Por um vida com mobilidade humana mais limpa e pelo desenvolvimento tecnológico

domingo, 26 de agosto de 2012

Motor CA de Imãs Permanentes vs Motor de CA de Indução vs Motor de Fluxo Axial

Muito pouco se cogita ainda sobre o emprego de motores de CC para aplicações em sistema de tração de veículos elétricos, no entanto, basicamente dois tipos de motores CA trifásicos dominam e disputam o cenário, sem que, aparentemente, nenhum deles prevaleça sobre o outro: um é o Motor de CA de Indução e o outro é o Motor CA de Imãs Permanentes.

Assim sendo, vamos traçar um comparativo entre os perfis operacional de ambas as máquinas, num jogo de perguntas e respostas, voltado às perguntas mais frequentes sobre Motores CA de Imã Permanentes.

Todavia, antes de prosseguir, para evitar a confusão que alguns leitores poderão estar fazendo, eu devo alertar que, quando falamos de Motores CA de Ímã Permanente (PMAC) estamos falando de uma Máquina Elétrica já bem conhecida (se bem que ainda em evolução) e aplicada e, não, dos chamados Motores Puramente Magnéticos, atualmente apenas objeto de estudos, ensaios e curiosidade geral.

Mas fique a vontade para ver, também, sobre Os Ímãs Permanentes e os Motores Puramente Magnéticos, aqui neste blog.

  1. Em termos de construção, como Motores CA de Ímã Permanente (PMAC) diferem de Motores CA de Indução?
No sentido mais amplo, a principal diferença está no próprio rotor da máquina. Num motor de indução de gaiola de esquilo, a corrente é induzida no rotor a partir do campo do estator, através do espaço de ar, e conduzida através de barras de alumínio (ou de outro material), que são mais frequentemente fundido nas ranhuras das lâminas do rotor. No caso de um motor PMAC, o próprio rotor já contém material magnético permanente, que pode ser montado na superfície da pilha de laminação do rotor ou incorporado dentro das laminações do rotor. Em qualquer topologia, a energia elétrica que produz o torque de rotação é fornecida através dos enrolamentos do estator.

Os Motores CA de Imãs Permanentes (PMAC) e os Motores CC Sem Escovas, são, de fato, muito semelhantes entre si, em termos de construção. Mudando apenas a forma de onda da tensão de alimentação, que é produzida pela unidade de acionamento: se é CA senoidal (para o PMAC) ou se é CC trapezoidal (para o motor CC Sem Escovas).
  1. Quais são os principais benefícios do PMAC em contraponto ao motor CA de indução?
Motores CA de ímã permanente são inerentemente mais eficiente, devido à eliminação de perdas de condutores do rotor, o enrolamento de baixa resistência e "embelezar" curva de eficiência. Devido a sua operação síncrona, motores PMAC oferecem controle de velocidade mais preciso. Motores PMAC proporcionam maior densidade de potência devido ao fluxo magnético mais elevado, em comparação com as máquinas de indução. Finalmente, os motores de ímã permanente geralmente funcionam mais frios, resultando em uma vida útil mais longa para os rolamento e o isolamento.

Novas técnicas de enrolamento ("enrolamento concentrado"), permitem:
  • Ao contrário de um "enrolamento" distribuído, utilizados em máquinas de indução, não há "slots compartilhados", o que essencialmente elimina o potencial para curto circuito entre fases;
  • Voltas mais curtas aos finais dos bobinamentos reduzem o desperdício e  permitem ter mais espaço na caixa para o material ativo, contribuindo para a maior densidade de potência (voltas finais não fazem nada para gerar mais torque).
  1. Quais são algumas das principais diferenças de desempenho entre o Motor CA de Indução e o PMAC?
A diferença mais óbvia é que o desempenho de um motor que PMAC gira à mesma velocidade que o campo magnético produzido pelos enrolamentos do estator, ou seja, é uma máquina síncrona. Se o campo é "rotativo" a 1800 rpm, o rotor gira à mesma velocidade. Um motor de indução, por outro lado, é considerada uma máquina assíncrona, como a sua velocidade de rotação é um pouco mais lenta do que a "velocidade" do campo magnético. Um motor assíncrono é dito ter "escorregamento" (a diferença entre a velocidade física do motor de, digamos, 1750 rpm, e a velocidade magnética seu estator de 1800 rpm) e o mais importante é que ele não poderia produzir torque sem que existisse esta pequena diferença de velocidade, caracterizada pelo rotor estar constantemente“tentando acompanhar" o campo magnético girante. A sincronização nos PMAC resulta em óbvia maior eficiência, melhor desempenho dinâmico e em um controle de velocidade mais preciso ... um grande benefício para aplicações de posicionamento exigentes.

