Motocicleta Zero DS 2010 - Modificada e Emplacada com Certificado de Segurança Veicular (Parte 1/4)

Enfim, a Motocicleta Elétrica Zero DS ano 2010 que foi modificada em um trabalho em conjunto com o proprietário dela, foi emplacada com sucesso. Legalizada, agora ela está pronta para transitar com liberdade, indo até aonde a sua autonomia (cerca de 95 km em estradas, segundo o manual do usuário do produto, com uma carga completa do pacote de bateria original em perfeito estado) permite.

O feito é grande pois, não se trata de um veículo comum. Além de ser um Veículo Elétrico, ela é importada, não conta com assistência técnica autorizada no Brasil, e teve as suas características originais modificadas com emprego de um novo conjunto motor / controlador. 

O emplacamento dela significa, entre outras coisas, que o projeto está aprovado com o Certificado de Segurança Veicular - CSV. Aqui, vamos descrever, o mais detalhadamente possível, tudo o que foi realizado, do ponto de vista técnico e tecnológico, no reequipamento dessa motocicleta.

Se preferir, veja o vídeo documentário no Youtube.

Motor Revolt RV-160 Pro e Controlador Kelly KEB Aplicados à Atualização de uma Motocicleta Zero DS ano 2010

O Motor Revolt RV-160 Pro:

Ao fazer a atualização de uma Motocicleta Zero DS 2010, diante da necessidade da substituição do seu motor CC escovado original, o Agni 95-R, que sofreu seguidas queimas de escovas e do comutador (mais comumente chamado "coletor"), avaliar as melhores opções de escolha acabaram por conduzir ao motor CC sem escovas de fabricado em Israel da marca Revolt, modelo RV-160 Pro, que pode ser bobinado pelo fabricante, personalizado, especificamente sob medida para uma dada relação rpm/volt requirida (parâmetro referido com KV, com K em letra maiúscula, para não confundir com quilovolt), e para uma dada tensão nominal, para operar com a sua potência máxima continua de 12 kW (com 20 kW de pico) e peso aproximado de 10 kg.

Duas versões de opção de diferentes especificações para o Motor Revolt RV-160 Pro foram, a princípio, pensadas: uma considerando tal motor como sendo especificado para uma Tensão Nominal de 60 V e outra considerando o mesmo motor, porém, para uma Tensão Nominal de 72 V.

Considerando que o pacote de bateria da motocicleta Zero DS 2010 é especificado 14S, ou seja, ele é montado em um arranjo que resulta dele apresentar entre os seus terminais uma tensão equivalente à de 14 células Li-íons em série. Dado que cada célula Li-íon empregada nesse pacote é especificada para uma tensão nominal de 3,8V, resulta numa tensão nominal do pacote de bateria de 14 x 3,8 = 53,2 V. 

Assim, mesmo que o pacote de bateria esteja carregado ao extremo (o que equivale a considerar que cada célula atinja a tensão de 4,2 V), a tensão de saída do pacote de bateria (que nesse caso sobe para 14 x 4,2 = 58,8 V) fica, adequadamente, abaixo da tensão nominal do motor, ainda que ele seja especificado para a tensão nominal de 60 V.

Já, a opção pela tensão de nominal do motor de 72 V, isso daria uma margem maior para uma futura atualização do pacote de bateria, para ele oferecer uma tensão maior. Porém, enquanto isso não for feito (ou seja, enquanto for mantido o pacote de bateria em 14S), a tensão nominal do pacote de apenas 53,2V ficaria muito baixa, comparativamente a tensão nominal do motor (72 V) e, como resultado, a máxima potência do motor ficaria subaproveitada, podendo tornar a operação da motocicleta insatisfatória devido a baixa potência efetivamente desenvolvida. Assim, optou-se pela encomenda de um motor de tensão nominal de 60 V.

A ideia de se obter uma rotação do motor de 3990 rpm com um acionamento alimentado em 14S (53,2 V) é a fim de aumentar (apenas ligeiramente) a característica de Velocidade Máxima nominal original da Motocicleta Zero DS 2010, que é de 67 mph (105 km/h), mantendo a mesma relação da transmissão original dessa motocicleta, que é realizada por meio de uma corrente (#420), com uma engrenagem transmissora (ligada ao eixo do motor) de 16 dentes, e uma engrenagem receptora (ligada ao eixo da roda traseira) de 53 dentes (ou seja, a relação 16T / 53T).

A roda traseira (roda de tração) da motocicleta Zero DS 2010 original é equipada com um pneu 110/90-16, o que provê, ignorando perdas de energia por deslisamento, um descolamento da motocicleta de aproximadamente 1,90 m por volta dessa roda. Considerando a relação da transmissão, temos:

O que resulta numa velocidade horária máxima de:

Note que, se os motores (o novo e o original) tiverem, comparativamente, aproximadamente a mesma potência, pretender um aumento de velocidade sempre tenderá a corresponder a uma diminuição do torque disponível (e vice-versa).  Isso é algo que poderá resultar em um desempenho ruim da motocicleta em aclives.

Motor Revolt RV-160 Pro instalado na Motocicleta Zero DS 2010

Contudo, apesar desse motor se encaixar mecanicamente quase que perfeitamente à motocicleta Zero DS 2010, tal motor tem uma diferença importante em relação ao motor original, uma característica que não pode ser, a princípio, ignorada, que é o fato dele ser um Motor Outrunner, no qual o eixo da máquina se encontra ligado ao rotor, que é externo, ou seja, a maior parte externa do corpo da máquina gira.

Nesse caso, um cilindro oco, de aço inoxidável, que faz fronteira com o ambiente externo, é adotado para conter na periferia de sua circunferência interna o conjunto de ímãs permanentes (neodímio) que são necessários à constituição da estrutura do rotor do motor CC sem escovas. 

Um desafio para aplicar um motor CC sem escovas Outrunner em uma motocicleta consiste em poder mantê-lo limpo e protegido do ambiente. Ao contrário de um motor CC sem escovas Inrunner, o motor Outrunner normalmente não é selado muito bem e têm grandes recortes em ambas as suas faces laterais, ou seja, na tampa e na contra tampa do motor.

Em um avião de Rádio Controle, esses recortes permitem a hélice cumprir o papel arrefecer o motor, soprando ar sobre os enrolamentos (bobinas) do estator do motor durante o voo. No entanto, o ambiente para a operação de uma motocicleta elétrica é muito mais duro, com sujeira de estrada, poças d'água, lama e cascalhos de ruas que podendo ser atirados por sobre a área do motor, os quais podem danificar os enrolamentos expostos ou se alojar no entreferro, travando o giro.

Motocicleta Zero S / DS com motor (original) Agni 95-R

Entretanto, como pode ser observado na imagem ao lado, o motor original da motocicleta, o Agni 95-R (que, apesar de ser um motor escovado, também possui imãs permanentes para produzir o fluxo de campo, em vez de produzi-lo por excitar enrolamentos), também possui aberturas que visam a entrada de ar de arrefecimento, não apenas nas tampas laterais, como também na periferia de seu cilindro oco, pois, o fluxo de ar de arrefecimento através do motor é um fator limitante importante, enquanto a corrente contínua (e o torque desenvolvido) a baixas tensões (baixas velocidades) só pode ser aumentada se a ventilação for boa. 

2013 ZERO Z-FORCE™ 75-7 MOTOR

Além do mais, vale notar que a própria Zero Motorcycles (fabricante norte-americana das motocicletas Zero) abandonou o emprego do motor Agni 95-R em suas motocicletas modelo Zero DS e passou a utilizar o seu próprio novo Z-Force® motor, a partir do ano modelo 2013, ainda que ela tenha precisado fazer um recall das motocicletas, em Março de 2014, devido a "um possível defeito de fabricação" desses motores e, posteriormente, em 2015, anunciou um motor Z-Force totalmente atualizado.

Uma outra questão preocupante é que o corpo de um motor outrunner em rotação pode se tornar um potencial problema de segurança para o motociclista ou para o carona da motocicleta. Isso poderia se tornar, inclusive, em algum empecilho mais sério, na hora de se obter o CSV - Certificado de Segurança Veicular, necessário para se proceder a completa legalização, visando o emplacamento dessa motocicleta.  

Motor CC Sem Escovas (Outrunner BLDC Motor)
Revolt RV-160 Pro - Dimensões Mecânicas

Então realmente convém pensar na necessidade de algum tipo de guarnição protetora em torno do motor para ambas as funções: para protegê-lo contra os elementos do ambiente e para proteger as pessoas contra contato com o corpo dele em movimento.

