Motores elétricos: um breve comparativo entre as tecnologias aplicadas em sistemas de propulsão - Observatório Sistema Fiep
Motores elétricos: um breve comparativo entre as tecnologias aplicadas em sistemas de propulsão
Valério Marochi Seguir
Conselho Setorial da Indústria Automotiva
Coautores: Marcel Cachova de Paiva e Alexandre Moura da Silveira
A construção de um motor elétrico é muito mais simples do que um motor a combustão, possuindo menos peças e também volume relativamente menor, sendo os principais componentes a carcaça e as tampas, o estator e o rotor (Figura 1). A carcaça e as suas tampas, como o próprio nome pressupõe, são a estrutura dentro da qual os componentes do motor são alojados. O estator é a peça fixa, por isso o nome, responsável por gerar parte das forças magnéticas dentro do motor. O rotor por sua vez, é a peça móvel que, apoiada sobre rolamentos, produz magnetismo e/ou reage ao magnetismo do estator. Para que o movimento de rotação ocorra, as forças magnéticas também precisam "girar" dentro do motor, arrastando ou empurrando o rotor conforme a intensidade e a frequência dos impulsos magnéticos.
Figura 1: Vista explodida de motor elétrico.
Fonte: https://www.electricmotorengineering.com/electric-motors-and-their-impact-on-mechanics/electric-motor-in-disassembled-state-3d-illustration-on-a-white/
Estas forças magnéticas girantes são produzidas por bobinas por meio da passagem de corrente elétrica e, dependendo do tipo de motor constituem o estator, o rotor ou ambos. Há aplicações que não necessitam de variação da velocidade e nem do torque produzido, para as quais acionamentos simples com contatores e interruptores já são suficientes. Porém em sistemas mais complexos, como é o caso de veículos elétricos, tanto o torque quanto a velocidade do motor precisam ser controlados, demandando dispositivos de controle, como inversores de potência.
A. Classificação dos motores
Apesar de os motores compartilharem os mesmos princípios físicos existem diversas tecnologias, que se diferenciam por: tipo de corrente utilizada, arranjo elétrico de estator e rotor, presença ou não de comutador, quantidade de fases, tipo de rotor, tipo de refrigeração, existência ou não de controle, tipo de controle e etc. A classificação mais utilizada é baseada no tipo de corrente aplicada, dividindo os motores elétricos em duas categorias principais: corrente alternada e corrente contínua, conforme o diagrama da figura 2:
Figura 2: Diagrama das famílias de motores elétricos, divididos por tecnologia.
Fonte: Adaptado de WEG (2020).
Uma vez que as correntes elétricas aplicadas são diferentes, as máquinas elétricas que nelas operam também são diferentes, tanto na construção, no funcionamento, quanto nas ligações elétricas com os dispositivos de acionamento e controle. Um exemplo destas diferenças é o fato de a maioria dos motores elétricos CC necessitarem de um dispositivo chamado de comutador, que permite "alternar" o sentido da corrente elétrica do rotor mesmo estando ligado em CC, a fim de que o campo magnético girante exista e o motor funcione. Outro exemplo de diferença entre estes tipos de motores é o método de controle de torque e rotação. Em corrente contínua é possível controlar os motores variando a tensão e/ou a corrente aplicadas sobre eles, sendo estes controles muito fáceis de serem implementados. Já em corrente alternada o controle é um pouco mais complexo, uma vez que é possível variar também a frequência da corrente elétrica, ou mesmo fazer combinações de vetores de força magnética em cada bobina do motor, método conhecido como controle por campo orientado ou FOC (do inglês Field-Oriented Control).
B. Propulsão elétrica
Uma vez consideradas as famílias e tipos de motores existentes, analisando-se a propulsão elétrica automotiva, observa-se que a aplicação exige dos motores a capacidade de operar sob condições severas como: partidas e paradas frequentes, acelerações e desacelerações rápidas e constantes, alto torque em baixas rotações, alta potência em altas rotações, ampla faixa de rotação de trabalho, alta eficiência, pequeno volume e peso, além de alta confiabilidade e, se possível, controle simplificado.
