Motores elétricos e unidades de propulsão

O motor de tração de um veículo elétrico faz parte de um sistema fortemente integrado no qual a bateria, o inversor, o motor, o circuito de resfriamento, as engrenagens redutoras, o diferencial, os pneus e o software de controle determinam em conjunto a eficiência com que a energia elétrica se transforma em movimento.

Este artigo central separa três questões que muitas vezes são confundidas: como as diferentes famílias de motores geram torque, como uma unidade de propulsão é construída e controlada e como o veículo completo utiliza e mede esse hardware.

O caminho da energia da bateria até a estrada

A bateria de alta tensão fornece corrente contínua. Um Traction inverters de tração comuta essa CC para produzir corrente multifásica controlada — normalmente CA trifásica — cuja amplitude, frequência e fase determinam o torque e a rotação do motor. O Motor control and efficiency maps traduz a solicitação do motorista e os limites do veículo nos comandos de corrente seguidos pelo inversor.

Dentro do motor, a corrente nos enrolamentos estacionários cria um campo magnético giratório. O rotor acompanha ou interage com esse campo e gira o eixo de saída. As escolhas relativas ao estator, rotor, enrolamentos, laminações, isolamento, entreferro, rolamentos e tolerâncias de fabricação são abordadas em EV motor construction and windings.

Uma relação de redução fixa normalmente converte rotação do motor em torque nas rodas. O diferencial permite que as rodas motrizes girem em velocidades diferentes em uma curva. Em uma Integrated electric drive units moderna, o motor, o inversor, as engrenagens redutoras, o diferencial, a lubrificação e os canais de resfriamento podem compartilhar uma única carcaça compacta.

Como um motor de tração CA gera torque

A maioria dos motores de tração dos veículos elétricos tem duas partes eletromagnéticas principais: um estator que permanece imóvel e um rotor que gira do outro lado de um entreferro estreito. As três fases do estator são energizadas em sequência, produzindo um campo magnético que gira ao redor do entreferro.

A família do motor é definida principalmente pela forma como o rotor obtém seu campo magnético e pelo modo como esse campo se move em relação ao campo do estator:

Um motor síncrono de ímãs permanentes tem ímãs dentro ou na superfície do rotor.
Um motor síncrono de excitação elétrica cria o campo do rotor por meio de um enrolamento alimentado por CC.
Um motor de indução induz corrente em uma gaiola condutora do rotor; o rotor precisa girar em uma velocidade diferente da do campo do estator para gerar torque.
Um motor de relutância gera torque porque o rotor se magnetiza com mais facilidade em certas direções do que em outras.

“Síncrono” descreve a velocidade do rotor em relação ao campo giratório do estator. Não significa que o rotor e o estator estejam ligados mecanicamente. Os rolamentos sustentam o rotor, enquanto o entreferro mantém as partes eletromagnéticas fisicamente separadas.

Torque, rotação e potência

Torque é a força de torção aplicada ao eixo. Potência é a taxa com que o motor realiza trabalho:

potência = torque × velocidade de rotação

Essa relação explica a curva de torque característica de um veículo elétrico. Desde a imobilidade até a rotação-base do motor, o inversor normalmente consegue fornecer corrente suficiente para uma ampla região de torque constante. Acima da rotação-base, a tensão e a força contraeletromotriz tornam-se as principais limitações. O controlador enfraquece o campo magnético efetivo para que o motor possa girar mais rápido, enquanto o torque disponível diminui. A potência pode permanecer aproximadamente constante durante parte dessa região de rotação mais elevada.

A curva exata é limitada pela potência da bateria, pela tensão e corrente do inversor, pela temperatura do motor, pela rotação do rotor e pelos limites mecânicos. Uma potência de pico anunciada pode estar disponível por apenas alguns segundos. A potência contínua é a potência que a unidade de propulsão completa consegue manter sob condições definidas de resfriamento e ambiente. EV motor testing and ratings explica por que o limite de medição e a duração do teste precisam acompanhar um valor de potência.

Durante a frenagem regenerativa, a mesma máquina funciona como gerador. O torque das rodas aciona o rotor, o inversor controla a corrente do gerador e a energia elétrica retorna à bateria quando a temperatura e o estado de carga da bateria, a aderência e os limites do sistema permitem.

As principais famílias de motores nos veículos elétricos

Os Permanent-magnet synchronous motors são comuns porque podem combinar alta densidade de potência com elevada eficiência em uma parte útil do mapa de operação. Os projetos com ímãs internos podem produzir tanto torque de ímãs permanentes quanto torque de relutância. Seu fluxo fixo no rotor também cria desafios de projeto relacionados ao enfraquecimento de campo, à tensão em caso de falha, ao fornecimento de materiais e à gestão térmica.

Os Induction (asynchronous) motors não possuem ímãs no rotor nem contatos elétricos. Seu campo rotórico só existe quando a excitação do estator induz corrente na gaiola. Eles são mecanicamente robustos e podem apresentar baixo arrasto eletromagnético quando desenergizados, o que os torna úteis tanto como motores de tração principais quanto em um eixo secundário. No entanto, a corrente do rotor acrescenta calor e perdas.