Olhando atentamente para a o arranjo que é feito na aplicação original da motocicleta Zero DS 2010, com o seu motor Agni R-95, eu observo que o mesmo dispositivo de conduto que é utilizado para transferir o ar de arrefecimento ao motor (a Zero o chama de Z-Force Air Induction System) que é soprado por uma turbina de ventilação, que é constituído de um material plástico preto fino, poderia ser readaptado para servir, concomitantemente, tanto como guarnição protetiva do motor, quanto para uma melhor ventilação de arrefecimento dele.

A estrutura de tal dispositivo tem múltiplas funções protetivas: tanto impede a entrada no motor de (apenas uma parte da) sujeira, barro e objetos, lançados pela roda em locomoção sobre a pista, bem como para evitar o contato do corpo móvel, no caso de um motor outrunner, com partes do corpo (dedos, mãos, pé, cabelos, etc) ou as vestimentas e trajes do motociclista ou de seu carona, além de propiciar a entrada (e saída) do ar de arrefecimento por ventilação forçada.

Já, por sua vez, o motor Revolt RV-160 Pro encomendado ao fabricante chegou com as janelas das tampas laterais dele fechadas, pela inclusão de uma peças feitas a partir de chapa de alumínio, recortadas e coladas nas faces internas de cada uma dessas tampas. Contudo, após alguns testes, foi decidido remover tais vedações das janelas das tampas, pois elas estavam prejudicando, sobremaneira, o arrefecimento do motor, que se aquecia muito e rapidamente, quando em operação na motocicleta.

Isso propiciou a feliz, porém trabalhosa necessidade de ter que abrir o motor Revolt RV-160 Pro para proceder tal retrabalho, o que exigiu o emprego de um saca polias, combinado com duas chaves de fenda grandes utilizadas como alavancas, para romper o poderoso campo atrativo dos imãs permanentes do rotor sobre o material do núcleo do estator.

Motor Revolt RV-160 Pro aberto para retrabalho

A troca do motor da motocicleta Zero S / DS 2010 a partir do motor Agni 95-R para um novo motor Revolt RV-160 Pro implica, também, na necessidade da troca do Controlador do Motor, uma vez que o motor original é um motor CC escovado, enquanto o novo motor é um CC sem escovas (tal como um Motor CA Trifásico Síncrono, só que com o número de polos do estator diferente do número de polos do rotor). 

Muito embora ambos motores contenham ímãs permanentes em sua constituição, eles os empregam por razões bem diferentes quanto a finalidade: o Revolt RV-160 Pro usa os ímãs permanentes para formar os pares de polos no rotor, enquanto o Agni R-95 os emprega em substituição aos enrolamentos de excitação (ou enrolamentos de campo), ou seja, para produzir o fluxo de campo (uma arquitetura mais antiga e tradicional para motores CC).

Por conta disso, o Controlador do Motor também precisa ser substituído, pois, a comutação do novo motor (em contraponto à comutação do motor CC escovado original que é realizada por um conjunto de oito escovas deslizando sobre o comutador) para motores CC sem escovas é um processo de comutação eletrônica de seis etapas, realizada fora do motor, pelo controlador do motor. O princípio de funcionamento do motor CC sem escovas (que eu prefiro chamar, simplesmente, de Máquina Elétrica de Imãs Permanentes), já foi tratado diversas vezes em vários diferentes artigos postados no blog Veículos Elétricos.

Conseguintemente, por conta da troca do Controlador do Motor, uma série outras modificações precisam ser feitas no sistema eletroeletrônico da motocicleta, tanto para que este controlador possa operar corretamente, quanto para que o Controlador Dedicado da Motocicleta não fique com nenhuma de suas importantes funções originais comprometidas.

Uma questão que surge, então, por exemplo, é que o novo Controlador do Motor precisa tomar posse da função de monitoramento da temperatura do motor, função que, antes, era feita, exclusivamente, pelo Controlador Dedicado da Motocicleta.

O novo Controlador do Motor exige que o motor possua um termistor (sensor de temperatura) específico, diferente daquele que é empregado no motor Agni R-95 original da motocicleta. Entretanto, esse novo termistor é incompatível para que o Controlador Dedicado da Motocicleta possa proceder o adequado comando liga / desliga do motor do ventilador do dispositivo de conduto que é utilizado para transferir o ar de arrefecimento ao motor original.

Motor Revolt RV-160 Pro montado com Ventoinha Externa

Assim, após testes, decidiu-se por não mais empregar o dispositivo de conduto que era utilizado para transferir o ar de arrefecimento ao motor (o Z-Force Air Induction System), uma vez que uma simples ventoinha, retirada de um cooler de 120 mm, foi adaptada para ser agregada à ponta anterior do eixo do novo motor, com suas sete hélices cuidadosamente posicionadas em relação às quatorze aberturas da tampa do motor (1 hélice para cada 2 aberturas).

Opcionalmente, uma ventoinha de sete hélices de um cooler de 140 mm também pode ser empregada, para produzir um maior fluxo de ar. Até o presente momento, ficou provado que isso basta para ajudar a prover um bom arrefecimento para o motor, cujo estator é constituído de enrolamentos que são feitos com Fios Cobre Esmaltado de alta classe (Classe H, 180°C (IEC 60317-8)), permitindo que ele opere em temperaturas bastante elevadas (até 160°C, seguramente).

Quanto a comutação de um motor CC sem escovas, ela é controlada eletronicamente. Para girar continuamente o eixo de um motor CC sem escovas os enrolamentos do seu estator devem ser energizados numa dada sequência. Em aplicações de motocicletas, a carga mecânica (conjugado resistente) sentida pelo eixo do motor varia durante a operação, ao longo de uma faixa de velocidade, e exige uma certa precisão e rapidez de controle para prover boas respostas dinâmicas.

Para o controlador desse motor é importante conhecer a posição do rotor, a fim dele determinar qual deve o enrolamento a energizar, a cada passo, seguindo uma sequência de energização correta. Tanto a velocidade quanto a posição do rotor é informada por dispositivos de realimentação executados em malha fechada, usando algoritmos avançados de controle, que requerem um controlador especialmente desenvolvido para tal aplicação. A posição e velocidade do rotor é detectada por meio de Sensores de Efeito Hall, em geral, montados internamente, incorporados ao conjunto do estator do motor.

A maioria dos motores CC sem escovas tem três sensores Hall, montados no interior do motor, anexados à estrutura de seu estator, em geral, próximos da parte traseira, ou seja, na extremidade oposta daquela por onde sai o eixo de tração do motor. Os sensores Hall podem ser montados numa placa de circuito impresso e fixo à tampa de invólucro na extremidade oposta a saída do ponta do eixo. Isso permite aos usuários ajustar o conjunto completo de sensores Hall, para alinhá-lo com a interação dos polos entre rotor-estator, a fim de obter o melhor desempenho.

Durante a operação, sempre que os polos magnéticos dos ímãs alojados no rotor passam perto de cada um dos respectivos sensores Hall eles mudam de estado, produzindo um sinal elétrico digital (do tipo estado alto / estado baixo), indicando se é um ímã com face referente a polo N ou a polo S que está passando perto daquele específico sensor. Com base na combinação dos três sinais dos sensores Hall, pode ser determinada, pelo controlador, a exata sequência de comutação da energização dos enrolamentos que deve ser procedida.

Incorporar, integrando os sensores Hall para o estator do motor é um processo complexo uma vez que qualquer desalinhamento nestes sensores Hall com respeito aos ímãs do rotor geram um erro na determinação da posição do rotor. Para simplificar o processo de montagem dos sensores Hall para o estator alguns motores podem ter um conjunto extra de pequenos ímãs para o serviço de comandar os sensores Hall, em separado dos ímãs principais do rotor que produzem o fluxo de campo magnético responsável pelo alto torque do motor. 

Contudo, ter esse conjunto de ímãs extras, em separado, praticamente não é possível de ser feito em um motor CC sem escovas como o Revolt RV-160 Pro, porque ele é um motor do tipo de fluxo radial, com uma dimensão bem curta no sentido axial (motor magro), além dele ter rotor externo (outrunner). Não há lugar conveniente aonde se possa colocar os sensores Hall, internamente, num motor assim, sem que eles estejam sob o efeito dos intensos campos magnéticos dos ímãs principais do rotor. 