Adicionalmente, motores elétricos em geral não são compatíveis com vibrações e impactos, exposição a água e partículas, ambientes muito quentes e interferências eletromagnéticas. Para tanto faz-se necessário encontrar um ponto de equilíbrio, modificando-se a construção dos motores e também criando alocações mais adequadas aos mesmos, garantindo 3 condições mínimas: estanqueidade ou vedação, controle de temperatura e proteção contra impactos.
Por conta destes fatores, muitos tipos de motores não atendem às demandas automotivas de tração. Outro ponto a ser destacado é o fato de que, para cada aplicação e categoria veicular, os tipos de motores possíveis de serem utilizados também variam.
II. PROPULSÃO ELÉTRICA
A. Motores CC
Tanto do ponto de vista da aplicação quanto da potência, os motores CC de ímã permanente ou BLDC (do inglês, Brushless Direct Current, motor sem escovas à corrente contínua) são os menores e mais simples aplicados na propulsão elétrica. Possuem na sua construção rotores de ímãs permanentes que reagem eletromagneticamente a impulsos produzidos pelas bobinas do estator, fazendo-o girar, dispensando os coletores e escovas característicos dos motores CC (daí o nome "sem escovas"). Operam, em geral, com tensões máximas na casa dos 96 Volts, são extremamente silenciosos e fáceis de controlar, além de duráveis. São empregados nos veículos da micromobilidade (hoverboards, monociclos, patinetes, bikes e skates elétricos), motos e também veículos de pequeno porte como carrinhos de golfe e transportadores de parques e aeroportos. Apesar de serem os menos adequados à tração veicular, uma vez que o volume de levíssimos no mundo tem crescido, tornaram-se os motores elétricos mais populares. Suas limitações consistem no elevado custo, devido ao emprego dos ímãs permanentes, além de aumentar muito o tamanho e o peso para aplicações maiores. Outro limitante é o fato de que os sistemas de controle para BLDC são simples e baratos, porém são pouco eficientes, o que diminui a autonomia da bateria e do sistema de propulsão como um todo.
B. Motores CA
Conforme o porte dos veículos aumenta, a demanda por torque e potência também é maior, exigindo tensões e correntes de operação que inviabilizam o uso de motores CC. Outros dois pontos críticos são a capacidade e a eficiência dos sistemas de controle, que precisam entregar mais energia, com maior segurança e confiabilidade.
Neste sentido, são adotadas máquinas elétricas de corrente alternada, mais especificamente motores trifásicos, onde há duas famílias principais empregadas nos carros elétricos: motores síncronos e assíncronos.
Máquinas síncronas são aquelas em que o rotor gira exatamente na mesma velocidade que o campo magnético girante, independente da carga imposta.
Já os assíncronos são aqueles em que o funcionamento depende de uma diferença entre as duas velocidades, chamada de escorregamento. Os motores assíncronos são também conhecidos como motores à indução, sendo mais baratos, confiáveis e duráveis que os demais tipos, devido à não utilização de materiais caros, como é o caso dos ímãs permanentes. A desvantagem dos motores à indução é a baixa densidade energética, o que os torna um pouco melhores que os motores CC, mas ainda assim de grande porte. A implementação do controle também é simples, porém ainda com baixa eficiência.
Figura 3: Motor trifásico em CA aplicado nos sistemas de propulsão Tesla.
Fonte:http://www.twinkletoesengineering.info/hybrid_car.htm
C. Motores assíncronos
Os motores de indução assíncronos são caracterizados por utilizarem um campo magnético que rotaciona em uma velocidade diferente do rotor. Em detalhes, o campo magnético resultante produzido pelas bobinas situadas no estator rotaciona de forma proporcional a frequência do sinal elétrico alternado (equilibrado) que as alimenta. Este campo girante define então a velocidade síncrona (a mesma que é utilizada em motores síncronos). Nos motores assíncronos, porém, o torque é proporcional à diferença de velocidade de rotação dos campos magnéticos resultantes do rotor e do estator. Sendo assim, quando os campos do rotor e do estator estão em sincronia, o torque resultante torna-se zero, retirando o motor deste estado. Como a velocidade rotacional do campo magnético do rotor é proporcional a própria velocidade do rotor, denomina-se então esta diferença entre velocidade síncrona e a velocidade do rotor como escorregamento. A existência de um escorregamento diferente de zero em regime permanente é o principal ponto que difere um motor síncrono de um motor assíncrono.
