Motores síncronos de excitação elétrica
Um motor síncrono de excitação elétrica (EESM) substitui os ímanes permanentes do rotor por um eletroíman cujo campo pode ser ajustado enquanto o veículo circula. Também é designado 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, tal como noutros 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 rotativo do estator, fazendo o rotor girar de forma síncrona com ele.
Numa conceção automóvel convencional, escovas estacionárias tocam em anéis coletores no veio rotativo para fornecer corrente de excitação. O conjunto de escovas é compacto e está encerrado na unidade de propulsão; não é o comutador utilizado num motor de tração CC com escovas. Excitadores sem escovas baseados em transferência de potência indutiva, capacitiva ou semelhante a um transformador são outra via de projeto, mas acrescentam componentes e requisitos de controlo.
O campo do rotor é criado por excitação em CC, não pela adição de uma resistência externa a um rotor de indução bobinado. A velocidade e o binário são controlados através da corrente do estator, da frequência elétrica, do ângulo da corrente e da corrente de campo do rotor.
Um campo magnético que pode ser ajustado
Os ímanes permanentes fornecem um fluxo rotórico essencialmente fixo. Um EESM dá ao controlador outro grau de liberdade: a corrente de excitação.
A binário elevado, o controlador pode reforçar o campo do rotor dentro dos limites térmicos, magnéticos e do inversor. A baixa carga, pode reduzir a excitação para evitar manter mais fluxo do que o ponto de funcionamento necessita. A alta velocidade, pode enfraquecer diretamente o campo, reduzindo a força contraeletromotriz sem depender totalmente de corrente do estator em sentido oposto.
Esta flexibilidade pode ampliar a zona de funcionamento eficiente e simplificar o enfraquecimento de campo a alta velocidade. A melhor combinação de correntes continua a ser uma otimização do sistema: As perdas de cobre no estator, as perdas de excitação no rotor, as perdas no inversor, a tensão, o binário, a velocidade e a temperatura devem ser considerados em conjunto.
Porque os fabricantes o escolhem
O rotor não necessita de ímanes permanentes, pelo que a conceção pode evitar os materiais de terras raras habitualmente utilizados em PMSM de elevada densidade de potência. Isto altera a exposição aos preços dos ímanes e às cadeias de processamento, embora o motor completo continue a utilizar quantidades substanciais de cobre e aço elétrico.
O fluxo controlável é útil numa ampla gama de velocidades. Quando um eixo não produz binário, a corrente de campo pode ser reduzida ou eliminada, limitando as perdas de origem magnética. Em caso de falha, o sistema de controlo também pode eliminar a excitação do rotor, embora a energia magnética armazenada e a tensão induzida tenham ainda de ser geridas em segurança.
A arquitetura pode proporcionar elevada potência e funcionamento estável a alta velocidade. A sua vantagem não é uma «eficiência gratuita»: a energia utilizada para excitar o rotor entra no cálculo das perdas.
Os custos técnicos
A excitação do rotor produz perdas de cobre I²R numa peça rotativa. Esse calor tem de atravessar o rotor, o veio, o entreferro ou um canal interno de líquido de arrefecimento, e a alimentação de excitação consome potência que um íman permanente não requer.
As escovas e os anéis coletores introduzem superfícies de desgaste, gestão de partículas, resistência de contacto e outro modo de falha potencial. Os sistemas automóveis são concebidos como conjuntos selados de longa duração, e não como anéis coletores industriais sujeitos a manutenção regular, pelo que não se pode assumir um plano de manutenção genérico. A durabilidade depende do material das escovas, da densidade de corrente, da velocidade do veio, da vedação, do arrefecimento, da vibração e do objetivo de projeto do fabricante.
A excitação sem escovas elimina o contacto elétrico deslizante, mas acrescenta um transformador rotativo, um acoplador capacitivo ou outro hardware de alimentação do campo, além de retificação e controlo. Desloca o compromisso em vez de o eliminar.
A densidade de potência e o custo também dependem do conjunto de excitação, do espaço para o enrolamento do rotor, do arrefecimento e da capacidade nominal do inversor. Um EESM bem concebido pode competir fortemente com propulsões de ímanes permanentes e de indução, mas nenhuma topologia vence em todos os pontos de funcionamento.
Exemplos de produção
O eDrive de quinta geração da BMW utiliza motores síncronos excitados por corrente em veículos como os i4, i5, i7 e iX. A BMW afirma que o campo do rotor é produzido eletricamente, permitindo excluir materiais magnéticos de terras raras destes motores.
A Renault também identifica a sua tecnologia de rotor EESM como uma via sem ímanes e desenvolveu-a para várias cadeias de tração elétricas. Não se deve assumir que as implementações dos dois fabricantes sejam idênticas: Enrolamentos, conjunto de escovas, arrefecimento, controlo, tensão e integração continuam a ser escolhas de projeto proprietárias.
Ao comparar veículos com EESM, os dados úteis incluem potência de pico e contínua, velocidade máxima, mapa de eficiência combinado do motor e inversor, método de excitação, arrefecimento e se a eficiência anunciada inclui a potência do campo do rotor.
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