Neste caso específico (motor Revolt RV-160 Pro), cada um dos três sensores Hall estão alojados, colados, próximos às bordas dos vãos que há entre as ranhuras do estator, um sensor para cada quatro do total de doze ranhuras. Assim, nesse caso, os mesmos campos magnéticos dos ímãs principais do rotor, além de gerar o fluxo que produz o torque, são usados, também, para comandar as mudanças dos estados dos sensores hall, enquanto o rotor do motor gira.

Motor Revolt RV-160 Pro - vista interna da posição dos sensores de efeito Hall

Para controlar o motor Revolt R-160 Pro, foi escolhido um novo controlador dentro da linha de produtos da empresa Kelly Controls, LLC, um dos fabricantes mais creditados do mercado, não apenas de controladores de motores, mas, também, de uma linha completa de produtos para mobilidade elétrica.

Controlador Kelly  KEB72121E (Controlador de Motor CC Sem Escovas):

Controlador Kelly escolhido para a aplicação é o modelo KEB72121E, que opera na faixa de tensão de bateria desde 24 V até 72 V, para corrente de fase de pico máxima (por até 10 segundos, não repetitivo) de 550 A (ou corrente de fase máxima de 200 A constante), potência nominal máxima 12 kW, descrito como BIKE BRUSHLESS CONTROLLER / REGEN.

Muito embora tal controlador tenha a Função Regem (frenagem regenerativa), ela não pôde ser empregada na motocicleta Zero DS 2010, num primeiro momento, sem que nós conhecêssemos, antes, também, as especificações do Carregador Embarcado (QUIC da Delta-q Technologies) existente na motocicleta, a fim de garantir que o mesmo pudesse, efetivamente, proteger o pacote de baterias contra uma eventual sobrecarga, muito embora o BMS (Battery Management System) da motocicleta Zero DS 2010 tenha uma função redundante que também pode realizar tal proteção.

Já, a opção pela escolha de um Controlador de Motor especificado como “de alta velocidade” (uma opção de versão oferecida pelo fabricante Kelly Controllers LLC) não significa que ele aumentará (e nem que diminuirá) a velocidade final do motor, mas, sim, significa, tão somente, se ele será (ou não) capaz de capturar, adequadamente, o Tempo de Comutação de cada um dos três sensores Hall instalados distanciados a 120° (ou, opcionalmente, a 60°), que se encontram alojados dentro do motor CC sem escovas.

A configuração de Polos do Estator / Polos do Rotor 12N 14P (que significa que existem 12 Ranhuras no estator e 14 magnetos no rotor) relativa ao motor CC sem escovas Revolt RV-160 Pro é comum para aplicações de torque mais elevados e velocidade final não muito alta, além de baixa contagem de enrolamento por dente. Uma configuração de motor comumente conhecida por sua operação suave e silenciosa. 

O Padrão do Enrolamento do estator é AabBCc aABbcC (as vezes também descrita como AacCBb aACcbB, o que significa exatamente a mesma coisa), em que cada letra (a, b ou c) refere-se a uma das três fases do motor (que é trifásico), enquanto que, a mudança entre maiúscula e minúscula de cada letra implica em sentido inverso na direção do enrolamento da respectiva bobina do motor (enrolamento em sentido horário / enrolamento em sentido anti-horário).

Este padrão de enrolamento é conhecido pelo acrônimo DLRK (Distributed Lucas, Retzbach e Kuhfuss) pois ele deriva do arranjo conhecido pelo acrônimo LRK (Lucas, Retzbach e Kuhfuss), que por sua vez foi (e ainda é) o padrão adotado por motores que são conhecidos como Motores com Seção de Fase Dividida (Split Phase Sector Motor (SPS)), um tipo elegante de motor CC sem escovas que deu origem aos motores outrunners.

Como se pode observar pelos números (12N 14P), a quantidade de ímãs permanentes no rotor (ou número de polos do rotor (P)) não coincide com a quantidade de enrolamentos do estator (ou número de polos do estator (N)), ou seja, não se trata, exatamente, de um tipo de Motor CA Síncrono clássico, nos quais o número de polos do estator é o mesmo número de polos do rotor.

O Número de Polos Magnéticos do rotor se definido pela quantidade de ímãs que são alojados nele. Neste caso, são 14 polos magnéticos (14 peças de imãs no rotor, lembrando que trata se de 7 Polos Norte e 7 Polos Sul), que são dispostos de modo a que ímãs adjacentes sejam de polaridades magnéticas  (Norte ou Sul) opostas entre si, ou seja, as peças de imãs permanentes são dispostas em polos alternados.

O número de polos magnéticos no rotor divididos por dois é denominado Número de Pares de Polos (14 / 2 = 7 pares de polos). O número de pares de polos dá a relação entre a velocidade do campo magnético girante e a frequência de rotação do rotor / eixo do motor. Assim, o eixo de um motor que possua rotor dotado com 14 magnetos que são alojados, distribuídos, ao longo da circunferência de seu rotor, girará 7 vezes mais lento do que o campo magnético gira ao longo da circunferência de seu estator.

Também podemos fazer: (360° / 14 polos) / 3 fases x 6 passos sequenciais = 51,42 ° (resultado arredondado para duas casas decimais e onde os denominados passos sequenciais são referentes aos seis diferentes estados combinatórios de comutação apresentados pelos sensores Hall que são necessários para fazer tal motor rodar (e, se fosse um motor de dois polos, ou um par de polos, o rotor giraria em uma revolução completa):

360 ° / 51,42 ° = 7, ou seja, a relação entre a velocidade do campo magnético girante e velocidade de rotação do rotor / eixo do motor é 7:1.

Há duas maneiras distintas de se bobinar o estator de um motor outrunner 12N 14P DLRK sendo que ambas resultam no mesmo padrão de enrolamento já mencionado (AabBCc aABbcC). Porém, a segunda maneira (aquela que é a mostrada à direita na figura a seguir) é mais conveniente, principalmente, para se proceder o fechamento dos enrolamentos motor em Triangulo (Δ ou Delta), pois os fios que têm que ser interligados no fechamento terminam próximos.

Independente de qual das duas formas apresentadas acima seja a empregada no fechamento do motor RV-160 Pro que foi encomendado à empresa israelense Revolt para a aplicação na motocicleta Zero DS 2010, o que importa é que ele foi especificado para apresenta uma rotação de 4500 rpm quando operando a tensão nominal de 60 V (que é a tensão nominal máxima da alimentação sob a qual este motor pode operar, sendo que o  pacote de bateria Li-íons da motocicleta apresenta um arranjo 14S, o que provê uma tensão nominal de 14 x 3,8 V = 53,2 V).

Com efeito, se considerarmos a tensão nominal de saída do pacote de bateria, que é de 53,2V (ou seja, classificação 14S), a rotação do motor corresponderá a meros 3990 rpm. Isso é determinado em função de um KV (rpm/volt, não confundir com quilovolt) especificado de valor 75, que é algo ligeiramente superior ao KV de valor 71 que é correspondente ao do motor Agni 95-R, original da motocicleta. Já, quanto ao número de polos do rotor, que é 14 (pois ele apresenta 14 magnetos distribuídos no rotor), significa que ele apresenta 7 pares de polos. 

O motor Revolt RV-160 Pro tem 3 sensores Hall (distanciados a 120°), o que caracteriza um sistema trifásico padrão. Dai, o parâmetro eRPM (velocidade elétrica ou velocidade do campo girante) pode ser calculado, sendo definido por rpm vezes par de polos, resultando em: 7 x 4500 = 31500.

Assim, temos eRPM = 31500 e, portanto, a opção por controlador Kelly KEB na versão de alta velocidade, em que o PWM opera com frequência 33 kHz (recomendado para os casos em que eRPM ≥ 40000), em vez do padrão comum de 16,6 kHz  não é requerido para o caso do controlador para ser empregado na motocicleta Zero DS 2010 com o novo motor Revolt RV-160 Pro. 

Contudo, foi feita escolha da opção por um controlador com gabinete de alumínio com grau de proteção IP65, melhor protegido contra umidade, mais adequado para um ambiente agressivo e molhado de operação da motocicleta.