Diferenças de desempenho incluem maior eficiência e fator de potência em um motor PMAC (embora o fator de potência do sistema com um Inversor de frequência não seja relevante, apenas com o motor sozinho, ele é). Uma vez que um rotor de ímã permanente não tem fios condutores (barras do rotor), não existem perdas I2.R, portanto, com tudo o resto igual, um motor PMAC é inerentemente mais eficiente. Metodologia de enrolamento que produzam voltas finais mais curtas, oferece uma série de benefícios adicionais.

De um modo geral, os motores PMAC proporcionam maior densidade de fluxo, comparativamente, do que um motor de indução. Isto significa que mais de energia (torque) pode ser produzido de uma dada dimensão física, ou torque igual, produzida numa embalagem menor.
  1. O que é a “faixa de rotação útil” para motores PMAC, em comparação com indução o Motor CA de Indução?
Máquinas PMAC normalmente têm uma gama mais ampla de velocidade do que as máquinas de CA de indução. No entanto, o número de polos pode ser diferente para os motores que estão sendo comparados e faixa de velocidade é também uma função da unidade que está sendo usado por isso o melhor é verificar com o fabricante sobre sua faixa de velocidade específica. Em geral, Platinum e ™ motores são classificados para torque variável ou constante para 20:1, sem realimentação (malha aberta) ou 2000:1, em malha fechada (com encoder).
  1. Qual é a diferença entre motores de fluxo "axial" e "radiais"?
Em um motor de fluxo axial, a força magnética (através da abertura de ar) é exercida ao longo do mesmo plano que o eixo do motor, isto é, ao longo do comprimento do motor. Um motor de fluxo radial é o desenho mais tradicional, em que a força magnética é de 90 ° (perpendicular) ao comprimento do eixo do motor. Pense fluxo axial como os freios a disco em seu veículo, onde o disco gira como o rotor em um design de fluxo axial. Fluxo axial não é um atributo particular dos motores de ímã permanente.
  1. Quais aplicações são mais adequadas, projetos para fluxo axial versus fluxo radial?
A resposta é: depende de com qual engenheiro você conversa. Alguns são "fãs" axiais e outros favorecem o radial. Sério, na maioria das vezes tudo se resume a "fator de forma": Se o cliente exige um motor mais longo, ou mais magro (radial) ou se é o desenho de uma "panqueca" (axial) que é mais adequado para a aplicação? O "desempate" pode ser na forma de custo, como o desenho axial, uma vez trabalhada para produzir, fornece torque equivalente mas usa menos material ativo i.e. ... é melhor em termos de densidade de potência.

Em meados de 2010, uma empresa australiana baseada em start-up, a Evans Electric, com sede em Sydney, emergiu de modo furtivo com o lançamento de um motor rotativo de alto desempenho para aplicação em VE. O lançamento foi de um Motor CA de indução de Fluxo Axial (tipo disco), que até então, era o único motor deste tipo proposto para aplicação em sistema de acionamento diretos de rodas de VEs, baseado nos princípios do motor de indução linear.

Apesar de pouco comum ainda, este tipo motor é de construção relativamente simples: um motor CA de indução com um estator completamente selado e fixo e apenas uma parte móvel, o rotor. Este motor de tração direta nas rodas consiste de um único estator de motor de indução linear de dupla face arcado em 180º e um rotor em forma de disco com barras em cadeia.

