Motores de relutância em veículos elétricos
Os motores de relutância produzem torque ao puxarem um rotor magneticamente assimétrico para a posição em que o fluxo magnético consegue seguir o caminho mais fácil. O princípio aparece em várias famílias distintas, incluindo máquinas de relutância síncrona e relutância chaveada sem ímãs, além de projetos assistidos por ímãs permanentes.
A relutância é uma propriedade magnética
A relutância magnética é a oposição que um circuito magnético oferece ao fluxo magnético. Um caminho através de aço elétrico de alta permeabilidade tem menor relutância do que um caminho através do ar ou de uma barreira de fluxo. Se a forma do rotor fizer suas propriedades magnéticas variarem conforme a direção, o campo energizado do estator cria um torque que tende a alinhar com ele o eixo de baixa relutância do rotor.
Os engenheiros de controle do motor descrevem o rotor por meio de dois eixos magnéticos perpendiculares. O eixo direto, d, e o eixo em quadratura, q, têm indutâncias diferentes em um rotor saliente. Essa diferença permite que a corrente do estator produza torque de relutância. O rotor não precisa de ímãs permanentes para esse efeito, embora eles possam ser adicionados para combinar torque magnético e de relutância.
Por isso, a relutância não se limita a uma denominação de produto. É um mecanismo de produção de torque que também contribui de modo substancial em muitos permanent-magnet synchronous motors de ímãs interiores.
Motores de relutância síncrona
Um motor de relutância síncrona, frequentemente abreviado SynRM, usa um rotor de aço laminado com barreiras de fluxo ou outra geometria que cria forte saliência magnética. O inversor alimenta um campo girante no estator, e o rotor o acompanha na velocidade síncrona.
O rotor pode dispensar ímãs, enrolamentos, anéis coletores e condutores de gaiola de esquilo. Isso pode reduzir o custo dos materiais e o calor do rotor, permitindo ao mesmo tempo alta velocidade de rotação. Sem fluxo de ímãs permanentes, o motor desenergizado também não cria a mesma força contraeletromotriz de uma máquina de ímãs permanentes.
A contrapartida é que o torque depende da diferença possível entre as indutâncias dos eixos d e q. As barreiras de fluxo aumentam essa diferença, mas retiram aço do rotor, complicam o projeto mecânico e podem limitar a densidade de torque. O fator de potência e a corrente exigida do inversor também podem ser menos favoráveis do que em uma máquina de ímãs permanentes bem projetada.
Relutância síncrona assistida por ímãs permanentes
Um motor de relutância síncrona assistido por ímãs permanentes acrescenta uma quantidade relativamente pequena de material magnético em um rotor saliente. Os ímãs contribuem para o torque, melhoram o fator de potência e podem ampliar a região eficiente, enquanto a geometria do rotor continua fornecendo uma grande parcela de torque de relutância.
Não há uma fronteira física nítida entre essa família e um motor síncrono de ímãs permanentes interiores. Fabricantes e pesquisadores podem descrever rotores semelhantes de maneiras diferentes, conforme pretendam destacar a contribuição dos ímãs, a da relutância ou o menor uso de terras raras. As questões relevantes são quanto torque vem de cada mecanismo, quanto material magnético existe e como o motor completo funciona em seu mapa de velocidade e torque.
Motores de relutância chaveada
Um motor de relutância chaveada, ou SRM, tem polos salientes no estator e no rotor. O rotor costuma ser um conjunto de lâminas de aço elétrico sem enrolamentos nem ímãs. Bobinas concentradas do estator são energizadas em sequência para puxar cada polo do rotor até uma posição alinhada; a corrente de fase deve então ser reduzida antes do alinhamento se sua continuação criar torque de frenagem.
Esse princípio difere do campo girante aproximadamente senoidal usado pela maioria dos motores de tração trifásicos. Um SRM convencional costuma utilizar um conversor assimétrico capaz de energizar e desmagnetizar cada fase de forma independente. A informação da posição do rotor e o controle de corrente com temporização precisa são essenciais para motorização e regeneração eficientes.
O rotor simples de um SRM tolera calor e alta velocidade, e as fases eletricamente separadas podem oferecer tolerância a falhas. Os principais desafios são a ondulação do torque, a variação das forças radiais, o ruído acústico, a saturação magnética não linear e um conversor cujos requisitos de tensão e corrente devem ser considerados junto com o motor. Um rotor simples não torna automaticamente simples todo o acionamento.
Ondulação do torque e comportamento acústico
O torque de relutância varia conforme os polos do rotor e do estator entram e saem do alinhamento. Se os torques das fases não forem combinados suavemente, o eixo sofre pulsações. As forças magnéticas radiais variáveis também podem excitar ressonâncias no estator, na carcaça e nos suportes, criando ruído tonal mesmo quando o torque médio no eixo é estável.
Os engenheiros tratam esses efeitos em conjunto:
- as formas dos polos do rotor e do estator alteram as ondas de torque e força radial;
- a inclinação, a segmentação e a escolha do arco polar distribuem os harmônicos de força;
- o perfil de corrente e a condução sobreposta das fases suavizam o torque total;
- a estratégia de chaveamento desloca ou reduz componentes espectrais incômodos;
- a rigidez e o isolamento da carcaça impedem que as forças eletromagnéticas se transformem em ruído na cabine.
Reduzir um sintoma pode agravar outro. Maior sobreposição de fases pode suavizar o torque, mas aumentar as perdas no cobre, enquanto uma geometria que reduza a vibração pode afetar a densidade de torque ou o dimensionamento do inversor. O melhor resultado vem da otimização conjunta do eletromagnetismo, conversor, controle, estrutura e arrefecimento.
O lugar das máquinas de relutância nos veículos elétricos
As máquinas de relutância são atraentes quando o fornecimento de ímãs, a temperatura do rotor, a resistência em alta velocidade ou a tolerância a falhas têm importância especial. Os projetos sem ímãs também evitam o arrasto dos ímãs permanentes e a tensão em circuito aberto, embora permaneçam as perdas em rolamentos, vedações, engrenagens e óleo em uma unidade de propulsão completa.
Elas nem sempre são mais sustentáveis ou mais baratas. Mais aço elétrico, cobre, capacidade de semicondutores, tratamento acústico ou complexidade de fabricação podem compensar a economia de ímãs. Uma comparação justa deve usar a mesma envoltória de torque e velocidade, sistema de arrefecimento, tensão CC, limites do inversor, ciclo de operação e volume de produção.
Para compradores de veículos elétricos, a denominação do motor, por si só, prevê pouco. Os dados úteis são o mapa de eficiência da unidade de propulsão, a potência sustentada, o comportamento acústico, a massa e o consumo de energia do veículo.
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