Note que, ao realizar a comutação dos transistores MOSFETS de potência da sua ponte trifásica, o controlador produz a F_EM (força eletromotriz, no caso, a Tensão de Linha  (VL) que é vista entre cada par de terminais de fase do motor) do motor. Basicamente o cruzamento por zero de cada uma das três F_EM deve se alinhar com a respectiva borda do sinal de um dos sensores hall (como mostrado na figura a seguir), para ambos os casos previstos de disposição de sensores hall, isto é, a 60° ou a 120°.

Contudo, neste caso, o controlador não opera o sincronismo por detectar o cruzamento de zero da F_CEM (força contra eletromotriz), tal como é feito nos casos de controle sem sensor (controle sensorless). Ele apenas lê os sinais dos sensores hall, e assume, presumidamente, que o FEM alinha-se com eles. 

Todavia, para isso ter efeito, o motor já deve vir de fábrica com os sensores hall dispostos (conforme o pedido que foi feito, no caso, a 120°) e bem alinhados, conforme a figura mostrada a seguir, que mostra exemplos dos intervalos de tempo e os devidos alinhamentos dos sinais de Hall para cada um dos os casos (sensores dispostos a 60° e a 120°).

A partir da próxima postagem, continuaremos com esse mesmo tópico, relatando sobre a preparação preliminar do Controlador Kelly KEB e do Sistema Eletroeletrônico da Motocicleta.

Até breve!

Veja Também:

Motocicleta Zero DS 2010 - Modificada e Emplacada com Certificado de Segurança Veicular (Parte 2/4)

Motocicleta Zero DS 2010 - Modificada e Emplacada com Certificado de Segurança Veicular (Parte 3/4)

Como se Constituem e Operam os Motores CC Sem Escovas (Motores BLDC) - 2/2

(Continuação da Parte 1)

Há uma certa variedade de tipos de materiais empregados para a laminação do estator do motor, mas, a feita de aço silício está entre os mais populares, enquanto que, a laminação feita de aço laminado a frio não se mostra adequada para núcleo de estator de máquinas elétricas de campo girante, como os motores BLDC, mas ele pode ser empregado no núcleo de outros tipos de máquinas elétricas.

A laminação feita de aço laminado a frio é um material de laminação econômica, o que o faz, de todos, o mais popular. O aço é simples de estampar e causa menor desgaste de ferramentas no processo de fabrico em comparação com outros materiais. É uma boa opção quando você busca elaborar uma peça que é acessível e barata, e, também, que você esteja disposto a aceitar grandes perdas do núcleo. O tratamento térmico é um pouco crítico e, quando devidamente recozido, graus de laminação de aço modernas têm perdas do núcleo que rivalizam com os de aço silício de mais baixos graus. Você pode escolher emparelhar a laminação feita de aço laminado a frio e, em seguida, aplicar uma demão de óxido para adicionar resistência interlaminar para o material.

Já, o aço silício (ou aço elétrico), é um aço de baixo teor de carbono, com pequenas quantidades de silício adicionadas. Esta adição reduz as perdas por correntes de Foucault no núcleo. Este material é melhor quando você procura uma peça de mais alta performance, como para um item que utiliza movimento. A adição de pequenas quantidades de silício misturado ao aço de baixo teor de carbono faz aumentar resistividade elétrica (ou resistência elétrica específica) do material resultante, o que ajuda a reduzir as perdas por correntes de Foucault no núcleo.

Os aços silício são dos materiais mais usados para os projetos de máquinas elétricas empregadas em controle de movimento, onde o custo adicional é justificado pelo aumento da performance. Estes aços estão disponíveis numa variedade de graus e de espessuras de modo que o material pode ser adaptado para várias aplicações. O fato do silício adicionado tem um forte impacto sobre a redução longevidade das ferramentas de estampagem, e o isolamento de superfície selecionado também afeta a vida do molde. 

Aços silícios são, geralmente, especificados e selecionados com base em perda do núcleo admissível, em geral, em Watts por libra. Os graus são designados em ordem por incremento da perda do núcleo por números M, tais como M19, M27, M36 ou M43, com cada grau especificando uma perda máxima do núcleo.

Os números M mais elevados (e, portanto, perdas do núcleo admitidas maiores) são progressivamente de menor custo, embora apenas uma pequena poupança econômica seja feita com cada passo para baixo no desempenho. Devido a isso, o grau M19 tornou-se, no final, o grau mais comum para os produtos de controlo de movimento, uma vez que oferece a menor perda do núcleo, com apenas um pequeno impacto nos custos, particularmente, em pequenas para médias quantidades de produção. Além do grau, há, ainda, uma série de outras decisões a tomar sobre aços silício. Estes são:

• Materiais Semiprocessados Vs. Materiais Totalmente Processados: os melhores graus de aço silício (M19, por exemplo) são sempre fornecidos totalmente processados;

• Recozimento Após a Estampagem: O processo de recozimento após estampagem alivia o stress e elimina excesso de carbono desnecessários. Apesar de recozido na fábrica, o material totalmente processado pode necessitar de um recozimento de alívio do estresse (que é introduzido durante a estampagem, que degrada as propriedades do material em torno das bordas da laminação) adicional, depois de de estampagem. Isto é particularmente verdadeiro para as peças com seções mais finas, ou destinada a aplicações em que é necessário muito alta densidade de fluxo;

• Espessura do Material: A seleção da espessura da laminação é uma relação de compromisso bastante simples entre a perda do núcleo admitida versus o custo. Lâminas mais finas exibem perdas menores (especialmente com o aumento da frequência das reversões do fluxo), mas o material mais fino é mais caro, e ainda mais camadas de laminações são necessárias para uma determinada altura da pilha. As espessuras mais comuns são 0,014, 0,0185 e 0,025 polegadas. (calibre 29, calibre 26, e calibre 24, respectivamente). Para aplicações de alta frequência e alta performance, estas espessuras são complementadas por aços elétricos ainda mais finos, disponível em 0,002, 0,004, 0,007 polegadas de espessura, e apenas produzidas em grau M19;

• Isolamento de Superfície: Aços silício estão disponíveis com vários tipos de isolamento, empregando diferentes tipos de materiais de revestimento, classificados pelas designações C-0 (que é o de menor custo), C-3, C-4 e C-5, sendo que C-5 é, provavelmente, a melhor escolha para a maioria das aplicações sensíveis ao desempenho.

Bloco laminado típico BLDC de rotor interno

Para motores projetados para altas velocidades, muitas vezes, é mais adequado usar um material de laminado com bem pequeno campo coercitivo para o estator, como liga FeNi. Laminados de ligas FeNi empregam, em geral, dois diferentes tipos de ligas, uma com 49% Ni e outra com 80% Ni, em ambos os casos combinados ao ferro puro. Estas ligas são escolhidos pela sua permeabilidade muito elevada, para baixas perdas do núcleo, sob densidades de fluxos moderadas. Estas características tornam ideais não só para motores, mas particularmente para synchros 2 e resolvers 3. Materiais são significativamente mais elevados no custo do que aços silício, e exigem um tratamento cuidadoso para atingir propriedades aceitáveis.

Bloco laminado típico BLDC de rotor externo

Ligas de níquel exigem um ciclo de recozimento muito cuidadoso, a fim de ser útil. A temperatura requerida é mais de 1090 °C, e devem ser tomadas precauções especiais para evitar a soldagem das lâminas em conjunto a essa temperatura. Normalmente, o pó de óxido de alumínio é colocada entre as lâminas, ou uma solução de óxido de magnésio pode ser aplicado às partes e deixada a secar. Além disso, é necessária uma atmosfera de hidrogênio muito puro seco. Finalmente, como se isso não bastasse, as propriedades das peças recozidas são muito sensíveis ao estresse. Dobrar ou até mesmo deixar cair as lâminas podem destruir completamente o seu valor. Por esta razão, o achatamento da peça acabada deve ser estreitamente controlada para evitar tensões quando colocadas em pilhas.

Isolamento de superfície para laminados de ligas de níquel deve ser adicionado como parte do processo de recozimento. Mais comumente, ar ou de vapor é introduzido na autoclave a cerca de 480 °C, que produz um filme preto azulado integral com a superfície da peça. O isolamento não está disponível na matéria-prima como é o caso de aço ao silício. A discussão anterior não pretende implicar que os utilizadores das ligas de níquel deve esperar problemas, e, de fato, o material de que é largamente utilizada, mas apenas em determinadas aplicações, devido ao elevado valor das peças acabadas.