Em características construtivas, os motores assíncronos são comumente baseados em 2 princípios: rotores bobinados ou rotores de gaiola de esquilo. Os rotores bobinados são restritos a construções específicas e aplicações especializadas, e utiliza uma estrutura de bobinas no rotor semelhante ao estator, com escovas para conexão elétrica. Os rotores de gaiola de esquilo utilizam barras condutoras apoiadas em ranhuras no rotor, curto-circuitadas nas extremidades. Pela simplicidade de construção e menor número de componentes (entre ouras razões), os motores assíncronos com rotor gaiola de esquilo são amplamente utilizados, cobrindo diversas aplicações, potências e tamanhos.
Apesar de em uma forma mais complexa, os motores assíncronos também são capazes transformar energia mecânica em energia elétrica. Este processo se dá quando a velocidade do rotor é maior que a velocidade síncrona. Além disso, quando o sentido de rotação do campo do estator e o sentido de rotação do rotor divergem, observa-se a frenagem do rotor pelo estator. Estes estados podem ser vistos no gráfico da Figura 4:
Figura 4: Curva de conjugado versus escorregamento de uma máquina de indução, mostrando as regiões de frenagem e de funcionamento como motor e gerador.
Fonte: UMANS (2014).
D. Motores síncronos
Os motores CA síncronos podem ser divididos em 4 categorias, conforme a figura 2, e todas elas são encontradas em veículos elétricos. Uma das mais empregadas é a dos motores síncronos de ímã permanente ou PMSM (do inglês Permanent-magnet Synchronous Motor), parecidíssimos com os BLDC, porém alimentados e controlados com CA trifásica, podendo-se citar como exemplos de aplicação o VW ID.3, o BMW i3, o BYD e6 e o Nissan Leaf. São compactos e de fácil controle, porém possuem baixa potência relativa e custo moderado. Outra variação de síncronos largamente empregada são os motores de relutância chaveada ou SRM (do inglês, Switched Reluctance Motor), sendo encontrados no Renault Zoe, Fluence e no Smart EQ ForTwo. Comparados com a categoria anterior, são mais baratos e com excelentes torque e potência, porém demandam alta complexidade no controle e são mais sensíveis ao ambiente de operação.
a. Motores de Relutância Magnética Variável
Os motores de relutância magnética representam conceitualmente a mais simples das máquinas elétricas. O conceito consiste apenas de um campo magnético girante aplicado a um material ferromagnético, que tem a tendência de alinhar-se com o campo resultante gerado. Em sua forma real, eles consistem em um estator diferenciado (geralmente com um maior número de fases), que é a única fonte de excitação, e um rotor construído de forma a apresentar variações bruscas de relutância conforme é rotacionado. Pareado com um sistema de controles consideravelmente mais complexo, o estator é capaz de gerar campos magnéticos que geram forças rotativas, fazendo com que o rotor tenda a se alinhar com este campo. Antes do alinhamento ocorrer, altera-se o campo, para que o rotor continue rotacionando.
Para que este processo ocorra, o sistema de controle que excita o estator deve conhecer necessariamente do ângulo do rotor, logo um sistema de sensoriamento é necessário. Outro fato importante também é que a inércia do rotor impede o sistema de responder a grandes mudanças na frequência de alimentação, logo é responsabilidade do sistema de controle controlar a frequência para acelerar gradativamente o rotor. Por fim, nota-se também que quando o rotor e o estator estão alinhados, o torque resultante do sistema é igual a zero, já que não existem mais forças que atraiam o rotor. Logo, durante o funcionamento, existe uma diferença angular entre o campo magnético girante e o rotor, denominado "Ângulo de carga".