O potente veículo de demonstração idealizado contava com tração nas quatro rodas, com um motor  CA trifásico disco axial de 70 kW (95,2 CV) em cada uma da rodas de 19 polegadas, entregando um total de 280 kW (VE Sedan Esporte), impulsionado por um pacote de bateria de íons de Lítio A123 nanofosfato de alta densidade de potência de 400V, podendo acelerar de 0 – 100 km em 3s ou menos (meta de desempenho realista).

Este tipo de motor é concebido para ocupar o lugar os freios de fricção a disco convencionais e o rotor usa o mesmo sistema de chapel dos usados nestes freios, possibilitando a substituição direta, por ser um desenho de rotor de disco aberto, permite ao motor ser refrigerado as ar, evitando os custos e a complexidade dos sistemas de refrigeração líquida dos motores radiais e de motores completamente selados.

O uso de um Estator de Motor de Indução Linear significa que o motor não interfere com os ponto de fixação da suspensão, permitindo, em casos de retrofit, que a geometria de uma suspensão suspensão original seja mantida, permitindo ainda que este motor seja incorporado, indiferentemente, tanto às rodas dianteiras quanto traseiras.

O estator de dupla face é similar em fator de forma a um grande cáliper de freio hidráulico multi pistão e é montado diretamente sobre os terminais de fixação do cáliper do freio padrão, sobre as suspensão vertical, sem necessidade de qualquer modificação no sistema de suspensão e direção, reduzindo os custos de integração mecânica.


Veja o motor girando com apenas 1/2 estator:


Uma outra fabricante de motores de fluxo axial para aplicações em VEs, só que usando a tecnologia de motores PMAC (imãs permanentes), é a inglesa Oxford YASA Motors e o entusiasta inglês de VEs, Robert Llewellyn visitou essa empresa para mostrar em vídeo um pouco da tecnologia através da apresentação de ensaios de laboratório, não só para informar sobre o que faz esses motores tão especiais, de grande densidade de potência e de elevada eficiência funcionam mas, mostrar ainda como exatamente os possantes ímã permanentes dos motores elétrico funcionam.


Para aqueles que conseguem entender bem o inglês, mesmo sem uma base de ciência muito avançada, a explicação deste vídeo é relativamente fácil de entender, devido aos princípios simples envolvidos. Clique  na ligação abaixo para ver o vídeo.


Um motor PMAC trifásico, em geral, não pode ser usado, sendo ligado diretamente a uma rede elétrica CA comum. Estes motores requerem, normalmente, o emprego de drivers com características específicos para a sua aplicação. O maior complicador que impede isso é com respeito a partida desse tipo de motor ter que ser feita diretamente da rede. Uma vez que este motor é desenhado para operação síncrona apenas e o transitório de partida direta é sempre uma operação assíncrona, isso torna tal aplicação inadequada.

Todavia, motores de imãs permanentes CA monofásicos, os chamados motores LSPM (Line-Start Permanent-Magnet Motor) já se encontram em uso corrente e, persistentemente, vem se buscando desenvolver aplicação de partida direta, também, para os PMCA trifásicos também, mas ainda sem aplicação comercial satisfatória.

A maneira tradicional de estudar o processo assíncrono de partida de um motor LSPM é dividi-lo em duas regiões diferentes:

1) a resposta da partida até o "ponto nominal de operação do motor de indução" e;

2) a zona de transição a partir desse ponto de sincronização.

O torque de aceleração é resultante pelo torque de gaiola (conjugado do motor) menos o torque de frenagem magnética e menos torque de carga (ambos compondo o conjugado resistente).