Já, laminações de liga de cobalto (nome comercial Hiperco ou Vanádio Permundur) são necessárias em determinadas aplicações, mas devido ao seu custo muito elevado devem ser considerado um último recurso depois de examinar as outras alternativas. A sua principal utilização é nas aplicações que requerem a mais elevada densidade de fluxo possível sem saturação. A saturação típica é tão elevada como 22-23 kG. Na maioria das vezes, Na maioria das vezes, elas encontram utilização em aplicações sensíveis ao peso no ar e outras em que uma menor massa de metal pode ser utilizada para transportar o fluxo requerido. O grau utilizada tem 48-50% de cobalto, com o balanço de ferro, e 2% de vanádio. Ocasionalmente encontra uso, também, onde a sua elevada resistência à tração é vantajosa, mas o stress é raramente um critério de concepção para lâminas primárias.

Como as ligas de níquel, liga de cobalto requer um recozimento muito precisa após estampagem, e devem ser isolados com um revestimento de óxido. Não requerem altas temperaturas de níquel, mas uma atmosfera de hidrogênio seco é necessário. As peças devem ser trazidos para dentro de um estreito e temperatura, e se uma temperatura crítica é excedido, as propriedades magnéticas serão destruídas e as peças devem ser desmantelada. Esta temperatura crítica varia de acordo com fornecedor de material, mas é por volta de 885 °C. O fornecedor de material deve ser consultado antes de especificar um ciclo de recozimento. A taxa de arrefecimento deve ser cuidadosamente controlada para obter os melhores resultados. Um revestimento de óxido é geralmente adicionado como um processo separado.

As perdas no ferro dependem do quadrado da indução nas lâminas de ferro e do quadrado da frequência da comutação. Por esta razão, geralmente, motores com um elevado número de pares de polo terão limitações quanto a velocidade. Em muitos casos, de acordo com o projeto, um motor com dois pares de polos terá mais perdas no ferro do que um motor com um par de polos, mas é provável que este motor terá uma melhor R / K².

Sem considerar as limitações de alta velocidade um projetista de motor tenta optimizar o torque que o motor pode fornecer para uma dada potência. A figura de mérito R / K² (resistência da bobina do motor dividido pelo quadrado do torque constante do motor) é um bom fator para caracterizar um motor. Quanto menor for o valor, melhor é o motor. Um bom motor deve ter uma pequena resistência e um elevado torque constante.

O pessoal aficionado em modelismo, enquanto hobistas, precisa ter um entendimento facilitado para poderem especificar e usar os motores BLDC que os aeromodelos empregam, de modo que, para eles mais vale uma “regra de ouro” que seja dura e rápida ou, simplesmente a regra Watts por libra (ou Watts por kg) que é aquela que lhes permite determinar a potência necessária, principalmente no caso de dar aos aviões elétricos de RC um certo desempenho desejado. Tal regra refere-se a determinar quantos Watts (W) de potência para o motor são necessários por libra (lb), ou por quilograma (kg) de peso do avião, e os valores aproximados variam de 50 W para 200 + W.

Em geral, aceita-se que qualquer aeromodelo com menos de 50 W / lb terá dificuldades a menos que tenha uma carga de asa muito, muito baixa. No outro extremo da escala, uma configuração de acionamento da máquina elétrica que esteja entregando 200 W / lb (ou mais) vai significar que você tem praticamente ilimitado desempenho balístico!

Aqui estão algumas classes de valores com base em Watts por libra, muito bons pontos de partida, que você deve ser capaz de relacionar com o seu aeromodelo:

• Menos de 50 W / lb – muito leve / baixa carga de asa e máquina voadoras mais lentas;

• 50 W / lb a 80 W / lb – planadores motorizados, máquinas voadoras básicas de parque e treinamento; biplanos clássicos e antigos, tipo aviões “Old Time”; 

• 80 W a 120 W / lb – voo esporte geral e acrobacias básicas e intermediárias. Muitos modelo de escala (por exemplo, modelos clássicos de avões militares) visam atender esta faixa de potência;

• 120 W a 180 W / lb – acrobacias mais graves, padrão de voo, 3D e escala de jatos com ventilador elétrico canalizado por cobertura cilíndrica (EDF);

• 180 W a 200 W + / lb – jatos mais rápidos e de maior capacidade de carga. 

É importante notar que, embora a regra Watts por libra funcione bem no voo real do modelo, a referência mais realista e precisa para o desempenho de um avião em relação ao seu desempenho de voo é chamado de carga de asa. Quanto maior for a área da asa e mais leve o avião, então mais baixa é a carga asa (e vice-versa). Carga de asa mais baixa significa capacidade de decolagem mais lenta e melhor performance de voo de muitas maneiras. Para o propósito de cálculo dos requisitos de energia para o seu modelo, em termos da regra Watts por regra libra, trabalhe com o peso real do mesmo e não se preocupe com área da asa ou sua carga.

Os fabricantes têm, ainda, tentado desafiar a sabedoria convencional, melhorando o projeto do motor BLDC, em um esforço para novas inovações. Um notável exemplo de quão longe essas inovações têm progredido envolve a arquitetura Slotless (ou, de estator sem ranhura, em vez de estator ranhurado) na construção do elemento estacionário do motor BLDC, ou seja, o estator.

O projeto de estator slotless foi originado com o objetivo de oferecer um desempenho de bom funcionamento e eliminar, principalmente, o cogging (ou torque de sacolejo, que é uma característica indesejável), uma perturbação especialmente considerável em aplicações mais lentas (de operação abaixo de 500 rpm). A ausência de cogging é, de fato, a razão mais frequentemente citada para a seleção de um motor BLDC sem ranhura (mas não a única).

Como vimos até agora, em motores de comutação eletrônica tradicionais, ou seja, os com ranhuras, o estator apresenta um grupo de lâminas de aço (em geral, de 0,004 ' até 0,025 ' de espessura), empilhados e fundidos, tendo um certo perfil de modo a formar as ranhuras em torno do estator, as quais são semelhantes a dentes. Os enrolamentos de bobinas de cobre, que produzem campos eletromagnéticos, são inseridos em cada uma das ranhuras. Em conjunto, a pilha de laminados e as bobinas do enrolamento de cobre formam o conjunto do estator. O caminho de retorno completando o circuito magnético é composto pelo material laminado o externo dos enrolamentos de cobre no estator e a carcaça do motor.

Estes motores sem escova com ranhuras são especialmente potentes, porque os dentes em torno do qual o fio de cobre é enrolado tornam o ferro alocado mais perto dos ímãs do rotor, de modo que o circuito magnético é terminado em uma maneira mais eficiente. À medida que o intervalo de ar entre o ferro e os ímãs (ou entreferro, o vão de ar que faz separação entre os materiais do circuito magnético do rotor e do estator)) é reduzido, o torque disponível a partir do motor é aumentado.

Contudo, estatores com ranhuras são conhecidos por causar sacolejo (cogging), que é atribuído aos dentes na sua construção. Cogging ocorre quando os ímãs permanentes no rotor procuram por um alinhamento preferencial natural com as ranhuras do estator. A realização de enrolamentos de fios de cobre através das ranhuras tende a aumentar este efeito.

Conforme os ímãs passam pelos dentes, eles têm uma maior atração para o ferro nas extremidades dos dentes, do que pelos intervalos de ar entre eles. Esta atração magnética irregular faz com que o sacolejo, que em última análise contribui para a ondulação do torque, perda de eficiência, vibração do motor e ruído, bem como impede a operação suave do motor em velocidades lentas, aconteça. Um estator slotless (estator sem ranhuras ou não ranhurado) oferece uma solução para os problemas verificados com o sacolejo em motores CC sem escovas com ranhuras.

No entanto, mais uma vez, é evidente que as vantagens do motor BLDC de tecnologia ranhurada ainda são notórias e não devem ser esquecidas, tais como, facilidade personalização de enrolamento, aumento na melhoria da dissipação de calor, a capacidade de suportar altos picos de torque e a alta densidade de potência.

Em vez de enrolamento de fios de cobre ser alojado através de ranhuras em uma pilha laminada de aço como em motores BLDC convencionais com ranhuras (ou motor ranhurado), os fios do bobinado do motor slotless (sem ranhuras) são enrolados em uma forma cilíndrica e são encapsuladas numa resina de epóxi de alta temperatura para manter a sua orientação em relação às lâminas do estator e a montagem de alojamento.

