Motores síncronos de ímanes permanentes
Um motor síncrono de ímanes permanentes (PMSM) mantém um campo magnético persistente no rotor e acompanha o campo rotativo do estator à velocidade síncrona. Num veículo elétrico, esta arquitetura pode proporcionar elevada densidade de binário e uma ampla zona de alta eficiência, mas os pormenores importam mais do que a sigla.
Como um PMSM gera binário
O inversor fornece corrente trifásica controlada ao estator. O campo magnético resultante gira em torno do entreferro e arrasta consigo o campo magnético do rotor. Em funcionamento síncrono normal, o rotor e o campo do estator completam o mesmo número de revoluções magnéticas por unidade de tempo; não existe o escorregamento de um motor de indução.
Os ímanes podem ser montados perto da superfície do rotor ou embutidos nas suas laminações:
- Um motor de ímanes permanentes superficiais tem uma geometria magnética relativamente simples e baixa saliência do rotor. Reter os ímanes perante a força centrífuga a alta velocidade é uma tarefa mecânica central.
- Um motor de ímanes permanentes interiores coloca os ímanes atrás de pontes de aço ou em barreiras de fluxo moldadas. Isto protege os ímanes e cria relutâncias magnéticas diferentes ao longo dos eixos direto e em quadratura do rotor.
Esta diferença direcional permite que uma máquina com ímanes interiores gere binário de relutância além de binário magnético. Muitos motores automóveis descritos como IPMSM, máquinas síncronas de relutância assistidas por ímanes permanentes ou máquinas síncronas de relutância com ímanes permanentes ocupam áreas de engenharia sobrepostas. A designação, por si só, não revela quanto binário provém de cada mecanismo.
Controlo da corrente, velocidade de base e enfraquecimento de campo
A posição do rotor tem de ser conhecida ou estimada para que o inversor possa colocar o campo do estator no ângulo que produz o binário pedido. Os sistemas de produção utilizam habitualmente um resolver ou sensor de posição, muitas vezes apoiado por estimativa baseada em modelos.
O controlo orientado ao campo representa a corrente do estator em dois eixos rotativos. As componentes que geram binário e as que alteram o fluxo podem assim ser controladas separadamente. Abaixo da velocidade de base, o controlador procura normalmente um binário elevado por ampere, respeitando simultaneamente os limites de corrente, tensão, temperatura e desmagnetização.
A velocidades mais elevadas, os ímanes do rotor geram uma força contraeletromotriz crescente. Quando a tensão disponível do barramento CC se torna a limitação, o inversor aplica uma componente de corrente que se opõe a parte do fluxo magnético. Este enfraquecimento de campo aumenta a gama de velocidade, mas utiliza capacidade de corrente e acrescenta perdas. A saliência de um rotor com ímanes interiores pode ajudar a criar uma gama útil de velocidade a potência constante.
Durante a travagem regenerativa, a corrente comandada produz binário negativo no veio, e o inversor devolve potência elétrica à bateria dentro dos limites da aderência e da bateria.
Porque os PMSM são eficientes e compactos
O campo do rotor não necessita de excitação elétrica contínua, pelo que não existe perda numa gaiola de indução nem perda de excitação de um rotor bobinado em funcionamento normal. Ímanes fortes e um circuito magnético otimizado podem fornecer elevado fluxo no entreferro a partir de um rotor compacto. Estas propriedades favorecem alta densidade de binário e de potência.
A eficiência continua a ser um mapa de funcionamento, e não uma característica fixa do motor. As perdas de cobre no estator dominam muitos pontos de binário elevado; as perdas no ferro, por correntes de Foucault nos ímanes, por ventilação, nos rolamentos, no inversor e nas engrenagens tornam-se importantes noutros pontos. A velocidade muito elevada, a corrente de enfraquecimento de campo pode alterar significativamente o resultado do sistema.
Ímanes, temperatura e fornecimento de materiais
Os motores de tração de alto desempenho utilizam frequentemente ímanes de neodímio-ferro-boro devido à sua força magnética. Disprósio, térbio ou outros aditivos podem ser utilizados seletivamente para conservar a coercividade a alta temperatura. Os ímanes de samário-cobalto e ferrite são alternativas para determinados objetivos de temperatura, custo ou cadeia de fornecimento, mas cada opção altera os compromissos de tamanho, circuito magnético e controlo.
Os ímanes têm limites térmicos. Uma temperatura excessiva do rotor ou um campo magnético adverso podem causar desmagnetização parcial e irreversível. Os engenheiros gerem esse risco através da qualidade e segmentação dos ímanes, da geometria do rotor, dos limites de corrente e do arrefecimento. A extração de terras raras, a concentração do processamento, a volatilidade dos preços e o fabrico de ímanes também influenciam a escolha da arquitetura.
A afirmação «os PMSM necessitam de terras raras» é, portanto, demasiado abrangente: os ímanes permanentes não têm de conter elementos de terras raras. É mais correto dizer que muitos PMSM automóveis de elevada densidade de potência utilizam atualmente ímanes de terras raras.
Enrolamentos e fabrico
O estator pode utilizar fios multifilares ou condutores retangulares moldados. Os enrolamentos hairpin podem aumentar o enchimento de cobre das ranhuras, melhorar a repetibilidade do fabrico e criar contacto térmico direto, mas os condutores maiores podem sofrer perdas CA adicionais a alta frequência elétrica. O passo do enrolamento, o número de ranhuras e polos, o comprimento das cabeças dos enrolamentos, o isolamento, as uniões e o arrefecimento são concebidos em conjunto com o rotor e o inversor.
A colocação dos ímanes é igualmente exigente. As pontes do rotor têm de suportar a velocidade máxima enquanto limitam as fugas magnéticas. A segmentação dos ímanes pode reduzir as perdas por correntes de Foucault, e podem ser necessárias mangas ou outras estruturas de retenção nos projetos de alta velocidade.
Roda livre e eixos secundários
Um rotor de ímanes permanentes em rotação continua a criar fluxo magnético. Por isso, produz força contraeletromotriz e perdas no núcleo ou nos ímanes mesmo quando o binário comandado é zero. A força contraeletromotriz, por si só, não implica grande binário de travagem se a corrente de fase for impedida, mas a unidade de propulsão inativa continua a ter perdas nos rolamentos, vedantes, engrenagens, óleo e componentes eletromagnéticos.
Os fabricantes gerem estas perdas através do controlo do inversor, de um motor de baixas perdas, de uma embraiagem de desacoplamento ou de um tipo de motor diferente no eixo secundário. A melhor solução depende do custo, do tempo de resposta, da integração e da frequência com que a tração integral é necessária.
O que a designação não revela
«PMSM» não especifica ímanes superficiais ou interiores, composição dos ímanes, número de polos, tipo de enrolamento, arrefecimento, velocidade máxima, gama de enfraquecimento de campo, duração de pico ou mapa de eficiência. Estas opções de projeto determinam o comportamento do motor num veículo.
O Porsche Taycan mostra uma abordagem de produção: motores síncronos de ímanes permanentes, enrolamentos hairpin no estator, arrefecimento líquido e controlo por inversor são integrados com transmissões específicas para cada eixo. Outros veículos elétricos utilizam disposições diferentes dos ímanes, métodos de enrolamento distintos ou sistemas de tração integral com tipos de motor mistos. A topologia do motor deve ser entendida como parte do projeto completo da unidade de propulsão.
Para uma explicação pormenorizada do fabricante sobre a construção compacta de um PMSM, o vídeo técnico existente da Lucid continua a ser útil:
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