Figura 5: Vista explodida de SRM aplicado no VW ID.3.
Fonte:https://insideevs.com/photo/4508856/volkswagen-app-310-electric-drive-meb-platform/
C. ADAPTAÇÃO DOS MOTORES À PROPULSÃO
Na maioria das aplicações, os motores elétricos de tração não são acoplados diretamente à roda ou ao eixo motriz do veículo, sendo intermediados por conjuntos de transmissão de uma, duas e até três velocidades, além do sistema do diferencial. A fim de compactar a construção tudo fica num mesmo conjunto e, em alguns casos o motor elétrico fica dentro da carcaça da transmissão, como em veículos híbridos e com propulsão elétrica independente no eixo traseiro. Se comparados com motores industriais os modelos para propulsão chegam a ser 70% mais compactos entregando a mesma potência!
Quanto à estanqueidade, os níveis de proteção contra penetração de sólidos e líquidos em motores de propulsão variam do IP55 ao IP68. Para se ter uma ideia, um dispositivo IP68 é impenetrável por sólidos e suporta imersão em água até 1,5 m sequinho! Por que isso é importante? Pois a presença de contaminantes entre o rotor e o estator podem gerar desgaste e falhas mecânicas ou elétricas. Quando alojados dentro da transmissão há vedações e retentores do eixo especiais que garantem que o lubrificante não invada o alojamento do motor.
Máquinas elétricas geram calor, e quanto maior for a potência produzida, mais calor será gerado. Sendo assim, a temperatura é uma das condições que deve ser monitorada e controlada a fim de garantir eficiência e evitar falhas elétricas por curto-circuito. Para tanto, há sensores e/ou termistores inseridos na carcaça ou mesmo em meio às bobinas do estator, que informam a temperatura do motor à unidade de controle do veículo, que gerencia o sistema de arrefecimento do motor elétrico. Muito similar ao dos motores à combustão, este sistema conta com radiador, ventoinha, bomba (elétrica), reservatório de expansão, mangueiras e tubulações. Nas aplicações de menor potência o resfriamento é por ventilação forçada ou com o próprio movimento do veículo.
Figura 6: Detalhe das galerias de arrefecimento dos motores elétricos aplicados no Audi e-Tron.
Fonte: https://www.audi-mediacenter.com/en/audimediatv/video/audi-e-tron-cooling-concept-e-motor-animation-4847
Em se tratando de impactos, os motores elétricos devem ser alocados de forma a sofrer o mínimo possível de choques e vibrações, evitando danos mecânicos aos rolamentos e também desalinhamento entre rotor e estator, que podem causar a quebra do motor. Este é dos motivos pelos quais as aplicações in-wheel (na roda) ainda são restritas a veículos de pequeno porte e motores de baixa potência.
Nota-se também uma grande dependência entre frequência de alimentação e a velocidade das máquinas elétricas, no caso específico dos motores de corrente alternada. Esta dependência torna então indispensável a aplicação de um VFD (do inglês Variable Frequency Drive) ou inversor de frequência capaz de gerar uma faixa de frequências (não apenas uma) quando aplicados estes motores. Isto aumenta a complexidade dos sistemas de controle, porém permite alternar os estados de funcionamento do motor nas regiões de frenagem, motor e gerador de forma a aproveitar as condições de funcionamento.
Assim, pode-se comparar as diversas opções de motores disponíveis para aplicação em veículos elétricos.
Como primeira menção, vale destacar o motor de Relutância Magnética Variável. Em termos de comparação pode-se citar: baixo custo de construção pela simplicidade dos componentes (sendo maior apenas que o motor de indução), alta eficiência, por apresentar perdas elétricas nulas no rotor, já que não há corrente elétrica circulando por ele, melhor relação em dimensões X torque, uma vez que o aquecimento do rotor é extremamente reduzido, e a refrigeração do estator impacta menos no volume da máquina, a alta capacidade de velocidade (motores de relutância já atingiram 200.000 rpm) e manutenção simplificada, pela simplicidade da máquina. Vale notar também a robustez e a tolerância a falhas. Esses motores possuem frequentemente 4 ou mais fases, e são capazes de operar com uma fração de sua potência mesmo na ausência de algumas.