Esta configuração, que substitui os dentes do estator, elimina o sacolejo completamente e isso resulta em, ambos, atributos operacionais desejados, tanto operação silenciosa, quanto desempenho suave em baixas velocidades. O projeto sem ranhuras também reduz as perdas devidas a taxas de amortecimento relacionadas com as correntes de Foucault. Estas correntes são mais fracas em um motor sem ranhura porque a distância entre o laminado do estator e os ímãs do rotor (entreferro) é maior do que num motor com ranhuras.

Os motores sem ranhuras são normalmente concebidos com torque de saída senoidal, que produz uma distorção desprezível, em vez de uma saída de tensão trapezoidal. A saída sinusoidal reduz a ondulação do torque, especialmente quando usado com um controlador sinusoidal. Como o projeto sem ranhuras não tem dentes no estator para interagir com os ímãs permanentes, o motor não gera de torque retenção. Além disso, a saturação magnética baixa permite que o motor funcione a várias vezes a sua potência nominal durante curtos intervalos de tempo, sem atenuação de torque perceptível a níveis de potência mais altos.

Comparado com motor com ranhuras, a construção sem ranhuras também pode reduzir significativamente a indutância para melhorar a largura de banda. Os dentes de um motor com ranhuras naturalmente causam mais indutância: as bobinas de fio de cobre em torno dos dentes interagem com o ferro em um motor com ranhura, e essa interação tende a elevar a reação de oposição à variação brusca de corrente, resultando em mais de amortecimento (ou arrasto) e impactando negativamente, na resposta motora à aceleração e à desaceleração da construção com ranhuras.

Em termos de motores convencionais com ranhuras, eles são usados para apreciar a vantagem sobre os tipos sem ranhuras, devido (como observado) à proximidade de ferro e ímãs (entreferro reduzido), proporcionando, comparativamente mais potência, no entanto, os fabricantes vêm tentando reduzir esta vantagem, devido à utilização de magnetos de ainda mais altas coesividades, os ímãs de terras raras de cobalto samário e neodímio ferro boro de maior coercividade, selecionando dentre estes, os de mais elevado Produto-Energia para emprego no rotor destes motores sem ranhuras.

Ao incorporar estes ímãs, os fabricantes de motores BLDC sem ranhuras têm sido capazes de compensar em grande parte a maior distância de entreferro, obtendo, efetivamente, o mesmo desempenho de torque comparativo para os motores com ranhuras. A combinação da eliminação dos dentes do estator e com o emprego de ímãs mais fortes contribui para maximizar a força do campo eletromagnético para uma potência de saída ótima. Ímãs de terras raras, combinado ao fato de que menos bobinas, ou voltas do fio são necessários em motores sem ranhuras, também ajudam a contribuir para a baixa resistência elétrica, baixo indutância dos enrolamentos, baixo atrito estático, e alta eficiência térmica do motor sem ranhuras.

Pequeno Motor BLDC de Rotor Interno e Estator Sem Ranhura

Uma diferença mais importante entre projetos sem ranhuras e com ranhuras é o diâmetro do rotor. Motores sem ranhuras têm um diâmetro maior do rotor, do que a construção com ranhuras, para o mesmo diâmetro exterior do motor. Isso, por um lado, gera uma maior inércia, mas, por outro, permite acomodar mais material magnético para elevar o torque. Para aplicações com cargas de alta inércia, o produto sem ranhuras é mais provável de ser especificado com sucesso.

A primeira grande aplicação de sucesso de motores BLDC sem ranhuras, foi, sem dúvidas, para fazer girar o disco em unidades de armazenamento de massa de computadores (os discos rígidos), cuja indústria adotou um motor BLDC sem ranhuras do tipo rotor externo (outrunner), para este fim específico, desde o final dos anos 90, e que atualmente, combinados com o emprego de rolamentos de alta precisão, permitem atingir velocidades rotacionais de 10.000 rpm, ou mais, e uma vida útil deveras impressionante.

Outra aplicação importante, mais recente e ainda em desenvolvimento crescente é a de motores BLDC sem ranhuras de fluxo axial para emprego em acionamento direto das rodas em veículos elétricos, as quais já foram tratadas, especificamente, em um artigo anterior a este. Também é notável a aplicação de tais motores em aplicações de equipamentos de teste e medição, e equipamento médico e de sala limpa.

Como exemplos, os projetos de equipamentos médicos que podem utilizar motores sem ranhuras incluem o controle preciso em máquinas que bombeiam e medem fluidos em áreas delicadas, como olhos. Em equipamentos de imagens médicas, motores BLDC sem ranhuras diminuem a agressão, proporcionando a operação mais suave em baixas velocidades. Por sua vez, controles de aviões fornecem um sinal de realimentação mais suave para os pilotos. 

Ao eliminar o cogging e a vibração resultante, estes motores podem reduzir problemas ergonômicos associados com ferramentas de produção manuais. Outras aplicações apropriadas incluem escâneres, robôs para armazenamento de bibliotecas de dados, rotação de refletor de feixe de laser e equipamentos de rotação de antenas de radar, entre muitos outros.

Como acontece com a maioria dos motores de hoje, apresentam um design modular, de forma que pode ser personalizado para atender aos requisitos de desempenho específicos, também os motores BLDC sem ranhuras, como exemplo, podem integrar tanto redutores de impulso, quanto planetários, para os requisitos de torque e de custo específicos de um aplicativo, sendo que os redutores planetários oferecem uma alternativa de maior torque.

Tal qual os motores ranhurados, os motores sem ranhuras podem, ainda, ser personalizados com codificadores ópticos, que fornecem a realimentação da posição exata, da velocidade e da direção, aumentando muito a capacidade de controle do motor, e permitindo que os motores sejam utilizados numa gama mais ampla de aplicações. Como uma alternativa de baixo custo para encoders ópticos, indicadores de posição do tipo sensor Hall, também pode ser especificado.

Ao utilizar encoders ópticos, drivers de linha diferenciais podem ser utilizados para eliminar os efeitos de ambientes eletricamente ruidosos. Drivers de linha diferenciais são projetados para garantir retorno de posição não corrompida do codificador para o circuito de controle.

Apesar das comparações gerais do projeto e do desempenho comentado aqui para os motores BLDC, tipos sem ranhuras e ranhurados, deve-se manter a cautela em tirar qualquer conclusão sobre que tipo é a melhor escolha sobre o outro. Há simplesmente muitas variáveis que devem ser avaliados, que vão desde o tamanho de rotor, os enrolamentos para alojar e componentes especiais. Uma determinada aplicação e seus requisitos devem ser os fatores que norteiam na escolha de um determinado tipo de motor e os componentes personalizados a serem incorporados.

Algumas notícias encorajadoras que podem beneficiar claramente a aplicação de um motor BLDC sem ranhuras é que os custos estão caindo para estar mais em sintonia com aqueles praticados para os motores ranhurados. Isso é por causa de novas técnicas de produção simplificados e fornecimento de uma escala cada vez mais disponíveis de poderosos ímãs, que estão ambos começando a ter um impacto positivo nos custos do produto final.

Independentemente de qualquer diferencial de custo, no entanto, para muitas aplicações, motores BLDC sem ranhuras poderão ser a escolha preferida para resolver questões específicas de exigência. Embora os avanços em eletrônica estejam começando a ser aplicados de modo a prometer reduzir cogging normal de produtos ranhurados como um passo para tornar a execução destes motores algo mais suave e silenciosa, os motores sem ranhuras continuam a ser uma melhor alternativa onde cogging e a vida útil está definem-se como os maiores problemas de desempenho.

Notas:

2) e 3) - Synchros e Resolvers têm sido utilizados como parte de sistemas servo eletromecânicos e de posicionamento angular de eixo de máquinas elétricas por mais de 50 anos. Um Synchro funciona como um transdutor electromecânico que, como um elemento de circuito, é, essencialmente, um transformador de acoplamento variável. A magnitude do acoplamento magnético entre o primário e os secundários variam de acordo com a posição do elemento rotativo. Em ambos, Synchros e Resolvers, o enrolamento primário ou de entrada é geralmente o do rotor, com os enrolamentos do estator usados como o elementos secundários ou de saída. O enrolamento do rotor é excitado por um par de anéis de deslizamento com uma tensão alternada. A principal diferença entre um Synchro e um Resolver é que um Synchro tem em seu estator três enrolamentos instalados a cada 120°, enquanto o Resolver tem apenas dois enrolamentos no estator, instalados distantes apenas  em um ângulo de 90°. Em conjunto com a eletrônica de interface de aquisição de dados, que não só fornece condicionamento adequado dos sinais elétricos provenientes da saída do Synchro ou do Resolver, mas, também, fazem a maioria dos cálculos necessários para transformar a entrada analógica em informações de rotação, um Synchro ou um Resolver pode formar um sistema de medição e posicionamento angular de eixo de máquina de alta confiabilidade.

