Motores de indução (assíncronos) em veículos elétricos
Um motor de indução — também chamado de motor assíncrono — cria o magnetismo do rotor sem ímãs permanentes nem uma alimentação elétrica separada para o rotor. Seu rotor simples em gaiola de esquilo, o campo controlável e a capacidade de trabalhar em alta rotação fazem dele uma opção robusta para a tração elétrica.
Como a indução gera torque
O inversor alimenta os três enrolamentos de fase do estator com correntes defasadas no tempo. Juntas, essas correntes criam um campo magnético que gira ao redor do entreferro. A velocidade de rotação do campo é determinada pela frequência elétrica e pelo número de polos magnéticos do motor.
O rotor habitual de um motor de tração é uma gaiola de esquilo: barras condutoras de alumínio ou cobre percorrem o aço laminado e são curto-circuitadas por anéis nas extremidades. O campo giratório do estator corta essas barras e induz corrente nelas. Essa corrente cria um campo magnético no rotor, e a interação entre os dois campos gera torque.
Para ocorrer indução, o rotor precisa girar em uma velocidade diferente da do campo do estator. Essa diferença é chamada de escorregamento. Em funcionamento como motor, o rotor normalmente fica atrás do campo giratório; em funcionamento como gerador, incluindo a frenagem regenerativa, a relação controlada se inverte para transformar potência mecânica em potência elétrica.
O escorregamento é uma característica, não uma falha
O escorregamento costuma ser expresso como porcentagem da velocidade síncrona. Ele varia conforme a demanda de torque e não é a mesma coisa que a patinagem das rodas. Em baixa carga, o escorregamento eletromagnético necessário pode ser pequeno. Um torque maior geralmente exige mais corrente no rotor e uma diferença de velocidade controlada maior.
O inversor faz muito mais do que aplicar uma alimentação CA fixa. O controle vetorial estima ou mede o fluxo do rotor e separa os comandos de corrente que estabelecem o fluxo daqueles que criam torque. Ao variar continuamente a corrente de fase e a frequência, o controlador pode produzir torque suave desde a imobilidade até a região de enfraquecimento de campo.
O funcionamento trifásico cria um campo giratório suave, mas não elimina a necessidade de engrenagens redutoras. A maioria das unidades de propulsão de veículos elétricos com motor de indução ainda reduz a alta rotação do eixo do motor antes de enviar torque às rodas.
Construção do rotor e calor
Os motores de indução dos carros elétricos normalmente usam um rotor em gaiola de esquilo porque ele não possui escovas, anéis coletores, ímãs nem enrolamentos isolados no rotor. Existem máquinas de indução com rotor bobinado, mas elas não são a arquitetura normal de uma unidade de tração moderna para carros elétricos e não devem ser confundidas com um motor síncrono de excitação elétrica.
A ausência de ímãs no rotor simplifica o fornecimento de materiais, mas a indução não significa magnetização sem perdas. A corrente do estator precisa estabelecer o campo no entreferro e transferir potência ao rotor. A resistência elétrica da gaiola transforma em calor parte da corrente induzida no rotor. Em alta carga, remover esse calor de um componente giratório pode ser um dos principais desafios térmicos da unidade de propulsão.
Vantagens em um veículo elétrico
Um rotor de indução é mecanicamente simples e pode suportar altas rotações quando a gaiola, as laminações, o eixo e os rolamentos são projetados para as tensões resultantes. Não existe risco de desmagnetização de ímãs permanentes e o rotor não contém ímãs de terras raras.
O inversor pode reduzir o fluxo da máquina quando pouco torque é necessário. Quando um motor de indução de um eixo secundário é desenergizado, ele pode girar com baixo arrasto eletromagnético porque não possui um campo rotórico permanente. As perdas nos rolamentos, retentores e engrenagens, pela agitação do óleo e as perdas eletromagnéticas residuais continuam presentes; portanto, “sem arrasto” não deve ser interpretado literalmente.
Os motores de indução também podem suportar sobrecargas breves quando o inversor, a bateria e o sistema de resfriamento têm margem suficiente. Isso é útil em acelerações curtas, mas é a temperatura — não a palavra “indução” — que define o limite repetível.
Limites e compromissos de projeto
As perdas de cobre no rotor e a corrente de magnetização fornecida pelo estator podem, em alguns pontos de operação, reduzir a eficiência do sistema e o fator de potência em relação a uma propulsão de ímãs permanentes bem otimizada. Elas também aumentam a corrente do inversor para uma determinada potência no eixo.
Essas comparações dependem do mapa. Um motor de indução não é inerentemente ineficiente em alta rotação, e um motor de ímãs permanentes não é automaticamente superior em todos os pontos. O projeto do rotor, o aço elétrico, o entreferro, o resfriamento, a estratégia de chaveamento, a relação de transmissão e o ciclo de uso do veículo determinam o resultado.
O controle preciso também depende da estimativa da temperatura e dos parâmetros do rotor, porque a resistência da gaiola muda à medida que o rotor aquece. O controlador precisa manter fluxo e torque estáveis sem acesso elétrico direto ao rotor.
Como os fabricantes usam motores de indução
Um motor de indução pode ser o motor de tração principal ou um motor de reforço em um segundo eixo. O sistema de propulsão PPE da Audi é um exemplo claro de combinação de motores: um motor síncrono de ímãs permanentes fornece a tração principal do eixo traseiro, enquanto um motor de indução dianteiro é energizado quando se precisa de desempenho ou aderência adicionais. Quando inativo, o motor dianteiro pode girar com baixo arrasto.
Essa configuração é uma escolha de sistema, não uma regra universal. A eficiência real do veículo depende da frequência com que cada eixo funciona, da presença de uma embreagem, das perdas nas engrenagens e nos pneus e da maneira como o software de controle seleciona os pontos de operação.
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