Sistema de Acionamento Multimotor em uma Motocicleta Elétrica

Sistema de Acionamento Multimotor

Com base na arquitetura de sua relação MOTOR vs CARGA, os acionamentos elétricos podem ser dividos em três categorias:

Unidade individual (um motor elétrico para uma carga mecânica);
Unidade de grupo (um motor elétrico para várias cargas mecânicas);
Acionamento multimotor (vários motores elétricos para uma carga mecânica).

Um mecanismo no qual motores separados são usados para operar diferentes uma mesma é unica máquina é conhecido como acionamento elétrico multimotor. O diagrama de blocos de um acionamento multimotor é mostrado na figura abaixo.

As vantagens do acionamento elétrico multimotor estão listadas a seguir:

Os acionamentos multimotores proporcionam melhor controle do processo;
Com a ajuda de acionamentos multimotores, um processo complicado pode ser automatizado;
Em um acionamento multimotor, a máquina pode ser acionada por dois motores concorrentes, ou por apenas um dos motor em separado e, portanto, o processo pode ser iniciado e interrompido individualmente conforme desejado;
Nos acionamentos multimotores, a ausência de correias e eixos de linha reduz bastante a perda de potência e o risco de quebras e de acidentes;
O layout do acionamento multimotor é flexível na instalação de diferentes máquinas.

Já, as desvantagens do acionamento multimotor incluem o seguinte:

Os acionamentos multimotores envolvem alto custo inicial;
A manutenção de um motor causa perturbações em todo o processo;

Drives multimotores já são comunente empregados em talhas, elevadores, guindastes, misturadores de borracha (na indústria automotiva), aplicações de movimento de longo curso; aplicações de movimento de deslocamento cruzado, etc e ...

Motocicletas elétricas !!!

Aumentar a eficiência é um objetivo importante no desenvolvimento de sistemas de transmissão elétricos. Paralelamente aos BEVs estabelecidos com um motor elétrico e uma relação de transmissão fixa, os conceitos de multivelocidade e multimotor estão ganhando cada vez mais importância.

Uma abordagem para aumentar a eficiência energética dos acionamentos é a utilização de um sistema de acionamento multimotor (MMDS - Multi-Motor Drive System), que consiste em um sistema de acionamento de dois ou mais motores e, dependendo da aplicação, um redutor, que juntos resolvem o problema do acionamento. Os MMDS são uma alternativa atraente aos acionamentos convencionais compostos por um um motor (SMDS - Single-Motor Drive System).

Sim, N motores elétricos podem ser acoplados em um único eixo de transmissão, enquanto a potência transmitida será a soma da potência dos motores elétricos individuais. Isso é conhecido como Sistema de Acionamento Multimotor. Existem diferentes maneiras de acoplar os motores, como por meio de engrenagens ou acoplamentos de acionamento direto. A escolha do método de acoplamento dependerá da aplicação específica e dos requisitos do sistema.

Um acionamento multimotor é um acionamento no qual motores individuais são acoplados mecanicamente de maneira livre de deslizamento e acionam em conjunto um único eixo. Os motores individuais geram o mesmo torque a qualquer momento (em termos de valor e de direção relativa).

Todos os motores em um acionamento multimotor devem ser do mesmo tipo e ter os mesmos dados de enrolamento. Exemplo de Sistema de Acionamento Multimotor:

É importante observar que os motores precisam ser dimensionados e combinados adequadamente para funcionarem juntos em um sistema de acionamento multimotor. Além disso, o sistema de distribuição e controle de energia para o sistema de acionamento multimotor precisa ser projetado adequadamente para garantir que os motores estejam operando dentro de seus limites operacionais seguros.

Eles suportam inerentemente conceitos de produtos modulares e oferecem graus adicionais de liberdade em relação aos sistemas convencionais de acionamento de motor único (SMDS) devido à sua estrutura mecânica.

Para utilizar plenamente os benefícios resultantes desses graus de liberdade, é necessária uma estratégia operacional inteligente (IOS), enquanto as distribuições ideais de torque entre os motores e estados de comutação ideais do MMDS são identificados usando técnicas de otimização.

Do ponto de vista científico, os MMDS são quase completamente inexplorados em termos de modelagem de sistemas, estratégia de operação e design. Especialmente as influências de um conceito MMDS em componentes eletrônicos de potência, e dos custos totais destes, ainda não foram consideradas.

Um diferencial é um dispositivo mecânico do tipo caixa de engrenagens que transfere, mediante engrenagens cônicas, a energia cinética aplicada pelo motor a um eixo de entrada (eixo do pinhão ou eixo Cardan) para ambos dois semieixos na saída. Em geral, o diferencial é aplicado nos veículos terrestres tracionados por motores de qualquer natureza (incluindo muitos dos VEs).

O torque que é produzido pelo motor chega ao diferencial através do eixo do pinhão, e é dividido entre os dois semieixos para as duas rodas de tração.

Como os diferenciais, de maneira geral, operam como redutores de rotação, e também permitem rotações ligeiramente diferentes nos semieixos, a média das rotações entre os dois semieixos corresponde a um submúltiplo de valor fixo da rotação de entrada do diferencial.