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O Motor CC sem escovas (ou Motor BLDC, ou, também, Motor (Síncrono) Comutado Eletronicamente, ou, ainda, simplesmente, Máquina de Ímãs Permanentes), é um tipo de máquina elétrica que opera na conversão da energia elétrica em energia mecânica cinética de movimento rotativo, bastante simples, podendo ser constituído de ímãs permanentes, com polaridades magnéticas opostas na face externa, distribuídos alternadamente adjacentes em torno da circunferência periférica de um eixo ou de um cilindro rotativo, que são empurrados e / ou puxados por campos eletromagnéticos dos enrolamentos elétricos que, por sua vez são gerenciados por um controlador eletrônico de velocidade.

Eles diferem dos motores CC com escovas que utilizam as escovas de contato elétrico deslizando sobre comutadores eletromecânicos para energizar os campos magnéticos, e, apesar do motor BLDC ser uma máquina elétrica rotativa onde o arranjo dos enrolamentos é tal qual o do estator trifásico clássico, como o que há em um motor de indução CA trifásico, ele difere do motor de indução, pois ele tem ímãs permanentes em um arranjo montado na superfície no rotor, tal como um motor CA síncrono, mas, também diferem deste porque motores CA síncronos utilizam o ciclo senoidal da CA de alimentação para mover o campo eletromagnético sobre as bobinas do estator, enquanto que no acionamento do motor BLDC nenhuma forma de onda específica é requerida (veja mais detalhes dessa comparação na NOTA ESPECIAL, no rodapé deste artigo).

No motor de CC com comutador, a polaridade da corrente é alterada pela comutação comutador, com o deslizar das escovas. No motor CC sem escovas, Pelo contrário, a inversão da polaridade é realizada por um arranjo de transístores de comutação de potência de modo sincronizado com a posição do rotor. Portanto, motores BLDC frequentemente incorporam sensores de posição internos ou externos para detectar a posição real rotor, ou a posição pode, também, ser detectada sem sensores. 

O motor BLDC é acionado por impulsos de tensão retangulares, acompanhado de uma dada posição do rotor. O fluxo gerado no estator interage com o fluxo do rotor, o qual é gerado pelos ímãs do rotor, definindo o torque e, assim, acelerando do motor. Dentro de uma certa sequência de acionamento, od impulsos de tensão devem ser adequadamente aplicados, transitoriamente, para as duas das três fases do sistema de enrolamento trifásico do estator do motor BLDC, de modo que o ângulo entre o fluxo do estator e do fluxo do rotor seja mantido próximo em 90°, a fim de se obter o máximo torque gerado. Devido a este fato, o motor necessita, sempre, de um controlador eletrônico para a sua operação adequada.

O rotor de um motor BLDC consiste de um número par de peças de imãs permanentes. Um par de polos no rotor é definido por dois ímãs que instalados em orientação magnética inversa, um em relação ao outro, com respeito ao estator. O número de pares de polos magnéticos do rotor afeta tanto o tamanho do passo, quanto a ondulação do torque do motor. Mais pares de polos resulta passos menores e menor ondulação de torque.

Em geral, uma dada quantidade de imãs permanentes é empregada para se obter de 1 a 5 pares de polos, porém, em certos casos, pode ir até 8 pares de polos. Em muitos motores, também o número de enrolamentos do estator é replicado para se obter uma ondulação de torque ainda menor.

Motores BLDC, em geral, fornecem uma relação peso potência significativamente melhor, e muito melhor eficiência do que os motores escovados tradicionais. Os motores BLDC podem ser usados numa ampla variedade de aplicações. Motores BLDC de baixa potência podem ser usado para plataformas giratórias (toca discos) ou modelo de aviões rádio controlados, enquanto motores BLDC de alta potência podem ser usado para veículos elétricos e máquinas industriais. Outras aplicações comuns para estes motores incluem peças de computador, tais como leitores de CD-ROM e ventiladores de refrigeração de PC.

Modelo Elétrico e Mecânico de um Motor BLDC (Motor BLDC de Rotor Externo).

Um ESC (Electronic Speed Controler) para um motor BLDC controla a rotação do motor, energizando seletivamente as suas fases, duas a duas, numa dada sequência. Quando a corrente elétrica é conduzida através dos enrolamentos do estator do motor, ela produz campos magnéticos que interagem com os campos magnéticos que são produzidos pelos imãs permanentes do rotor e gera a força sobre o rotor, que pode fazer com que ele rode.

Os motores BLDC são a escolha ideal para aplicações que exijam alta confiabilidade, alta eficiência e alta relação potência volume. De um modo geral, um motor BLDC é considerado para ser um motor de alto desempenho, que é capaz de fornecer grandes quantidades de torque sobre uma vasta gama de velocidades.

Em geral, em qualquer aplicação onde se tenha um motor CC com escovas sendo empregado, nós podemos, facilmente, substituí-lo por um motor BLDC, proporcionando a mesma potência, com a vantagem de tamanho e peso reduzidos em relação ao motor original. Motores BLDC proporcionam alta densidade de potência e vida-longa para aplicações que requerem controle de velocidade. Os desafios dos requisitos para as aplicações em modelismo acabaram por produzir uma nova geração de motores BLDC, com ímãs mais potentes, materiais e desenhos aprimorados, ao ponto de propiciar relação peso potência e desempenho realmente surpreendentes para estas máquinas.

Tome um motor BLDC à parte, e você verá um número de aglomerados de voltas de fio de cobre brilhante: essas são as bobinas do estator. Normalmente, a quantidade de bobinas do estator será de, no mínimo, três, ou de um número divisível por três, de modo que essas bobinas são, de fato, parte de um sistema de circuito trifásico. 

A estrutura de aço em torno do qual as bobinas estão é o núcleo do estator, que consiste do empilhamento de um grande número de anéis finos de aço especial, aonde se concentrarão as linhas de força dos campos magnéticos que serão gerados pelas bobinas, quando alimentadas por corrente elétrica. Em geral, quanto mais finas as chapas dos anéis de aço, mais eficiente será o motor, gerando menos calor para uma dada potência.

As bobinas são distribuídas espacialmente na periferia da circunferência do estator, em intervalos angulares regulares, inseridas a cada três espaços nas ranhuras do estator (se o motor é ranhurado, ou seja, com laminado do núcleo do estator de fator de forma de ranhuras), e tendo as suas pontas do condutor de interligadas de modo a que cada terceira bobina esteja ligada ao mesmo terminal do motor. De fato, os três terminais elétricos do motor estão ligados a feixes de fios no interior do motor, que são as pontas das bobinas do estator, formando um arranjo de interligação Δ ou Y, dependendo das necessidades de aplicação.

Vários tipos de ímãs permanentes são usados para a montagem nos rotores dos conjuntos dos motores BLDC. O mais típico é neodímio ligado. Outras opções estão disponíveis, tais como cobalto samário, neodímio sinterizado e ferrite emborrachado. Estas alternativas podem ser utilizadas, mas, geralmente, a um preço acrescido.

Ímãs de neodímio ligados são compostos de neodímio, ferro, boro e ligante. Ímãs de neodímio ligado são fabricados por moldagem por compressão ou moldagem por injeção. Ímãs de neodímio ligados por compressão têm produtos energéticos mais elevados e formas mais simples do que os ímãs de neodímio ligados por injeção. Há tanto ímãs de neodímio ligados isotrópicos quanto anisotrópicos.

Se um ímã é anisotrópico ou isotrópico, a diferença está em uma etapa de produção adicional para os ímãs anisotrópicos: Quando se produz o ímã bruto, um campo eletromagnético é criado, daí, o material ajusta idealmente. É por isso que ímãs anisotrópicos são mais fortes do que os isotrópicos, porém, eles podem ser magnetizados, apenas, naquela determinada direção específica.

Assim, ímãs de neodímio ligados isotrópicos têm a vantagem de não precisar de equipamento complexo de alinhamento de campo durante a fabricação e, devido ao passo de produção adicional, ímãs anisotrópicos são um pouco mais caros do que os isotrópicos. Como ímãs de neodímio ligados são fáceis de serem oxidados em sua superfície na presença de ar úmido, normalmente, eles são revestidos com laca ou níquel.

