Com base nos requisitos fundamentais de desempenho do motor de acionamento para veículos de novas energias, os tipos de motores de acionamento comumente usados são divididos em três categorias principais: motores assíncronos CA, motores síncronos de ímã permanente e motores de relutância comutada.
Atualmente, cada modelo de carro equipado por diversas montadoras utiliza diferentes tipos de motores de acionamento.
Portanto, para escolher o tipo de motor para um veículo de nova energia, é importante compreender a estrutura, o princípio de funcionamento e as vantagens e desvantagens do motor de acionamento.
I. Motor Assíncrono AC
1. Estrutura do Motor Assíncrono AC
O motor assíncrono CA, também conhecido como motor de indução, consiste principalmente em um estator, rotor, eixo do motor, rolamentos dianteiro e traseiro, tampa final, sensor de posição, sensor de temperatura, chicote de fiação de baixa tensão e chicote de fiação de energia de alta tensão.
O estator consiste no núcleo de ferro do estator e no enrolamento trifásico; o rotor geralmente usa um rotor de gaiola de esquilo, que inclui o núcleo de ferro do rotor e o enrolamento de gaiola de esquilo.
Dependendo da potência do motor, é feita a escolha entre métodos de resfriamento a água ou a ar. (Figura 1)
1- Tampa Frontal
2- Rolamento Dianteiro
3- Carcaça do Motor
4- Rotor de gaiola de esquilo
5- Eixo do motor
6- Estator
7- Rolamento Traseiro
8- Tampa traseira
9- Sensor de posição
10- Tampa de Manutenção do Sensor
2. Princípio de funcionamento do motor assíncrono CA
(1) Princípio de funcionamento do acionamento de motor assíncrono CA
1) O estator fornece um campo magnético rotativo. Para fornecer torque, o motor CA assíncrono precisa passar energia CA trifásica através da bobina do estator, criando um campo magnético de rotação contínua (com uma velocidade de rotação do campo magnético de ns).
O motor assíncrono CA exige que os enrolamentos trifásicos do estator sejam simétricos e que o núcleo de ferro do estator esteja espaçado de 120 graus elétricos. A corrente que passa pelo enrolamento simétrico trifásico 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 alimentação CA trifásica, Hz; p é o número de pares de pólos.
Para um motor de acionamento que foi projetado e colocado em produção, o número de pares de pólos é fixo, portanto o fator que determina a velocidade de rotação do campo magnético é a frequência da alimentação CA trifásica. Como a frequência da rede elétrica em 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 de gaiola de esquilo fornece correntes parasitas induzidas. À medida que o estator fornece um campo magnético rotativo, uma corrente parasita é induzida no condutor do rotor em gaiola de esquilo, conforme mostrado na Figura 3.
Na área magnética entre os condutores c e b do enrolamento em gaiola de esquilo, existem linhas de força magnéticas externas, e essas linhas de força magnética são aumentadas sob a ação do campo magnético rotativo.
Portanto, uma corrente parasita i1 será induzida nos condutores c, b; da mesma forma, o enfraquecimento das linhas de força magnética na área entre o condutor a e o condutor b induzirá uma corrente parasita i2 no condutor.
A corrente no condutor b, sob a ação do campo magnético giratório do estator, fará com que o condutor b do enrolamento em gaiola de esquilo fique sujeito à força eletromagnética, fazendo com que o rotor gere um torque eletromagnético e comece a girar. O rotor giratório alcança gradualmente o campo magnético giratório, girando a uma velocidade n ligeiramente mais lenta que a “velocidade síncrona ns” do campo magnético.
Este fenômeno, onde a velocidade de rotação do rotor n é ligeiramente mais lenta que a velocidade do campo magnético do estator ns, é chamado de escorregamento do rotor. Este deslizamento assíncrono permite que o condutor do rotor em gaiola de esquilo corte continuamente as linhas de força magnética, produzindo correntes parasitas induzidas.
Consequentemente, no rotor, a energia elétrica é convertida em energia mecânica, garantindo uma saída externa contínua.