Os dentes das engrenagens de alguns dispositivos diferenciais (mas não todos) são concebidas não apenas por tais engrenagens serem cônicas, mas, também, tais dentes apresentam alguma inclinação ou curvatura longitudinal. Isso significa que tais dispositivos são concebidos para serem muito mais robustos e duráveis ao serem operados num determinado sentido de giro.

Isso posto, você pode me perguntar: mas no que um Diferencial pode ser útil na arquitetura de uma Motocicleta Elétrica (e o que isso tem haver com Sistema de Acionamento Multimotor)?

Bem, o questionamento que eu me fiz foi outro. Eu me perguntei: Dá para fazer uma motocicleta elétrica com dois motores iguais que eu já tenho aqui? Sim, porque a motocicleta que eu quero converter para elétrica é uma Suzuki GS-500, uma das motocicletas mais baratas do mercado na categoria de potência dela, e eu não quero perder nada de torque e de velocidade que eu tinha com ela, antes.

Assim eu preciso dar a ela a potência somada de dois motores elétricos, em um arranjo de acionamento central: sim, tração por corrente, nada de motor do cubo, pois eu já tenho os dois motores, e eles me sobraram em mãos de reformas que há tempos eu fiz em motocicletas elétricas de menor porte: eu reformei algumas motos Zero DS ano 2010 empregando nelas motores CC sem escovas novos (os motores originais delas eram CC escovados).

Então, se trata de aproveitar esses dois motores (motor CC sem escovas modelo RV-160Em, de excelente fornecedor, Revolt Motors, de Israel), que me custaram US$ 931 cada um, com potência contínua 15 kW (potência de pico 28 kW), e torcer para que, ao final, 30 kW (56 kW de arrancada) em uma motocicleta me deixe satisfeito (quanto a autonomia, ela será aquela que Deus me permitir, porque eu já tenho todo o leiaute para montar um pacote de bateria que será (quase) todo embutido no antigo tanque de combustível da Suzuki GS 500).

Assim, esquecendo a mera questão da redução / elevação da rotação de um dispositivo diferencial (a menos que isso se torne relevante para responder), eu me perguntei se eu posso usar um diferencial de maneira inversa? Ou seja, se eu posso acoplar dois motores elétricos, semelhantes e igualmente alimentados (por dois controladores de motor distintos mas amarrados por controle de torque), por meio de um diferencial, a fim de obter uma única saída?

Obviamente, neste caso, aquelas que seriam as saídas do diferencial para os dois semieixos passam a atuar como entrada (acoplarei ai, diretamente, os semi eixos de cada um dos dois motores), enquanto aquela que era a entrada do eixo Cardan, no diferencial, passa a atuar como a única saída (dai dizer que o diferencial operará em modo invertido). Ou seja, o dispositivo diferencial operará como o Elemento de Transmissão que se pode verificar nas duas primeiras figuras deste artigo no sistema de acionamento multimotor.

Creio que essa ideia seja algo ainda nada (ou pouco) explorado, pois, todas as referências que eu encontro sobre Elemento de Transmissão para sistema de acionamento a dois motores (ou, também posso dizer, Caixa de Engrenagens para um Sistema de Acionamento de Motor Duplo, em Veículos Elétricos, então pensando em tracionar rodas de carros, e não em tracionar a roda trazeira de uma motocicleta. Portanto, esse é o desafio!

Posso adiantar que eu não pretendo projetar e construir mecanismo algum do zero, mas, eu vou escolher e adaptar o mínimo necessário a partir de um produto (de baixo custo) de mercado. Entretanto, pode apostar, escolher já é um grande desafio.

Eu venho trabalhando em projetos de eletroeletrônica, automação & controle e mecatrônica há décadas, e escolher nunca esteve tão difícil quanto está hoje em dia. Na mesma medida em que a tecnologia da informação evoluiu em 40 anos, a vontade de informar, com precisão, me parece que involuiu por parte dos fornecedores (notadamente os chineses, mas a gente vai levando, pois, quem liga?).

Controlador(es) do(s) Motor(es) da Motocicleta:

Desde 2014, todos os serviços de restauro e atualização que eu fiz em motocicletas elétricas, exceto aqueles que foram feito primeiro, e que visavam restaurar apenas o pacote de bateria, por conta de longos anos que tais motocicletas ficaram paradas em depósitos de recolha da Receita federal, trataram-se da necessidade de se sustituir do motor CC escovado original, porque ele vinha se queimando com relativa frequência e já havia ocorrido vários rebobinamentos do mesmo.

As queima daqueles motores eram decorrentes de uma série de fatores, desde o fato que a opção da Zero Motorcycles por uso de motores CC escovados não ter sido uma boa escolha para a aplicação (tanto que a partir de 2013 tais tipos de motores foram abolidos nas motos fabricadas por ela), até o fato de que alguns dos motociclistas mantinham um hábito de condução que era totalmente inadequado ára motocicletas elétricas que é o de manter suas motos paradas em aclives por meio de uma pequena acelaração: neste caso, de elevado torque em velocidade zero, corresponde há uma enorme (e destruitiva) corrente elétrica pelo motor.

