Motores elétricos e unidades de propulsão

O motor de tração de um veículo elétrico faz parte de um sistema fortemente integrado no qual a bateria, o inversor, o motor, o circuito de arrefecimento, as engrenagens redutoras, o diferencial, os pneus e o software de controlo determinam em conjunto a eficiência com que a energia elétrica se transforma em movimento.

Este artigo central separa três questões que são frequentemente confundidas: como as diferentes famílias de motores geram binário, como uma unidade de propulsão é construída e controlada e como o veículo completo utiliza e mede esse hardware.

O percurso da energia da bateria até à estrada

A bateria de alta tensão fornece corrente contínua. Um Traction inverters de tração comuta essa CC para produzir corrente multifásica controlada — normalmente CA trifásica — cuja amplitude, frequência e fase determinam o binário e a velocidade do motor. O Motor control and efficiency maps traduz o pedido do condutor e os limites do veículo nos comandos de corrente seguidos pelo inversor.

No interior do motor, a corrente nos enrolamentos estacionários cria um campo magnético rotativo. O rotor acompanha ou interage com esse campo e faz rodar o veio de saída. As opções relativas ao estator, rotor, enrolamentos, laminações, isolamento, entreferro, rolamentos e tolerâncias de fabrico são abordadas em EV motor construction and windings.

Uma relação de redução fixa troca normalmente velocidade do motor por binário nas rodas. O diferencial permite que as rodas motrizes rodem a velocidades diferentes numa curva. Numa Integrated electric drive units moderna, o motor, o inversor, as engrenagens redutoras, o diferencial, a lubrificação e os canais de arrefecimento podem partilhar uma única carcaça compacta.

Como um motor de tração CA gera binário

A maioria dos motores de tração dos veículos elétricos tem duas partes eletromagnéticas principais: um estator que permanece imóvel e um rotor que gira do outro lado de um entreferro estreito. As três fases do estator são energizadas em sequência, produzindo um campo magnético que gira em torno do entreferro.

A família do motor é definida principalmente pela forma como o rotor obtém o seu campo magnético e pelo modo como esse campo se move relativamente ao campo do estator:

Um motor síncrono de ímanes permanentes tem ímanes no interior ou à superfície do rotor.
Um motor síncrono de excitação elétrica cria o campo do rotor através de um enrolamento alimentado por CC.
Um motor de indução induz corrente numa gaiola condutora do rotor; o rotor tem de rodar a uma velocidade diferente da do campo do estator para gerar binário.
Um motor de relutância gera binário porque o rotor se magnetiza mais facilmente em certas direções do que noutras.

«Síncrono» descreve a velocidade do rotor relativamente ao campo rotativo do estator. Não significa que o rotor e o estator estejam ligados mecanicamente. Os rolamentos suportam o rotor, enquanto o entreferro mantém as partes eletromagnéticas fisicamente separadas.

Binário, velocidade e potência

O binário é a força de torção aplicada ao veio. A potência é a taxa à qual o motor realiza trabalho:

potência = binário × velocidade de rotação

Esta relação explica a curva de binário característica de um veículo elétrico. Desde a imobilidade até à velocidade de base do motor, o inversor consegue normalmente fornecer corrente suficiente para uma ampla região de binário constante. Acima da velocidade de base, a tensão e a força contraeletromotriz tornam-se as principais limitações. O controlador enfraquece o campo magnético efetivo para que o motor possa rodar mais depressa, enquanto o binário disponível diminui. A potência pode manter-se aproximadamente constante durante parte desta região de velocidade mais elevada.

A curva exata é limitada pela potência da bateria, pela tensão e corrente do inversor, pela temperatura do motor, pela velocidade do rotor e pelos limites mecânicos. Uma potência de pico anunciada pode estar disponível apenas durante alguns segundos. A potência contínua é a potência que a unidade de propulsão completa consegue manter em condições definidas de arrefecimento e ambiente. EV motor testing and ratings explica por que motivo o limite de medição e a duração do ensaio têm de acompanhar um valor de potência.

Durante a travagem regenerativa, a mesma máquina funciona como gerador. O binário das rodas aciona o rotor, o inversor controla a corrente do gerador e a energia elétrica regressa à bateria quando a temperatura e o estado de carga da bateria, a aderência e os limites do sistema o permitem.

As principais famílias de motores nos veículos elétricos

Os Permanent-magnet synchronous motors são comuns porque podem combinar elevada densidade de potência com alta eficiência numa parte útil do mapa de funcionamento. Os projetos com ímanes interiores podem produzir tanto binário de ímanes permanentes como binário de relutância. O seu fluxo fixo no rotor também cria desafios de projeto relacionados com o enfraquecimento de campo, a tensão em caso de falha, o fornecimento de materiais e a gestão térmica.

Os Induction (asynchronous) motors não possuem ímanes no rotor nem contactos elétricos. O seu campo rotórico só existe quando a excitação do estator induz corrente na gaiola. São mecanicamente robustos e podem apresentar baixo arrasto eletromagnético quando desenergizados, o que os torna úteis tanto como motores de tração principais como em eixos secundários. Contudo, a corrente do rotor acrescenta calor e perdas.

