Motores Síncronos de Ímãs Permanentes

Como Funciona

Rotor: O rotor de um PMSM contém ímãs permanentes que geram um campo magnético fixo. Esses ímãs são tipicamente feitos de materiais como neodímio-ferro-boro (NdFeB) ou samário-cobalto (SmCo), conhecidos por sua alta força magnética.

Normalmente, o rotor possui 6 ou 8 polos magnéticos.

Estator: O estator é a parte estacionária do motor e consiste em enrolamentos enrolados ao redor dos polos do estator. Esses enrolamentos geralmente são feitos de cobre e são alimentados com corrente alternada (AC) para criar um campo magnético que interage com o rotor.

Comutação: O PMSM depende de comutação eletrônica para controlar a direção e a velocidade do motor. Sensores, como sensores de efeito Hall ou codificadores (encoders), detectam a posição do rotor e fornecem feedback ao controlador do motor. Com base nesse feedback, o controlador do motor determina quando e como ligar e desligar os enrolamentos do estator para criar um campo magnético rotativo que aciona o rotor.

Sincronização: O campo magnético gerado pelos enrolamentos do estator deve estar sincronizado com a posição do rotor para alcançar operação eficiente e suave. Isso é normalmente feito usando uma técnica chamada controle orientado ao campo (FOC) ou controle vetorial, que ajusta a amplitude e a fase da corrente do estator para alinhar com a posição do rotor.

Produção de Torque: À medida que o campo magnético rotativo gerado pelo estator interage com os ímãs permanentes do rotor, ele exerce torque sobre o rotor, fazendo-o girar. O torque produzido pelo motor pode ser controlado ajustando a amplitude e a frequência da corrente do estator, o que, por sua vez, determina a intensidade e a velocidade do campo magnético rotativo.

Fonte de Alimentação: PMSMs exigem uma fonte de alimentação que possa fornecer a tensão e a frequência de CA adequadas aos enrolamentos do estator. Isso é normalmente alcançado usando um inversor, que converte uma tensão CC de uma fonte de energia, como uma bateria ou uma rede elétrica, na tensão e frequência de CA necessárias para o motor.

Em resumo, um PMSM usa ímãs permanentes no rotor, enrolamentos no estator, comutação eletrônica e técnicas de sincronização para gerar um campo magnético rotativo que aciona o rotor e produz rotação mecânica. O torque e a velocidade do motor podem ser controlados ajustando a amplitude e a frequência da corrente do estator por meio de um inversor e de um controlador do motor.

Vantagens

Uma das principais vantagens dos motores síncronos em veículos elétricos é sua maior densidade de potência. Os ímãs permanentes no rotor fornecem um campo magnético constante, permitindo maior torque e potência em comparação com motores assíncronos de tamanho semelhante. Isso torna os motores síncronos particularmente adequados para veículos elétricos de alto desempenho que exigem aceleração rápida e altas velocidades.

Os motores síncronos em veículos elétricos também são conhecidos por seu controle preciso e eficiente. Eles podem ser controlados com precisão usando eletrônica de potência avançada, como controladores de motor ou inversores, que permitem desempenho otimizado e gerenciamento de energia aprimorado. Isso possibilita recursos como vetorização de torque, em que o torque pode ser controlado independentemente para cada roda, melhorando a tração e a dirigibilidade em diversas condições de condução.

Outra vantagem dos motores síncronos é sua capacidade de alcançar alta eficiência em uma ampla faixa de velocidades e cargas. Isso permite operação eficiente tanto em baixas quanto em altas velocidades, o que é particularmente útil em veículos elétricos que requerem diferentes níveis de potência e torque dependendo das condições de condução.

Limitações

Materiais de Terras Raras: PMSMs requerem ímãs de terras raras, que podem ser caros e possuir implicações ambientais em termos de mineração e sustentabilidade.

Arrasto em rolagem livre: Quando um veículo elétrico (VE) está em rolagem livre, o motor elétrico pode criar um efeito de arrasto, frequentemente chamado de "arrasto do motor" ou "arrasto em rolagem". Esse arrasto é causado pelas forças eletromagnéticas dentro do motor, que podem resistir ao movimento do rotor e gerar resistência ao deslocamento do veículo.

No caso dos motores de ímãs permanentes, os ímãs no rotor criam um campo magnético fixo, o que pode gerar mais arrasto quando o motor não está energizado. Isso resulta em maior arrasto do motor em comparação com os motores de indução. No entanto, o arrasto do motor de ímãs permanentes também pode depender do projeto específico e da estratégia de controle empregada, já que alguns motores de ímãs permanentes podem ter arrasto reduzido devido a técnicas avançadas de controle de motor.

Alguns fabricantes de veículos elétricos utilizam uma embreagem para desacoplar o motor do trem de força, efetivamente desligando o motor das rodas e permitindo que o veículo role sem nenhum arrasto do motor. Isso pode ajudar a reduzir a resistência sentida pelas rodas quando o motor não está energizado, potencialmente melhorando a eficiência do veículo e reduzindo o consumo de energia.

Outros utilizam motores de indução na dianteira e PMSMs na traseira. Exemplos incluem todos os carros baseados na plataforma Volkswagen MEB.

Se quiser aprender ainda mais sobre motores PMSM, recomendamos assistir a este vídeo em que a Lucid explica seu design de PMSM e o compara com outros.