Logo após, pode-se citar o motor de indução assíncrono, especificamente na configuração gaiola de esquilo. A grande gama de aplicações faz com que a tecnologia deste motor esteja em grande parte já desenvolvida, o que diminui consideravelmente o custo de aplicação destes motores em veículos elétricos. A ausência de escovas e relativa simplicidade do motor contribuem também para a confiabilidade e baixa manutenção deste tipo de motor, perdendo apenas para o motor de Relutância Magnética Variável. O rotor deste modelo, entretanto, necessita de corrente para criação de um campo magnético, o que acarreta em perdas por efeito Joule e necessidade de refrigeração do rotor. Apesar das perdas, a eficiência deste tipo de motor ainda se mantém alta, pela maturidade da tecnologia aplicada. A necessidade de refrigeração do rotor, porém, impactam nas dimensões do motor, diminuindo a relação volume/potência. As velocidades atingidas por esta máquina são significativamente inferiores às velocidades que podem ser atingidas pelos motores de relutância, porém ainda se tornam viáveis para aplicações em veículos elétricos, principalmente com uso de relações mecânicas.
Quanto aos motores Síncronos de ímãs permanentes, nota-se primeiramente a grande densidade de potência, que contribui muito para a eficiência de um veículo elétrico. Logo, mesmo com perdas extras por efeito Joule, este se torna um motor de grande eficiência em termos de mobilidade. Ainda assim, este modelo é o mais eficiente conhecido até o momento. A relação volume/potência não possui um grande diferencial, e a ausência de escovas contribui também na baixa manutenção e aumenta a confiabilidade. A refrigeração deste modelo também não apresenta grandes vantagens, já que o rotor também precisa ser refrigerado. O maior problema na aplicação deste modelo torna-se o custo, já que os imãs permanentes são geralmente confeccionados utilizando minerais raros.
Como última menção, temos o motor de corrente contínua sem escovas, que apresenta vantagens na simplicidade, porém possui problemas para aplicações diretas em veículos elétricos. A densidade de potência e a relação volume/potência destes motores não é atrativa, e a eficiência também não, pontos que dificultam a aplicação em mobilidade em uma maior escala. O custo também se torna elevado por aplicar imãs permanentes. A ausência de escovas ainda diminui a necessidade de manutenção, e aumenta a confiabilidade. A refrigeração ainda é necessária no rotor, logo não temos pontos de destaque. A grande vantagem da aplicação deste motor está na simplicidade do controle. A gama de velocidades também não apresenta nenhum ponto de destaque.
Comparando os diversos motores, nota-se que os motores de indução assíncronos, síncronos com imãs permanentes, e de relutância magnética são ótimos candidatos para aplicação em veículos elétricos. A decisão entre cada um deles depende então das especificidades da aplicação, como complexidade do projeto, meta de custos para o produto final, desempenho desejado do veículo, autonomia, etc.
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Abstract – Electric motors provide the torque that drives the vehicle and also allow the recovery of part of the kinetic energy wasted in decelerations and braking in the form of electricity. Despite this, there are fundamental differences between the categories of engines that determine which are most suitable for application in vehicle propulsion systems. This article will establish a comparison between the types of motors: BLDC (Brushless Direct Current), IM (Induction Motor), PMSM (Permanent-Magnet Synchronous Motor) and SRM (Switched Reluctance Motor), analyzing their characteristics, considering: dimensions, cost, efficiency, operating speed, cooling systems and demand for maintenance.
https://www.linkedin.com/pulse/motores-el%C3%A9tricos-um-breve-comparativo-entre-em-de-mendes-marochi/
Especialista em Engenharia de Veículos Híbridos e Elétricos (Faculdades da Indústria); Tecnólogo em Mecatrônica Industrial (UTFPR); Técnico em Automobilística (Senai PR); Professor/Coordenador Técnico (Centro de Mobilidade Sustentável e Inteligente)
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