(2) O Princípio de Geração de Energia em Motores Assíncronos CA
De acordo com a Lei da Indução Eletromagnética de Faraday, quando uma seção do condutor de circuito fechado corta as linhas do campo magnético em movimento, uma corrente induzida é gerada dentro do condutor, com a força eletromotriz gerada conhecida como força eletromotriz induzida.
Em um motor assíncrono CA, quando o motor é usado 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 eixo de transmissão de um carro, aciona o eixo do rotor, fazendo com que o rotor se mova, se a velocidade do rotor for superior à velocidade síncrona do campo magnético rotativo do estator, o motor assíncrono CA atua então como um gerador.
O sentido do rotor que corta o campo magnético rotativo é oposto ao de quando funciona como motor de acionamento, portanto o sentido da força eletromotriz induzida pelo rotor também é invertido.
Durante o processo de geração de energia, o rotor do motor sofre um torque eletromagnético oposto à força de arrasto externa, fazendo com que a velocidade do rotor diminua.
3. Vantagens, desvantagens e aplicações de motores assíncronos CA
Os motores assíncronos CA se destacam por fornecer torque de saída ajustável em uma ampla faixa, capazes de aumentar forçosamente o torque de saída em curtos períodos durante aceleração ou subida. Os veículos elétricos movidos por motores síncronos de ímã permanente geralmente empregam mecanismos de caixa de velocidades adicionais para aumentar o torque e aumentar a velocidade.
No entanto, os motores assíncronos CA apresentam várias desvantagens. Devido à excitação unilateral, requerem correntes de partida maiores e mais corrente por unidade de torque produzido. O estator abriga correntes de excitação reativas, resultando em maior consumo de energia do que motores síncronos de ímã permanente, com fator de potência atrasado.
As condições de sobrecarga ocorrem frequentemente durante unidades de serviço pesado. Sua estrutura relativamente complexa exige alto conhecimento tecnológico de controle, tornando-os mais caros de fabricar, e possuem densidade de potência comparativamente menor.
Atualmente, os motores assíncronos CA são comumente usados como motores de acionamento em veículos elétricos desenvolvidos nos Estados Unidos.
II. Motor síncrono de ímã permanente
1. Estrutura do motor síncrono de ímã permanente
A estrutura de um Motor Síncrono de Ímã Permanente compreende um estator, rotor, eixo do motor, rolamentos dianteiro e traseiro, tampa, canal de água de resfriamento, sensor de posição, sensor de temperatura, chicote de baixa tensão e chicote de alimentação.
O estator é formado pelo núcleo de ferro do estator e enrolamentos trifásicos; o rotor consiste em pólos magnéticos permanentes e um núcleo de ferro, sendo o núcleo de ferro feito de chapas de aço silício empilhadas.
O arranjo dos ímãs permanentes no rotor inclui principalmente rotores de ímã permanente montados na superfície, embutidos na superfície e internos, com rotores de ímã permanente internos comumente usados em motores de nova energia. (Figura 4)
1- Tampa Frontal
2- Rolamento Frontal
3- Carcaça do Motor
4- Estator
5- Eixo do motor
6- Rotor de ímã permanente integrado
7- Rolamento da extremidade traseira
8- Tampa Traseira (Sensor de Posição Incorporado)
2. Princípio de funcionamento do motor síncrono de ímã permanente
(1) Princípio de condução do motor síncrono de ímã permanente
O campo magnético rotativo é fornecido pelo estator, produzido da mesma forma e na mesma velocidade que um motor assíncrono CA. Os pólos magnéticos são alimentados pelos ímãs permanentes do rotor.
Assim, o campo magnético rotativo gerado pelo estator forma um circuito com os pólos magnéticos permanentes do rotor e o núcleo de ferro. Seguindo o princípio da relutância magnética mínima, ou seja, o fluxo magnético sempre se fecha ao longo do caminho de menor resistência magnética, o rotor é colocado em rotação pela força eletromagnética do campo rotativo.
Conseqüentemente, o rotor de ímã permanente gira sincronizadamente com o campo magnético rotativo gerado pelo estator, acionando assim a rotação do eixo do motor.