A tensão do estator desequilibrada para o caso de motores seja com condensador de partida e / ou condensador permanente, onde tais capacitores alteram a corrente de um ou mais enrolamentos de um motor de indução CA monofásico para criar um campo magnético rotativo, afeta tanto a operação durante o transitório de partida, quanto a do regime de sincronismo permanente. Todavia, uma análise detalhada do comportamento do torque do motor LSPM, somente é possível com uma combinação adequada dos componentes simétricos, avaliados na teoria dos eixos, que pode mostrar resultados precisos disso

Uma característica peculiar dos motores PMAC é com respeito a geração de FCEM (Força Contra Eletromotriz) que, quer o estator esteja alimentado ou não e, principalmente por ser uma máquina de imãs permanentes, faz com que o motor produza energia, gerando uma tensão induzida aos enrolamentos do estator, conforme o rotor gira, isto é, a máquina elétrica se torna-se um gerador.

A forma de onda da tensão resultante poderá assumir tanto forma de uma onda senoidal (CA) ou de um trapézio (CC), dependendo da fonte de alimentação da unidade, sendo esta a característica principal que difere entre um PMAC e um motor CC sem escovas. A intensidade da FCEM produzida é diretamente proporcional a velocidade de rotação do rotor.

Devido a FCEM do motor PMAC, se o motor está ligado à sua unidade de acionamento, então os componentes eletrônicos desta devem ser projetados para uma tensão máxima relativamente bem acima da tensão nominal que é provida pela unidade ao acionar tal motor, o que resulta numa arquitetura  em que, normalmente, não apenas o motor mas, também a unidade de acionamento devem ser concebidos para funcionar numa tensão nominal bem abaixo da tensão máxima dos com a qual são especificados os  dispositivos de comutação de eletrônica de potência. Isso envolve considerável elevação de custo.

Além do mais, se a velocidade do motor excede o a velocidade nominal máxima considerada no projeto (seja com a máquina tracionando a carga ou a carga tracionando a máquina) pode ocorrer da tensão máxima dos componentes de comutação do acionamento ser ultrapassada, resultando num efetivo risco de estresse e falhas da eletrônica de potência.

Todavia, note-se que, obviamente, as unidades de acionamento especificas para os PMAC são capazes de controlar ou "limitar" motor FCEM quando se está operando corretamente. No entanto, quanto as falhas e perdas de controle do acionamento por sobrevelocidade, não pode se proteger.

Também um cuidado especial deve ser tomado por quem manipula motores PMCA pois, se o eixo girar, mesmo com a máquina totalmente desligada porém, com alguém tocando nos terminais enquanto o eixo está girando vai produzir um perigoso choque elétrico. Se o eixo está girando rápido o suficiente e, portanto, gerando maior tensão aos terminais ... tocar as conexões podem resultar em ferimentos graves ou morte.

Porque FCEM aumenta a resistência aparente do circuito, proporcionando uma tensão oposta, um motor elétrico, que está já esteja girando consome menos energia do que quando ele está partindo ou mudando de  direção.

A fim de maximizar este efeito, os enrolamentos do estator devem ter a sua resistência reduzida, utilizando materiais como cobre de maior pureza ou ligado a prata, que têm uma baixa resistividade eléctrica, e as partes estacionárias nas proximidades do motor deve estar relativamente livre de ferro, a maioria dos tipos de aço, ou qualquer material que tem uma elevada histerese magnética.

6 comentários:

  1. ola bom dia,

    gostei muito do seu blog. tem coisas muito interessantes sobre eletrica e eletronica.
    quando achei esse site, nao consegui mais parar de ler.
    estive pesquisando sobre pequenos motores perpetuos movidos por imas de grande atração.
    voce acha que é possivel realmente criar um pequeno motor eletrico, para gerar energia para um chuveiro eletrico.
    eu estou pesquisando queria um projeto simples para começar essa minha ideia.
    estou realmente atras de um parceiro para me ajudar nessa ideia.

    se vc tiver interesse me manda um e-mail, para trocarmos informações.
    nel100@bol.com.br

    abraços

    ResponderExcluir
    Respostas
    1. Prezado colega "Contadores de Uberlândia", antes de tudo, agradeço: muitíssimo obrigado pelo seu valioso apoio!

