Motores síncronos de ímãs permanentes
Um motor síncrono de ímãs permanentes (PMSM) mantém um campo magnético persistente no rotor e acompanha o campo giratório do estator na velocidade síncrona. Em um veículo elétrico, essa arquitetura pode proporcionar alta densidade de torque e uma ampla região de elevada eficiência, mas os detalhes importam mais do que a sigla.
Como um PMSM gera torque
O inversor fornece corrente trifásica controlada ao estator. O campo magnético resultante gira ao redor do entreferro e arrasta consigo o campo magnético do rotor. Em funcionamento síncrono normal, o rotor e o campo do estator completam o mesmo número de revoluções magnéticas por unidade de tempo; não existe o escorregamento de um motor de indução.
Os ímãs podem ser montados perto da superfície do rotor ou embutidos em suas laminações:
- Um motor de ímãs permanentes superficiais tem geometria magnética relativamente simples e baixa saliência do rotor. Reter os ímãs diante da força centrífuga em alta rotação é uma tarefa mecânica central.
- Um motor de ímãs permanentes internos posiciona os ímãs atrás de pontes de aço ou em barreiras de fluxo moldadas. Isso protege os ímãs e cria relutâncias magnéticas diferentes ao longo dos eixos direto e em quadratura do rotor.
Essa diferença direcional permite que uma máquina com ímãs internos gere torque de relutância além do torque magnético. Muitos motores automotivos descritos como IPMSM, máquinas síncronas de relutância assistidas por ímãs permanentes ou máquinas síncronas de relutância com ímãs permanentes ocupam áreas de engenharia sobrepostas. A denominação, por si só, não revela quanto torque vem de cada mecanismo.
Controle da corrente, rotação-base e enfraquecimento de campo
A posição do rotor precisa ser conhecida ou estimada para que o inversor possa colocar o campo do estator no ângulo que produz o torque solicitado. Os sistemas de produção normalmente usam um resolver ou sensor de posição, muitas vezes apoiado por uma estimativa baseada em modelos.
O controle orientado ao campo representa a corrente do estator em dois eixos giratórios. Os componentes que geram torque e os que alteram o fluxo podem, então, ser controlados separadamente. Abaixo da rotação-base, o controlador normalmente busca alto torque por ampere, respeitando ao mesmo tempo os limites de corrente, tensão, temperatura e desmagnetização.
Em rotação mais elevada, os ímãs do rotor geram uma força contraeletromotriz crescente. Quando a tensão disponível do barramento CC se torna a limitação, o inversor aplica um componente de corrente que se opõe a parte do fluxo magnético. Esse enfraquecimento de campo amplia a faixa de rotação, mas usa capacidade de corrente e acrescenta perdas. A saliência de um rotor com ímãs internos pode ajudar a criar uma faixa útil de rotação com potência constante.
Durante a frenagem regenerativa, a corrente comandada gera torque negativo no eixo, e o inversor devolve potência elétrica à bateria dentro dos limites de aderência e da bateria.
Por que os PMSM são eficientes e compactos
O campo do rotor não exige excitação elétrica contínua; por isso, não há perda em uma gaiola de indução nem perda de excitação de um rotor bobinado no funcionamento normal. Ímãs fortes e um circuito magnético otimizado podem fornecer elevado fluxo no entreferro a partir de um rotor compacto. Essas propriedades favorecem alta densidade de torque e de potência.
A eficiência continua sendo um mapa de operação, não uma característica fixa do motor. As perdas de cobre no estator dominam muitos pontos de alto torque; as perdas no ferro, por correntes parasitas nos ímãs, por ventilação, nos rolamentos, no inversor e nas engrenagens tornam-se importantes em outros pontos. Em rotação muito alta, a corrente de enfraquecimento de campo pode alterar significativamente o resultado do sistema.
Ímãs, temperatura e fornecimento de materiais
Os motores de tração de alto desempenho normalmente usam ímãs de neodímio-ferro-boro por causa de sua força magnética. Disprósio, térbio ou outros aditivos podem ser usados seletivamente para preservar a coercividade em alta temperatura. Os ímãs de samário-cobalto e ferrite são alternativas para determinados objetivos de temperatura, custo ou cadeia de fornecimento, mas cada opção altera os compromissos de tamanho, circuito magnético e controle.
Os ímãs têm limites térmicos. Uma temperatura excessiva do rotor ou um campo magnético adverso podem causar desmagnetização parcial e irreversível. Os engenheiros gerenciam esse risco por meio da qualidade e segmentação dos ímãs, da geometria do rotor, dos limites de corrente e do resfriamento. A mineração de terras raras, a concentração do processamento, a volatilidade dos preços e a fabricação de ímãs também influenciam a escolha da arquitetura.
A afirmação “os PMSM exigem terras raras” é, portanto, ampla demais: os ímãs permanentes não precisam conter elementos de terras raras. É mais correto dizer que muitos PMSM automotivos de alta densidade de potência usam atualmente ímãs de terras raras.
Enrolamentos e fabricação
O estator pode usar fios multifilares ou condutores retangulares moldados. Os enrolamentos hairpin podem aumentar o preenchimento de cobre das ranhuras, melhorar a repetibilidade da fabricação e criar contato térmico direto, mas os condutores maiores podem sofrer perdas CA adicionais em alta frequência elétrica. O passo do enrolamento, o número de ranhuras e polos, o comprimento das cabeças dos enrolamentos, o isolamento, as uniões e o resfriamento são projetados em conjunto com o rotor e o inversor.
O posicionamento dos ímãs é igualmente exigente. As pontes do rotor precisam suportar a rotação máxima enquanto limitam as fugas magnéticas. A segmentação dos ímãs pode reduzir as perdas por correntes parasitas, e luvas ou outras estruturas de retenção podem ser necessárias nos projetos de alta rotação.
Rodagem livre e eixos secundários
Um rotor de ímãs permanentes em movimento continua gerando fluxo magnético. Por isso, produz força contraeletromotriz e perdas no núcleo ou nos ímãs mesmo quando o torque comandado é zero. A força contraeletromotriz, por si só, não implica grande torque de frenagem se a corrente de fase for impedida, mas a unidade de propulsão inativa ainda tem perdas nos rolamentos, retentores, engrenagens, óleo e componentes eletromagnéticos.
Os fabricantes gerenciam essas perdas por meio do controle do inversor, de um motor de baixas perdas, de uma embreagem de desacoplamento ou de outro tipo de motor no eixo secundário. A melhor solução depende do custo, do tempo de resposta, da integração e da frequência com que a tração integral é necessária.
O que a denominação não revela
“PMSM” não especifica ímãs superficiais ou internos, composição dos ímãs, número de polos, tipo de enrolamento, resfriamento, rotação máxima, faixa de enfraquecimento de campo, duração do pico nem mapa de eficiência. Essas escolhas de projeto determinam o comportamento do motor em um veículo.
O Porsche Taycan mostra uma abordagem de produção: motores síncronos de ímãs permanentes, enrolamentos hairpin no estator, resfriamento líquido e controle pelo inversor são integrados com transmissões específicas para cada eixo. Outros veículos elétricos usam disposições diferentes dos ímãs, outros métodos de enrolamento ou sistemas de tração integral com tipos mistos de motor. A topologia do motor deve ser entendida como parte do projeto completo da unidade de propulsão.
Para uma explicação detalhada do fabricante sobre a construção compacta de um PMSM, o vídeo técnico existente da Lucid continua sendo útil:
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