(2) Princípio de geração de energia do motor síncrono de ímã permanente
Seguindo a lei da indução eletromagnética de Faraday, uma parte do condutor do circuito fechado é alimentada pelos enrolamentos trifásicos do estator, com o campo magnético fornecido pelos ímãs permanentes do rotor.
Quando o torque externo faz o rotor girar, ele gera um campo magnético giratório, cortando parte dos condutores nos enrolamentos trifásicos do estator e induzindo uma corrente trifásica simétrica.
Neste ponto, a energia cinética do rotor é convertida em energia elétrica, e o Motor Síncrono de Imã Permanente funciona como gerador.
3. Vantagens, desvantagens e escopo de aplicação do motor síncrono de ímã permanente
As vantagens de um motor síncrono de ímã permanente incluem seu tamanho pequeno, peso leve, alta densidade de potência, menor consumo de energia, menor aumento de temperatura e maior eficiência em comparação com motores assíncronos.
Ele pode ser projetado como um motor estruturado de alto torque de partida e alta capacidade de sobrecarga com base nos requisitos.
O motor síncrono de ímã permanente sincroniza estritamente e possui bom desempenho de resposta dinâmica, adequado para controle de frequência; o torque e a velocidade do motor podem ser ajustados em uma ampla faixa, alterando a corrente e a frequência.
No entanto, o material de ímã permanente usado em motores síncronos de ímã permanente é geralmente um material magnético forte de neodímio, ferro e boro, que é relativamente frágil e pode fraturar sob vibração intensa.
Além disso, o uso de material magnético permanente no rotor pode levar à deterioração magnética na operação do motor e situações de superaquecimento, resultando em diminuição de potência.
Atualmente, os motores síncronos de ímã permanente são amplamente utilizados em motores de veículos de novas energias, com os novos mercados de energia na Ásia e na Europa utilizando principalmente motores síncronos de ímã permanente como novos motores de energia.
III. Motor de relutância comutado
1. Estrutura do Motor de Relutância Comutada
O Motor de Relutância Comutada (SRM) é um motor mecatrônico típico, também conhecido como “Sistema de Acionamento de Relutância Comutada”. O motor inclui principalmente quatro componentes: o próprio SRM, um conversor de potência, sensores de posição do rotor e um controlador, conforme mostrado na Figura 5.
A estrutura principal do SRM inclui o estator, rotor, sensores de posição, rolamentos dianteiros e traseiros, tampas dianteiras e traseiras e a carcaça do motor, conforme ilustrado na Figura 6. O estator compreende o núcleo do estator e os enrolamentos.
1- Tampa Frontal
2- Rolamento Frontal
3- Rotor
4- Eixo do motor
5- Estator
6- Carcaça do Motor
7- Rolamento da extremidade traseira
8- Tampa traseira
9- Sensor de posição
10- Tampa de Manutenção do Sensor
11- Ventilador de resfriamento
12- Tampa final do ventilador
Tanto o núcleo do estator quanto o rotor utilizam estruturas de pólos salientes e são feitos de chapas laminadas de aço silício. Os pólos salientes do estator são equipados com enrolamentos, enquanto o rotor não possui enrolamentos ou ímãs permanentes.
A estrutura trifásica de 6/4 pólos indica que o estator do motor possui seis pólos salientes e o rotor possui 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, conforme mostrado na Figura 7 (a).
A estrutura trifásica de 12/8 pólos indica que o estator do motor possui doze pólos salientes e o rotor possui 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, conforme mostrado na Figura 7 (b).
Quanto mais fases um motor de relutância comutada tiver, menor será o ângulo de passo, mais suave será a operação e mais favorável será para reduzir a ondulação de torque. No entanto, o controle torna-se mais complexo, levando a um aumento no número de dispositivos de comutação principais e nos custos.
O cálculo do ângulo de passo é mostrado 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°.
2. Princípio de funcionamento do motor de relutância comutada
(1) Princípio de operação do acionamento do motor de relutância comutada
Conforme mostrado no 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 fechamento da chave principal S1, S2, a fase A é energizada e magnetizada.