Os Electrically excited synchronous motors substituem os ímãs permanentes por um eletroímã controlável no rotor. Aumentar ou reduzir a corrente de campo oferece aos engenheiros outra variável de controle, incluindo o enfraquecimento eficiente do campo em alta rotação. O custo é um sistema de excitação, perdas de cobre no rotor e — quando são usadas escovas e anéis coletores — requisitos mecânicos e de durabilidade adicionais.

Os Reluctance motors incluem máquinas síncronas de relutância sem ímãs e máquinas de relutância chaveada, além de projetos assistidos por ímãs permanentes. Eles exploram diferenças direcionais na relutância magnética do rotor. São possíveis rotores simples sem ímãs, mas a densidade de torque, as exigências do inversor, a ondulação do torque, a acústica e o controle precisam ser avaliados para o sistema completo.

Os Axial-flux permanent-magnet motors descrevem uma geometria magnética diferente, não uma fonte separada de excitação do rotor. A maioria dos motores automotivos de fluxo axial é formada por máquinas síncronas de ímãs permanentes cujo fluxo principal atravessa o entreferro paralelamente ao eixo. Seu grande raio ativo e o reduzido comprimento axial podem proporcionar alta densidade de torque, mas o resfriamento, o controle do entreferro, as forças axiais e a produção em massa são exigentes.

Por que nenhum tipo de motor é simplesmente o melhor

Um motor não tem um único valor de eficiência. Ele tem um mapa de eficiência que abrange rotação e torque, e o veículo percorre diferentes áreas desse mapa durante a condução urbana, em rodovia, em subidas, ao rebocar e em acelerações fortes. O inversor e a caixa redutora têm seus próprios mapas, por isso os engenheiros otimizam a unidade de propulsão completa para o ciclo de uso pretendido.

As principais perdas também variam conforme o ponto de operação:

a resistência dos enrolamentos gera perdas de cobre que aumentam fortemente com a corrente;
os campos magnéticos variáveis geram perdas por histerese e correntes parasitas no aço elétrico e em outros componentes condutores;
os rotores de indução e de excitação elétrica acrescentam perdas de cobre no rotor;
o inversor apresenta perdas de condução e de chaveamento;
os rolamentos, retentores, engrenagens, bombas de óleo e a agitação do óleo geram perdas mecânicas.

Assim, a escolha do motor equilibra a eficiência na região útil do mapa, a densidade de potência e de torque, o custo e o fornecimento de materiais, a capacidade nominal do inversor, a demanda de resfriamento, a rotação máxima, a acústica, a controlabilidade, o rendimento de fabricação, a durabilidade e a facilidade de manutenção. Um motor ligeiramente menos eficiente em seu melhor ponto pode resultar em um veículo mais eficiente se sua região útil de alta eficiência corresponder melhor à carga de condução do veículo.

Um motor ou vários

Um único motor pode acionar o eixo dianteiro ou traseiro por meio de um diferencial. Dois motores normalmente fornecem torque controlado de forma independente nos eixos dianteiro e traseiro, permitindo tração integral sem um eixo cardã mecânico. Os fabricantes podem usar o mesmo tipo de motor nos dois eixos ou combinar tipos para aproveitar diferentes características de eficiência e rotação livre.

Os sistemas de três motores normalmente colocam um motor em um eixo e dois motores controlados de forma independente no outro. Os sistemas de quatro motores podem usar um motor por roda ou dois motores por eixo conectados por trens de engrenagens separados. Os motores independentes criam a possibilidade física de vetorização rápida do torque, mas a capacidade real depende dos sensores, da capacidade do inversor, da aderência dos pneus, dos limites térmicos, das relações de transmissão e do software de controle.

Os motores adicionais não oferecem desempenho gratuito. Eles acrescentam massa, custo, demanda de resfriamento, inversores, cabos, rolamentos e perdas parasitas. As embreagens de desacoplamento e os motores de indução desenergizados podem reduzir a penalidade de consumo de um eixo secundário durante a condução constante. Multi-motor EV architectures analisa em detalhes as arquiteturas de um, dois, três e quatro motores.

Como interpretar as especificações dos motores elétricos

Os dados úteis de um motor devem responder a mais do que “quantos quilowatts?”. Verifique se um valor é de pico ou contínuo, se se aplica a um motor, a um eixo ou ao veículo completo, e se o torque indicado é medido no eixo do motor ou nas rodas depois da redução.

Os dados de engenharia mais informativos incluem:

topologia e localização do motor;
potência de pico e contínua nas condições especificadas;
torque máximo e rotação máxima do motor;
tensão do barramento CC, corrente do inversor e tipo de semicondutor;
relação de transmissão e eficiência do trem de força;
mapas de eficiência do motor e do inversor em tração e regeneração;
método de resfriamento e limites térmicos;
possibilidade de desenergizar ou desacoplar os motores secundários;
o limite de medição, as temperaturas e o procedimento de teste.

Esses detalhes explicam por que dois veículos com potência de pico semelhante podem diferir no consumo em rodovia, nas acelerações repetidas, na capacidade de reboque, no ruído e na capacidade sustentada em alta velocidade.

Leia a série na ordem

Comece pelas famílias de motores:

Depois, acompanhe a cadeia de hardware e controle de energia:

Finalize com a arquitetura do veículo e as evidências de engenharia:

As abas de navegação seguem a mesma ordem.