Motores síncronos de excitação elétrica
Um motor síncrono de excitação elétrica (EESM) substitui os ímãs permanentes do rotor por um eletroímã cujo campo pode ser ajustado enquanto o veículo está em movimento. Ele também é chamado de motor síncrono de campo bobinado (WFSM), motor síncrono de rotor bobinado (WRSM) ou motor síncrono excitado por corrente.
Como funciona
O inversor de tração fornece corrente trifásica controlada ao estator, como em outros motores de tração CA. Um circuito de excitação separado fornece corrente contínua aos enrolamentos do rotor. Essa CC cria polos magnéticos que se acoplam ao campo giratório do estator, fazendo o rotor girar em sincronia com ele.
Em um projeto automotivo convencional, escovas estacionárias tocam em anéis coletores no eixo giratório para fornecer corrente de excitação. O conjunto de escovas é compacto e fica fechado dentro da unidade de propulsão; ele não é o comutador usado em um motor de tração CC com escovas. Excitadores sem escovas baseados em transferência de potência indutiva, capacitiva ou semelhante à de um transformador são outra opção de projeto, mas acrescentam componentes e requisitos de controle.
O campo do rotor é criado por excitação em CC, não pela adição de um resistor externo a um rotor de indução bobinado. A rotação e o torque são controlados pela corrente do estator, frequência elétrica, ângulo da corrente e corrente de campo do rotor.
Um campo magnético que pode ser ajustado
Os ímãs permanentes fornecem um fluxo rotórico essencialmente fixo. Um EESM oferece ao controlador outro grau de liberdade: a corrente de excitação.
Em alto torque, o controlador pode reforçar o campo do rotor dentro dos limites térmicos, magnéticos e do inversor. Em baixa carga, pode reduzir a excitação para evitar manter mais fluxo do que o ponto de operação exige. Em alta rotação, pode enfraquecer diretamente o campo, reduzindo a força contraeletromotriz sem depender totalmente de corrente oposta no estator.
Essa flexibilidade pode ampliar a região de operação eficiente e simplificar o enfraquecimento de campo em alta rotação. A melhor combinação de correntes continua sendo uma otimização do sistema: As perdas de cobre no estator, as perdas de excitação no rotor, as perdas no inversor, a tensão, o torque, a rotação e a temperatura precisam ser considerados em conjunto.
Por que os fabricantes o escolhem
O rotor não precisa de ímãs permanentes, por isso o projeto pode evitar os materiais de terras raras normalmente usados em PMSM de alta densidade de potência. Isso altera a exposição aos preços dos ímãs e às cadeias de processamento, embora o motor completo ainda utilize quantidades substanciais de cobre e aço elétrico.
O fluxo controlável é útil em uma ampla faixa de rotação. Quando um eixo não produz torque, a corrente de campo pode ser reduzida ou eliminada, limitando as perdas induzidas magneticamente. Em uma falha, o sistema de controle também pode eliminar a excitação do rotor, embora a energia magnética armazenada e a tensão induzida ainda precisem ser gerenciadas com segurança.
A arquitetura pode oferecer alta potência e funcionamento estável em alta rotação. Sua vantagem não é uma “eficiência gratuita”: a energia usada para excitar o rotor entra no cálculo das perdas.
Os custos técnicos
A excitação do rotor produz perdas de cobre I²R em uma peça giratória. Esse calor precisa atravessar o rotor, o eixo, o entreferro ou um canal interno de líquido de resfriamento, e a alimentação de excitação consome potência que um ímã permanente não exige.
As escovas e os anéis coletores introduzem superfícies de desgaste, gerenciamento de partículas, resistência de contato e outro possível modo de falha. Os sistemas automotivos são projetados como conjuntos selados de longa duração, não como anéis coletores industriais submetidos a manutenção rotineira, portanto não se pode presumir um plano de manutenção genérico. A durabilidade depende do material das escovas, da densidade de corrente, da rotação do eixo, da vedação, do resfriamento, da vibração e do objetivo de projeto do fabricante.
A excitação sem escovas elimina o contato elétrico deslizante, mas acrescenta um transformador giratório, um acoplador capacitivo ou outro hardware de alimentação do campo, além de retificação e controle. Ela desloca o compromisso em vez de eliminá-lo.
A densidade de potência e o custo também dependem do conjunto de excitação, do espaço para o enrolamento do rotor, do resfriamento e da capacidade nominal do inversor. Um EESM bem projetado pode competir fortemente com propulsões de ímãs permanentes e de indução, mas nenhuma topologia vence em todos os pontos de operação.
Exemplos de produção
O eDrive de quinta geração da BMW usa motores síncronos excitados por corrente em veículos como i4, i5, i7 e iX. A BMW afirma que o campo do rotor é produzido eletricamente, permitindo excluir materiais magnéticos de terras raras desses motores.
A Renault também identifica sua tecnologia de rotor EESM como um caminho sem ímãs e a desenvolveu para vários trens de força elétricos. Não se deve supor que as implementações dos dois fabricantes sejam idênticas: Enrolamentos, conjunto de escovas, resfriamento, controle, tensão e integração continuam sendo escolhas de projeto proprietárias.
Ao comparar veículos com EESM, os dados úteis incluem potência de pico e contínua, rotação máxima, mapa de eficiência combinado do motor e inversor, método de excitação, resfriamento e se a eficiência anunciada inclui a potência do campo do rotor.
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