Motores de relutância em veículos elétricos
Os motores de relutância produzem binário ao puxarem um rotor magneticamente assimétrico para a posição em que o fluxo magnético consegue seguir o percurso mais fácil. O princípio surge em várias famílias distintas, incluindo máquinas de relutância síncrona e relutância comutada sem ímanes, bem como projetos assistidos por ímanes permanentes.
A relutância é uma propriedade magnética
A relutância magnética é a oposição que um circuito magnético oferece ao fluxo magnético. Um percurso através de aço elétrico de elevada permeabilidade tem menor relutância do que um percurso através do ar ou de uma barreira de fluxo. Se a forma do rotor fizer variar as suas propriedades magnéticas conforme a direção, o campo energizado do estator cria um binário que tende a alinhar com ele o eixo de baixa relutância do rotor.
Os engenheiros de controlo do motor descrevem o rotor através de dois eixos magnéticos perpendiculares. O eixo direto, d, e o eixo em quadratura, q, têm indutâncias diferentes num rotor saliente. Essa diferença permite que a corrente do estator produza binário de relutância. O rotor não precisa de ímanes permanentes para este efeito, embora possam ser adicionados para combinar binário magnético e de relutância.
Por isso, a relutância não se limita a uma designação de produto. É um mecanismo de produção de binário que também contribui substancialmente em muitos permanent-magnet synchronous motors de ímanes interiores.
Motores de relutância síncrona
Um motor de relutância síncrona, frequentemente abreviado SynRM, usa um rotor de aço laminado com barreiras de fluxo ou outra geometria que cria forte saliência magnética. O inversor alimenta um campo rotativo no estator e o rotor acompanha-o à velocidade síncrona.
O rotor pode dispensar ímanes, enrolamentos, anéis coletores e condutores de gaiola de esquilo. Isto pode reduzir o custo dos materiais e o calor do rotor, permitindo simultaneamente elevada velocidade de rotação. Sem fluxo de ímanes permanentes, o motor desenergizado também não cria a mesma força contraeletromotriz que uma máquina de ímanes permanentes.
A contrapartida é que o binário depende da diferença possível entre as indutâncias dos eixos d e q. As barreiras de fluxo aumentam essa diferença, mas retiram aço ao rotor, complicam o projeto mecânico e podem limitar a densidade de binário. O fator de potência e a corrente exigida ao inversor também podem ser menos favoráveis do que numa máquina de ímanes permanentes bem projetada.
Relutância síncrona assistida por ímanes permanentes
Um motor de relutância síncrona assistido por ímanes permanentes acrescenta uma quantidade relativamente pequena de material magnético num rotor saliente. Os ímanes contribuem para o binário, melhoram o fator de potência e podem alargar a zona eficiente, enquanto a geometria do rotor continua a fornecer uma grande componente de binário de relutância.
Não existe uma fronteira física nítida entre esta família e um motor síncrono de ímanes permanentes interiores. Fabricantes e investigadores podem descrever rotores semelhantes de forma diferente, consoante pretendam salientar a contribuição dos ímanes, a da relutância ou a menor utilização de terras raras. As questões relevantes são quanto binário provém de cada mecanismo, quanto material magnético existe e como o motor completo funciona no seu mapa de velocidade e binário.
Motores de relutância comutada
Um motor de relutância comutada, ou SRM, tem polos salientes no estator e no rotor. O rotor é normalmente um conjunto de lâminas de aço elétrico sem enrolamentos nem ímanes. Bobinas concentradas do estator são energizadas em sequência para puxar cada polo do rotor para uma posição alinhada; a corrente de fase deve depois ser reduzida antes do alinhamento se a sua continuação criar binário de travagem.
Este princípio difere do campo rotativo aproximadamente sinusoidal utilizado pela maioria dos motores de tração trifásicos. Um SRM convencional utiliza normalmente um conversor assimétrico capaz de energizar e desmagnetizar cada fase de forma independente. A informação da posição do rotor e um controlo de corrente temporizado com precisão são essenciais para uma motorização e regeneração eficientes.
O rotor simples de um SRM tolera calor e alta velocidade, e as fases eletricamente separadas podem proporcionar tolerância a falhas. Os principais desafios são a ondulação do binário, a variação das forças radiais, o ruído acústico, a saturação magnética não linear e um conversor cujos requisitos de tensão e corrente devem ser considerados em conjunto com o motor. Um rotor simples não torna automaticamente simples todo o acionamento.
Ondulação do binário e comportamento acústico
O binário de relutância varia à medida que os polos do rotor e do estator entram e saem do alinhamento. Se os binários das fases não forem combinados suavemente, o veio sofre pulsações. As forças magnéticas radiais variáveis também podem excitar ressonâncias no estator, na carcaça e nos apoios, criando ruído tonal mesmo quando o binário médio no veio é estável.
Os engenheiros tratam estes efeitos em conjunto:
- as formas dos polos do rotor e do estator alteram as ondas de binário e de força radial;
- a inclinação, a segmentação e a escolha do arco polar distribuem os harmónicos de força;
- o perfil de corrente e a condução sobreposta das fases suavizam o binário total;
- a estratégia de comutação desloca ou reduz componentes espectrais incómodos;
- a rigidez e o isolamento da carcaça impedem que as forças eletromagnéticas se transformem em ruído no habitáculo.
Reduzir um sintoma pode agravar outro. Uma maior sobreposição de fases pode suavizar o binário mas aumentar as perdas no cobre, enquanto uma geometria que reduza a vibração pode afetar a densidade de binário ou o dimensionamento do inversor. O melhor resultado decorre da otimização conjunta do eletromagnetismo, conversor, controlo, estrutura e arrefecimento.
O lugar das máquinas de relutância nos veículos elétricos
As máquinas de relutância são atrativas quando o fornecimento de ímanes, a temperatura do rotor, a resistência a alta velocidade ou a tolerância a falhas têm especial importância. Os projetos sem ímanes também evitam o arrasto dos ímanes permanentes e a tensão em circuito aberto, embora permaneçam as perdas em rolamentos, vedantes, engrenagens e óleo numa unidade de propulsão completa.
Não são sempre mais sustentáveis nem mais baratas. Mais aço elétrico, cobre, capacidade de semicondutores, tratamento acústico ou complexidade de fabrico podem compensar a poupança em ímanes. Uma comparação justa deve usar o mesmo envelope de binário e velocidade, sistema de arrefecimento, tensão CC, limites do inversor, ciclo de funcionamento e volume de produção.
Para os compradores de veículos elétricos, a designação do motor, por si só, prevê pouco. Os dados úteis são o mapa de eficiência da unidade de propulsão, a potência sustentada, o comportamento acústico, a massa e o consumo de energia do veículo.
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