A força do campo magnético gerada dentro do motor forma um campo magnético radial com OA como eixo. As linhas de força magnética deste campo são curvadas onde passam através do entreferro 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. Portanto, o pólo saliente do rotor é influenciado pela atração magnética, que alinha o eixo do pólo do rotor Oa com o eixo do pólo do estator OA.
Isso gera um torque eletromagnético com propriedade de relutância magnética, fazendo com que o rotor comece a girar no sentido anti-horário. Quando a corrente da fase A é desligada e a fonte de alimentação da fase B é estabelecida, o campo magnético dentro do motor gira 30 graus.
O rotor então gira mais 15 graus no sentido anti-horário sob a ação da atração eletromagnética. Se a energia for fornecida sequencialmente aos enrolamentos de fase ABCA, o rotor girará continuamente no sentido anti-horário.
Quando os enrolamentos do estator em cada fase são energizados, por sua vez, o campo magnético do estator gira 3×30 graus e o rotor gira um passo dos pólos do rotor de 3×15 graus (ou seja, 360 graus/número de pólos salientes do rotor).
Se a energia for fornecida sequencialmente aos enrolamentos de fase ACBA, o rotor girará no sentido horário. O sentido de rotação do motor de relutância comutada não está relacionado com o sentido da corrente, mas é determinado pela sequência de ligação dos enrolamentos de fase do estator.
Na operação real 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 chaveado envolve três condições: o estado de excitação, o estado de continuação e o estado de geração de energia, conforme 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 mínimo (definida como θ=0°). A indutância da 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 girar e o pólo do rotor começa a se sobrepor ao pólo do estator, até que a borda posterior do pólo do rotor e a borda posterior do pólo do estator se alinhem totalmente (neste momento, θ = θ2), a fase do enrolamento a indutância aumenta linearmente nesta região, atingindo um máximo de Lmax.
Quando o rotor continua a girar de modo que a borda dianteira do pólo do rotor se alinhe com a borda dianteira do pólo do estator (neste momento, θ = θ4), a indutância de fase permanece em Lmax.
Segundo a teoria básica do campo eletromagnético, a existência de um campo magnético é acompanhada pelo torque eletromagnético do rotor do motor, que pode ser representado pela equação (3).
Se os enrolamentos do motor de relutância comutada forem ligados e desligados entre θ3 e θ4, o motor funciona como um gerador. Neste momento, uma corrente se forma na região de indutância decrescente, portanto dL/dθ<0.
Se a corrente passar pelos enrolamentos de fase neste momento, um torque de frenagem (T(θ, i)<0) será gerado. Se uma força mecânica externa mantém a rotação do motor, o motor absorve energia mecânica e a converte em saída elétrica, indicando que o motor de relutância comutada está operando no modo gerador.
3. Vantagens, desvantagens e escopo de aplicação de motores de relutância comutados
As vantagens dos motores de relutância comutada são sua estrutura simples e confiável, bom desempenho de partida, alta eficiência e baixo custo. Eles oferecem uma ampla gama de recursos de controle de velocidade, variando a condução, os ângulos de desligamento e a tensão. No entanto, as desvantagens incluem oscilações de torque substanciais e alto ruído.
Atualmente, eles são usados em alguns pequenos veículos elétricos, como scooters elétricos de quatro rodas e carros de patrulha.
4. Conclusão
Dadas as características distintas de desempenho exigidas pelos motores de propulsão dos veículos de novas energias, o tipo de motor de acionamento selecionado varia entre os diferentes modelos no mercado.
Este artigo descreve a estrutura e os princípios de funcionamento dos novos motores de acionamento de energia comumente usados, como motores assíncronos CA, motores síncronos de ímã permanente e motores de relutância comutada. Essas informações ajudarão no melhor entendimento desses motores de acionamento.
Além disso, a estrutura e os princípios de cada tipo de motor diferem, levando a uma ampla gama de aplicações. De acordo com o planeamento estratégico industrial nacional, a investigação centrada nos sistemas de propulsão eléctrica de novos veículos energéticos ecológicos continuará a expandir-se. Consequentemente, a variedade e o nível tecnológico dos motores também continuarão avançando.
