de novas energias normalmente utilizados, como os motores assíncronos de corrente alternada, os motores síncronos de ímanes permanentes e os motores de relutância comutada. Esta informação ajudará a compreender melhor estes motores de acionamento.
Além disso, a estrutura e os princípios de cada tipo de motor diferem, conduzindo a uma vasta gama de aplicações. De acordo com o planeamento estratégico industrial nacional, a investigação centrada nos sistemas de acionamento elétrico de veículos de energia nova amigos do ambiente continuará a expandir-se. Consequentemente, a variedade e o nível tecnológico dos motores também continuarão a progredir.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
PT 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
ID 
IT 
JA 
NL 
PT_BR 
RU 
KO 
TR