Motores de indução (assíncronos) em veículos elétricos
Um motor de indução — também designado motor assíncrono — cria o magnetismo do rotor sem ímanes permanentes nem uma alimentação elétrica separada para o rotor. O seu rotor simples em gaiola de esquilo, o campo controlável e a capacidade para velocidades elevadas tornam-no uma opção robusta para a tração elétrica.
Como a indução gera binário
O inversor alimenta os três enrolamentos de fase do estator com correntes desfasadas no tempo. Em conjunto, essas correntes criam um campo magnético que gira em torno 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 rotativo do estator corta essas barras e nelas induz corrente. Essa corrente cria um campo magnético no rotor, e a interação entre os dois campos gera binário.
Para ocorrer indução, o rotor tem de girar a uma velocidade diferente da do campo do estator. Esta diferença chama-se escorregamento. Em funcionamento como motor, o rotor fica normalmente atrás do campo rotativo; em funcionamento como gerador, incluindo a travagem regenerativa, a relação controlada inverte-se para converter potência mecânica em potência elétrica.
O escorregamento é uma característica, não uma falha
O escorregamento é frequentemente expresso como percentagem da velocidade síncrona. Varia com a necessidade de binário e não é o mesmo que a patinagem das rodas. A baixa carga, o escorregamento eletromagnético necessário pode ser reduzido. Um binário superior exige geralmente mais corrente no rotor e uma diferença de velocidade controlada maior.
O inversor faz muito mais do que aplicar uma alimentação CA fixa. O controlo vetorial estima ou mede o fluxo do rotor e separa os comandos de corrente que estabelecem o fluxo daqueles que criam binário. Ao variar continuamente a corrente de fase e a frequência, o controlador pode produzir binário suave desde a imobilidade até à região de enfraquecimento de campo.
O funcionamento trifásico cria um campo rotativo suave, mas não elimina a necessidade de engrenagens redutoras. A maioria das unidades de propulsão de veículos elétricos com motor de indução continua a reduzir a elevada velocidade do veio do motor antes de enviar binário para as rodas.
Construção do rotor e calor
Os motores de indução dos automóveis elétricos utilizam normalmente um rotor em gaiola de esquilo porque este não possui escovas, anéis coletores, ímanes nem enrolamentos isolados no rotor. Existem máquinas de indução com rotor bobinado, mas não são a arquitetura habitual de uma unidade de tração moderna para automóveis elétricos e não devem ser confundidas com um motor síncrono de excitação elétrica.
A ausência de ímanes no rotor simplifica o fornecimento de materiais, mas a indução não significa magnetização sem perdas. A corrente do estator tem de estabelecer o campo no entreferro e transferir potência para o rotor. A resistência elétrica da gaiola transforma em calor parte da corrente induzida no rotor. A carga elevada, remover esse calor de um componente rotativo pode ser um dos principais desafios térmicos da unidade de propulsão.
Vantagens num veículo elétrico
Um rotor de indução é mecanicamente simples e pode suportar velocidades de rotação elevadas quando a gaiola, as laminações, o veio e os rolamentos são concebidos para as tensões resultantes. Não existe risco de desmagnetização de ímanes permanentes e o rotor não contém ímanes de terras raras.
O inversor pode reduzir o fluxo da máquina quando é necessário pouco binário. Quando um motor de indução de um eixo secundário é desenergizado, pode girar com baixo arrasto eletromagnético porque não possui um campo rotórico permanente. As perdas nos rolamentos, vedantes e engrenagens, por agitação do óleo e as perdas eletromagnéticas residuais mantêm-se; por isso, «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 arrefecimento têm margem suficiente. Isto é útil em acelerações curtas, mas é a temperatura — e 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 funcionamento, reduzir a eficiência do sistema e o fator de potência relativamente a uma propulsão de ímanes permanentes bem otimizada. Também aumentam a corrente do inversor para uma determinada potência no veio.
Estas comparações dependem do mapa. Um motor de indução não é inerentemente ineficiente a alta velocidade, e um motor de ímanes permanentes não é automaticamente superior em todos os pontos. O projeto do rotor, o aço elétrico, o entreferro, o arrefecimento, a estratégia de comutação, a relação de transmissão e o ciclo de utilização do veículo determinam o resultado.
O controlo preciso também depende da estimativa da temperatura e dos parâmetros do rotor, porque a resistência da gaiola se altera à medida que o rotor aquece. O controlador tem de manter fluxo e binário estáveis sem acesso elétrico direto ao rotor.
Como os fabricantes utilizam motores de indução
Um motor de indução pode ser o motor de tração principal ou um motor de reforço num segundo eixo. O sistema de propulsão PPE da Audi é um exemplo claro de combinação de motores: um motor síncrono de ímanes permanentes assegura a tração principal do eixo traseiro, enquanto um motor de indução dianteiro é energizado quando são necessárias prestações ou aderência adicionais. Quando está inativo, o motor dianteiro pode rodar com baixo arrasto.
Esta configuração é uma escolha de sistema, não uma regra universal. A eficiência real do veículo depende da frequência com que cada eixo funciona, da existência de uma embraiagem, das perdas nas engrenagens e nos pneus e da forma como o software de controlo seleciona os pontos de funcionamento.
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