      Quanto a sua questão, vale sempre o princípio fundamental: Energia é conservada. Você não a pode criar, você não a pode destruir. Tudo que você pode fazer é muda-la de uma forma para outra. Nós não podemos criar energia elétrica do nada. Precisaremos tomar alguma forma de energia de uma determinada fonte e converte-la na forma que desejamos.

      Tendo isso em mente, você poderá, através de experimentos, ter a chance de explorar como é feita a conversão de uma modalidade de energia para outra.

      Você verá como se faz para transformar energia química em energia térmica; de energia térmica para energia cinética de translação; de energia cinética de translação para a energia cinética de rotação; dessa para a energia elétrica e dessa, novamente em energia química.... E assim por diante.

      Em cada caso, a ênfase será para a conversão: como cada forma de energia foi convertida em outra.

      Como na prática não existem conversores reais de energia perfeitos, todo sistema conversor de energia é sempre avaliado pelo seu rendimento. Nem toda a energia tomada será convertida para a forma de energia desejada e uma parcela menor, sempre acaba se desviando e sendo convertida para uma outra forma, não desejada.

      Numa máquina elétrica qualquer (motor ou gerador), por exemplo, parte da energia que entra neste sistema conversor (elétrica no caso do motor e mecânica no caso de gerador) é desviada como a forma de calor no corpo da própria máquina.

      Então vem a sua resposta: Sim, é possível! Via de regra toda máquina elétrica capaz de operar como motor é também capaz de operar como gerador.

      TODAVIA, sabe-se que toda máquina elétrica (pelo menos as que são conhecidas e operadas até o presente momento) opera pelo princípio da indução eletromagnética.

      Para que haja indução eletromagnética existem dois (e apenas dois) métodos:

      1- ou o condutor elétrico permanece fixo, submetido a um campo magnético variável;
      2- ou o condutor elétrico se movimenta, no interior de um campo magnético fixo;

      Assim, para efetivamente realizar trabalho (por exemplo, produzir os kW.h necessários para que uma resistência elétrica aqueça uma certa quantidade de H2O, à uma certa temperatura), além de imãs que produzam o campo magnético, você precisará ainda de alguma fonte de energia mecânica para prover o movimento.

      Essas limitações são inerentes às condições do universo físico.

      Quanto ao "moto-contínuo", dispositivo que a humanidade já vem buscando a muitos séculos e, mais recentemente, o denominado "motor Perendev", tudo o que eu espero, sinceramente, é que mais e mais pessoas continuem pesquisando e tentando consegui-lo pois, é do resultados dos muitos experimentos, mesmo em cima daquilo aparentemente seja impossível, é que acaba por produzir as inovações e melhorias, sobre aquilo que é possível.

      Um abraço!

      Excluir
    2. MOTO-CONTINO EU JA ENCONTREI MAS GOSTARIA A TODAS AS PESSOAS QUE ESTAO A LER ESTE ANUNCIO E QUE QUEIRAO ENTRAR NESTA AVENTURA CONTACTEM SR JOSE PEREIRA TLF 927838250 PROCURO UM INVESTIDOR PODERIA-SE REVOLUCIONAR A PRODUÇAO DE ENERGIA .PS: PROTOTIPO A DESENVOLVER OBRIGADO POR ACREDITAR ,VARIOS PROTOTIPOS EM VISTA,UM SERIA O MOTOR GRAVITACIONAL,NAO NESSECITA DE ENERGIA PARA PRODUZIR TORQUE SO A GRAVIDADE DA TERRA NAO E ESPETACULAR? OS ENTEREÇADOS PODEM E DEVEM ME CONTACTAR ,SERA FABULOSO

      Excluir
  2. Para iniciativas comerciais eu recomendo procurar pela inglesa Oxford YASA Motors (http://www.yasamotors.com/), não apenas por ela estar mais adiantada tecnologica e comercialmente mas, também, por ela estar mais accessível devido a uma parceria entre ela e a UNICAMP, envolvendo o patrocínio da participação de uma equipe em eventos de competição esportiva com VEs. (http://www.abve.org.br/destaques/2013/destaque13020.asp)

    saudações, AndreLLenz

    ResponderExcluir