Então, trocar o motor CC escovado por outro motor CC sem escovas era não só a melhor opção técnica e econômica, como também uma oportunidade para começar a lidar com isso. Todavia, neste caso, a troco do motor exigia, também, a troca do controlador do motor, pois, comparativamente, tais motores operam de forma bastante distinta.

E foi assim que eu aprendi usar e a confiar em controladores de motor CC sem escovas do fabricante Kelly Controls, notadamente para emprego em motocicletas elétricas de muito boa performance e, embora eu ainda não tenha me decidido pelo modelo exato que eu optarei para usar nesta conversão de motocicleta para elétrica de agora, há algumas características que eu tenho como premissas para realizar tal escolha, fora do óbvio mais baixo custo possível. Tais característica são:

Controlador de Motor BLDC operando com Comutação Senoidal:

Nas vezes anteriores eu empreguei apenas um unico modelo de controlador da Kelly, o KEB72121E, que é de comutação trapezoidal (a comutação em bloco de motores BLDC trifásicos é um esquema de comutação eletrônica também conhecido como comutação trapezoidal, comutação de seis passos ou comutação de 120 graus). Os clientes ficaram felizes porque seus motores pararam de queimar, e as motocicletas ficaram até um pouco mais velozes, mas, por outro lado, todos também relataram que sentiram suas motocicletas com um ligeiro menor torque em longos e ingremes aclives.

Supõe-se que Comutação senoidal sirva principalmente para resolver problemas de ruído da aplicação de acionamento de motor BLDC (CC sem escovas). Em comparação com a tecnologia tradicional de controle de forma de onda trapezoidal, esta técnica baseada na tecnologia de condução de onda senoidal pode reduzir o ruído de operação e também a perda de comutação de 1/3, o que atende bem aos requisitos de redução de ruído e eficiência na aplicação de motor DC sem escova. Ele usa MOSFETs de alta potência e SVPWM (Space Vector Pulse Width Modulation) e FOC (o controle orientado a campo, também conhecido como conversão vetorial de frequência, é atualmente a melhor escolha para controle eficiente de motores BLDC e motores síncronos de ímã permanente (PMSM)) para atingir eficiências de até 99% na maioria dos casos.

Comparação dos resultados do teste: Comutação de bloco vs. FOC: Comparação de perda de potência para comutação de bloco e FOC sem sensor

Isso acaba por resultar na produção de uma variação de torque mais suave e a técnica de comutação de corrente utilizada para controlar o torque do motor requer que cada comutação de fase deva se sobrepor, fazendo ligar, seletivamente, mais de um par de dispositivos chaveadores de potência de cada vez, o que caracteriza um Inversor Multinível, propiciando, inclusive, torque mais elevado em baixas velocidades.

Controlador do Motor da Motocicleta com Frenagem Regenerativa:

Sim, ainda hoje nem todas as motocicletas e scooters elétricas possuem frenagem regenerativa. Apenas nas motos de mais alta performance e caras é que o sistema realiza frenagem regenerativa. Porém, que dirige motocicletas sabe o quão importante são frenagens firmes e seguras nelas.

A regeneração pode atuar de duas formas:

Regeneração de deslizamento

A opção de regeneração de deslizamento devolverá energia ao Powerpack quando você simplesmente não estiver acelerando. Cntudo, no geral, isso não é muito recomendado para o caso de motocicletas, pois você perde a liberdade e o maior alcance de desaceleração que vem das motocicletas e scooters elétricas em relação às motocicletas e scooters a combustão.

Regeneração de frenagem

A frenagem regenerativa atua em concomitância com os freios dianteiro e traseiro. Ele devolve energia cinética ao Powerpack apenas quando você freia, ou seja, a regeneração funciona quando você aciona as alavancas do freio dianteiro e / ou traseiro.

Você pode maximizar a função de recuperação de energia da motoicicleta configurando para parar mais cedo, freando eletronicamente suavemente e usando os freios “manuais” somente quando necessário, como em uma parada de emergência.

Monitorando a tensão da bateria. O controlador do motor interromperá tanto a condução, quanto a regeneração, se a tensão da bateria estiver muito alta e reduzirá progressivamente a potência do motor à medida que a tensão da bateria cair excessivamente, até que seja totalmente interrompida na configuração predefinida de “Tensão de bateria baixa”.

Isso posto, eu levanto uma pergunta: operar regeneração em sistemas de acionamento multimotor com barramento CC em comum requer alguma atenção ou cuidado em especial? Se a resposta é sim, será que os controladores de motor da Kelly são concebido para atender a esse requisito?

Se você está gostando deste artigo, volte a ele daqui algum tempo, pois ele é ainda apenas um mero rascunho.

https://core.ac.uk/reader/299809050

https://journals.sagepub.com/doi/full/10.1177/16878140211028446

https://ieeexplore.ieee.org/document/5637567

Fui!