Test drive síncrono do motor: o que isso significa?

Carros elétricos ainda estão ofuscados pelo desenvolvimento de baterias

O rápido desenvolvimento de motorizações híbridas e o progresso sem precedentes nos últimos anos no campo dos veículos elétricos são o foco principal do desenvolvimento da tecnologia de baterias. Eles exigem o máximo de recursos dos desenvolvedores e são o maior desafio para os designers. No entanto, não se deve subestimar o fato de que o progresso no desenvolvimento de tecnologias avançadas de íons de lítio é acompanhado por um progresso significativo no campo da regulação da potência de correntes e motores elétricos. Descobriu-se que, embora os motores elétricos tenham alta eficiência, eles têm um sério campo de desenvolvimento.

Os designers esperam que esta indústria cresça a um ritmo extremamente elevado, não apenas porque os veículos elétricos estão se tornando mais comuns, mas também porque a eletrificação dos veículos com motor de combustão é um elemento importante dos níveis de emissão estabelecidos na União Europeia.

Embora o motor elétrico tenha uma história antiga, hoje os designers enfrentam novos desafios. Os motores elétricos, dependendo da finalidade, podem ter um design estreito e um diâmetro grande ou um diâmetro pequeno e um corpo longo. Seu comportamento em veículos puramente elétricos difere daquele em híbridos, onde o calor gerado pelo motor de combustão interna deve ser levado em consideração. Para veículos elétricos, a faixa de velocidade é mais ampla e os instalados em um sistema híbrido paralelo na caixa de câmbio devem ser otimizados para operar dentro da faixa de velocidade do motor de combustão. A maioria das máquinas opera em alta tensão, mas as máquinas elétricas de 48 volts se tornarão cada vez mais populares.

Por que motores AC

Apesar de a fonte de eletricidade na pessoa da bateria ser a corrente contínua, os projetistas de sistemas elétricos atualmente não pensam em usar motores CC. Mesmo levando em consideração as perdas de conversão, as unidades CA, especialmente as síncronas, superam as unidades CC. Mas o que um motor síncrono ou assíncrono realmente significa? Apresentaremos a você esta parte do mundo automotivo porque, embora os carros elétricos existam há muito tempo na forma de motores de arranque e alternadores, tecnologias completamente novas foram recentemente introduzidas nessa área.

Toyota, GM e BMW são agora alguns dos poucos fabricantes que assumiram o desenvolvimento e a produção de motores elétricos. Até a Lexus, subsidiária da Toyota, fornece esses dispositivos para outra empresa, a japonesa Aisin. A maioria das empresas depende de fornecedores como ZF Sachs, Siemens, Bosch, Zytec ou empresas chinesas. Obviamente, o rápido desenvolvimento desse negócio permite que essas empresas se beneficiem de parcerias com montadoras. Quanto ao lado tecnológico, hoje em dia, para as necessidades de veículos elétricos e híbridos, são utilizados principalmente os motores CA síncronos com rotor externo ou interno.

A capacidade de converter baterias CC em CA trifásicas e vice-versa de maneira eficiente se deve em grande parte aos avanços na tecnologia de controle. No entanto, os níveis de corrente na eletrônica de potência atingem níveis muitas vezes mais altos do que aqueles encontrados em uma rede elétrica doméstica e freqüentemente excedem 150 amperes. Isso gera muito calor com o qual a eletrônica de potência tem que lidar. Atualmente, o volume dos dispositivos de controle eletrônico ainda é grande porque os dispositivos de controle de semicondutores eletrônicos não podem ser reduzidos com uma varinha mágica.

Os motores síncronos e assíncronos são um tipo de máquinas elétricas de campo magnético rotativo que possuem uma densidade de potência mais alta. Em geral, o rotor de um motor de indução consiste em um simples pacote de folhas sólidas com enrolamentos em curto-circuito. A corrente flui nos enrolamentos do estator em pares opostos, com corrente de uma das três fases fluindo em cada par. Como em cada um deles está defasado em 120 graus em relação ao outro, obtém-se o chamado campo magnético rotativo. Isso, por sua vez, induz um campo magnético no rotor, e a interação entre dois campos magnéticos - girando no estator e o campo magnético do rotor, leva ao arrastamento deste último e à rotação subsequente. No entanto, neste tipo de motor elétrico, o rotor sempre fica atrás do campo, porque se não houver movimento relativo entre o campo e o rotor, ele não induzirá um campo magnético no rotor. Assim, o nível de velocidade máxima é determinado pela frequência da corrente de alimentação e da carga. No entanto, devido à maior eficiência dos motores síncronos, a maioria dos fabricantes os mantém.

Motores síncronos

Essas unidades têm eficiência e densidade de potência significativamente maiores. Uma diferença significativa de um motor de indução é que o campo magnético no rotor não é criado pela interação com o estator, mas é o resultado da corrente fluindo através dos enrolamentos adicionais instalados nele ou de ímãs permanentes. Assim, o campo no rotor e o campo no estator são síncronos, e a velocidade máxima do motor também depende da rotação do campo, respectivamente, da frequência da corrente e da carga. Para evitar a necessidade de fornecimento de energia adicional para os enrolamentos, o que aumenta o consumo de energia e complica a regulação da corrente em veículos elétricos modernos e modelos híbridos, motores elétricos com a chamada excitação constante são usados, ou seja, com ímãs permanentes. Como já foi mencionado, quase todos os fabricantes desses carros usam atualmente unidades desse tipo, portanto, de acordo com muitos especialistas, ainda haverá um problema com a escassez de elementos de terras raras caros, neodímio e disprósio. Os motores síncronos vêm em diferentes variedades e soluções de tecnologia mista, como BMW ou GM, mas falaremos mais sobre eles.

Construção

Motores de veículos puramente elétricos geralmente são acoplados diretamente ao diferencial do eixo motriz e a potência é transferida para as rodas por meio de semi-eixos, reduzindo as perdas na transmissão mecânica. Com esse layout sob o piso, o centro de gravidade é reduzido e o design geral do bloco se torna mais compacto. A situação é completamente diferente com o layout dos modelos híbridos. Para híbridos completos, como modo único (Toyota e Lexus) e modo duplo (Chevrolet Tahoe), os motores elétricos estão ligados de alguma forma às engrenagens planetárias no sistema de transmissão híbrido, caso em que a compacidade exige que seu design seja mais longo e menor em diâmetro. Nos híbridos paralelos clássicos, os requisitos compactos significam que o conjunto que se encaixa entre o volante e a caixa de câmbio tem um diâmetro maior e é bastante plano, com fabricantes como Bosch e ZF Sachs contando até com um design de rotor em forma de disco. Também existem variações do rotor - enquanto no Lexus LS 600h o elemento giratório está localizado dentro, em alguns modelos da Mercedes o rotor giratório está fora. O último design também é extremamente conveniente nos casos em que os motores elétricos são instalados nos cubos das rodas.

Texto: Georgy Kolev