Os Electrically excited synchronous motors substituem os ímanes permanentes por um eletroíman controlável no rotor. Aumentar ou reduzir a corrente de campo dá aos engenheiros outra variável de controlo, incluindo o enfraquecimento eficiente do campo a alta velocidade. O custo é um sistema de excitação, perdas de cobre no rotor e — quando são utilizadas escovas e anéis coletores — requisitos mecânicos e de durabilidade adicionais.

Os Reluctance motors incluem máquinas síncronas de relutância sem ímanes e máquinas de relutância comutada, bem como projetos assistidos por ímanes permanentes. Exploram diferenças direcionais na relutância magnética do rotor. São possíveis rotores simples sem ímanes, mas a densidade de binário, as exigências do inversor, a ondulação do binário, a acústica e o controlo têm de ser avaliados para o sistema completo.

Os Axial-flux permanent-magnet motors descrevem uma geometria magnética diferente, e não uma fonte separada de excitação do rotor. A maioria dos motores automóveis de fluxo axial são máquinas síncronas de ímanes permanentes cujo fluxo principal atravessa o entreferro paralelamente ao veio. O seu grande raio ativo e a curta dimensão axial podem proporcionar elevada densidade de binário, mas o arrefecimento, o controlo do entreferro, as forças axiais e a produção em massa são exigentes.

Porque nenhum tipo de motor é simplesmente o melhor

Um motor não tem um único valor de eficiência. Tem um mapa de eficiência que abrange velocidade e binário, e um veículo percorre zonas diferentes desse mapa durante a condução urbana, em autoestrada, em subidas, ao rebocar e em acelerações fortes. O inversor e a caixa redutora têm os seus próprios mapas, pelo que os engenheiros otimizam a unidade de propulsão completa para o ciclo de utilização previsto.

As principais perdas também variam com o ponto de funcionamento:

a resistência dos enrolamentos cria perdas de cobre que aumentam acentuadamente com a corrente;
os campos magnéticos variáveis criam perdas por histerese e por correntes de Foucault no aço elétrico e noutros componentes condutores;
os rotores de indução e de excitação elétrica acrescentam perdas de cobre no rotor;
o inversor apresenta perdas de condução e de comutação;
os rolamentos, vedantes, engrenagens, bombas de óleo e a agitação do óleo criam perdas mecânicas.

Assim, a seleção do motor equilibra a eficiência na zona útil do mapa, a densidade de potência e de binário, o custo e o fornecimento de materiais, a capacidade nominal do inversor, as necessidades de arrefecimento, a velocidade máxima, a acústica, a controlabilidade, o rendimento de fabrico, a durabilidade e a facilidade de manutenção. Um motor ligeiramente menos eficiente no seu melhor ponto pode resultar num veículo mais eficiente se a sua zona útil de alta eficiência corresponder melhor à carga de condução do veículo.

Um motor ou vários

Um único motor pode acionar o eixo dianteiro ou traseiro através de um diferencial. Dois motores fornecem normalmente binário controlado de forma independente nos eixos dianteiro e traseiro, permitindo tração integral sem um veio de transmissão mecânico. Os fabricantes podem utilizar o mesmo tipo de motor nos dois eixos ou combinar tipos para tirar partido de diferentes características de eficiência e rotação livre.

Os sistemas de três motores colocam normalmente um motor num eixo e dois motores controlados de forma independente no outro. Os sistemas de quatro motores podem utilizar um motor por roda ou dois motores por eixo ligados através de trens de engrenagens separados. Os motores independentes criam a possibilidade física de vetorização rápida do binário, mas a capacidade real depende dos sensores, da capacidade do inversor, da aderência dos pneus, dos limites térmicos, das relações de transmissão e do software de controlo.

Os motores adicionais não oferecem desempenho gratuito. Acrescentam massa, custo, cargas de arrefecimento, inversores, cabos, rolamentos e perdas parasitas. As embraiagens de desacoplamento e os motores de indução desenergizados podem reduzir a penalização em andamento de um eixo secundário. Multi-motor EV architectures analisa em pormenor as arquiteturas de um, dois, três e quatro motores.

Como interpretar as especificações dos motores elétricos

Os dados úteis de um motor devem responder a mais do que «quantos quilowatts?». Verifique se um valor é de pico ou contínuo, se se aplica a um motor, a um eixo ou ao veículo completo, e se o binário indicado é medido no veio do motor ou nas rodas após a redução.

Os dados de engenharia mais informativos incluem:

topologia e localização do motor;
potência de pico e contínua nas condições indicadas;
binário máximo e velocidade máxima do motor;
tensão do barramento CC, corrente do inversor e tipo de semicondutor;
relação de transmissão e eficiência da cadeia cinemática;
mapas de eficiência do motor e do inversor em tração e regeneração;
método de arrefecimento e limites térmicos;
possibilidade de desenergizar ou desacoplar os motores secundários;
o limite de medição, as temperaturas e o procedimento de ensaio.

Estes pormenores explicam por que razão dois veículos com potência de pico semelhante podem diferir no consumo em autoestrada, nas acelerações repetidas, na capacidade de reboque, no ruído e na capacidade sustentada a alta velocidade.

Leia a série por ordem

Comece pelas famílias de motores:

Depois, siga a cadeia de hardware e de controlo de energia:

Termine com a arquitetura do veículo e os dados de engenharia:

Os separadores de navegação seguem a mesma ordem.