Os materiais magnéticos de ímãs permanentes atualmente disponíveis são o neodímio ferro boro (NdFeB) e cobalto samário (SmCo), ambos contendo elementos de terras raras que são fabricados por um processo de metal em pó, mas os ímãs resultantes têm várias diferenças distintas, para atender a diversas aplicações.

É estimado que cerca de 97% das terras-raras estejam localizadas na Ásia, especialmente na China, que detém 2/3 das reservas globais e 87% do total comercializado no mundo. Com praticamente o monopólio chinês das terras-raras, o preço desses commodities se valorizou muito no mercado mundial. Não é muito fácil, ou barato, tirar minério de terras raras da China, que defende o seu monopólio, e o seu lucro, com unhas e dentes. Embora classificada como um elemento de terra rara, samário é o elemento mais abundante 40 na crosta da Terra e é mais comum do que metais como estanho, mas, ainda assim, por conta do cobalto necessário, ele continua sendo mais caro.

A questão toda envolvendo a política comercial dos ímãs permanentes é tão grave que o Departamento de Energia dos Estados Unidos identificou uma necessidade de encontrar substitutos para os metais de terras raras em tecnologias de ímãs permanente, e já começou a financiar este tipo de investigação. A Advanced Research Projects Agency patrocinou um programa de Tecnologias Alternativas para Terras Raras Críticos para desenvolver materiais alternativos.

Algumas das principais vantagens da utilização de um motor BLDC são:

• Operação de Alta Velocidade – Um motor BLDC podem operar a velocidades superiores a 10.000 rpm em condições de elevado conjugado resistente ou em vazio;

• Receptividade e Aceleração Rápida – Motores BLDC de rotor interno têm baixa inércia do rotor, o que lhes permite acelerar, desacelerar, e inverter de direção rapidamente;

• Alta Densidade de Potência – motores BLDC têm o maior torque de operação por centímetro cúbico dentre todos os motores de CC, sendo, eficientes, robustos, fáceis para resfriar;

• Alta Confiabilidade – motores BLDC não têm escovas, o que significa, além de nenhum ruído de escova, também que eles sejam mais confiáveis e sejam duráveis, de vida prolongada com expectativa de vida de mais de 10.000 horas. Isso resulta em menos casos de substituição ou reparo e menos tempo de inatividade global para o seu projeto;

• Relação Corrente / Torque Linear, Controle de Velocidade Síncrona; controle de velocidade e posição (malha aberta / malha fechada), desempenho customizável;

A Potência Mecânica é o produto do Torque pela Velocidade. Para aumentar a potência, podemos aumentar ou o Torque ou a Velocidade. Geralmente, para uma determinada tecnologia, o torque contínuo está relacionado com o tamanho do motor, e é muitas vezes limitado pela consideração térmica.

O controlador pode operar um motor BLDC, tal como um motor de passo sem realimentação. No entanto, se a posição do rotor é conhecida, então o controlador pode calcular e determinar como energizar os enrolamentos de maneira otimizada, em qualquer instante no tempo, para atingir a velocidade de rotação e o torque desejados, de forma mais eficiente. Muitos dos motores BLDC disponíveis não têm detecção direta (tais como um trio de sensores de efeito Hall1 embutidos em seu corpo) para detectar a posição do rotor. No entanto, esta informação pode ser obtida, opcionalmente por se olhar para a Força Contra-eletromotriz (FCEM ou back-EMF). 

Motores BLCD permitem controle com recursos de programação para curvas de velocidade personalizados com regulação de corrente (controlador de velocidade eletrônico básico). Com uma programação mais avançada, podemos acrescentar torque de frenagem, torque de retenção, reversão, faixa de temperatura de operação estendida, e detecção de estolagem.

Para manter a velocidade regulada para uma tolerância bem apertada, um sistema de controle sofisticado é necessário. Utilizando a realimentação de um encoder2, o controle pode monitorar e ajustar a entrada controlada com uma precisão < 1%. Isso permitirá que a regulação da velocidade em malha fechada necessária para maior controle de tolerância da velocidade. A tolerância da corrente sobre a regulação de velocidade, para controles integrados padrão, é < 5%. A velocidade pode ser regulada numa gama de torque.

Para emprego em modelismo, mais comumente, os motores BLDC estão disponíveis desde 0,1 W até 5 kW (ou 5000 W) de potência de saída. Obviamente, a potência de entrada necessária está diretamente relacionada com a exigência de potência de saída. O bom dimensionamento de uma fonte de alimentação é fundamental para garantir que a potência de saída seja obtida, assumindo a eficiência do motor, considerando-a, em geral, de 80%, a fim de majorar potência de entrada necessária para executar o motor. Este nível de potência não é típico para todos os motores BLDC, mas este exemplo mostra os requisitos elétricos para a saída do controlador de velocidade.

Para um dado motor, para se determinar a potência sensata (ou necessidades potência) e o requisito de corrente (a mínima corrente a ser considerada como sendo a máxima para a operação), algumas fórmulas bem simples podem ser utilizadas, como no exemplo (no caso, um pequeno motor BLDC):

Características do Motor: Velocidade do motor (representado pelo literal n): 3600 rpm

                                            Torque (ou Conjugado) do motor (C): 340 mN·m = 0,34 N·m

                                            Tensão de alimentação: 12 Vcc

                                            Eficiência assumida: 80% = 0,8

Onde, entre parênteses temos as unidades de medidas, ao lado das variáveis as quais elas estão associadas. Multiplicamos por 2·π para ajustar de radianos (unidade de medida do SI) para rotações (unidade de medida prática, sendo que 1 rotação = 2·π radianos) e dividimos por 60 para ajustar de por segundos (unidade de medida do SI) para por minutos (unidade de medida prática, sendo que 1 min = 60 s).

Potência de Saída: (Velocidade do motor · Torque do motor)  => (3600 · 0,34 · 2 · π) / 60 = 128,2 W

Potência de Entrada: (Potência de saída / Eficiência assumida) => 128,2 / 0,8 = 160,25 W (obrigatório).

Requisito de Corrente: (Potência de Entrada / Tensão de alimentação) => 160,25 / 12 = 13,35 A (mínimo).

Com esses dados, já podemos especificar, grosseiramente, um controlador eletrônico de velocidade para o motor BLDC, mas, antes, vamos começar com o básico do funcionamento do motor BLDC.

Para entender por que um motor BLDC é tão eficaz, é importante ter uma boa compreensão de como ele funciona. Em termos práticos, do ponto de vista das aplicações, existem dois tipos diferentes, com diferentes vantagens e desvantagens. Enquanto qualquer um vai, provavelmente, ser eficaz para a maioria dos empregos, você pode querer se familiarizar com os dois tipos, apenas no caso de um deles ser mais adequado para o seu projeto ou aplicação do que o outro.

Qualquer motor BLDC tem duas partes principais; o rotor, que é a parte rotativa, e o estator, a parte estacionária. Outras peças importantes do motor são as bobinas do estator e os ímãs do rotor. Existem dois projetos para motor BLDC básicos: o de rotor interno e o de rotor externo, também conhecidos, popularmente, principalmente no mundo do modelismo, pelas designações Inrunner e Outrunner, respectivamente:

Em um projeto de rotor interno, as bobinas do estator cercam o rotor e estão afixadas na carcaça do motor, como mostrado na figura abaixo, à esquerda. A principal vantagem de uma construção de rotor interno é a sua capacidade de dissipar o calor. A capacidade de um motor para dissipar o calor afeta diretamente sua capacidade de produzir torque. Por esta razão, a esmagadora maioria dos projetos motores BLDC usam um do rotor interior. Outra vantagem de um design com rotor interno é a menor inércia do rotor.

Já, numa concepção do rotor externo, os enrolamentos estão localizados no núcleo do motor. Os ímãs do rotor rodear os enrolamentos do estator, como mostrado acima, à direita. Os ímãs do rotor agem como um isolador térmico, reduzindo desse modo a taxa de dissipação de calor do motor para ar exterior. Devido à localização dos enrolamentos do estator, projetos de rotor externo operam, tipicamente, com fator de serviço mais baixo ou classificado para uma corrente inferior. A vantagem principal de um motor BLDC de rotor externo é o seu relativamente baixo torque sacolejo. 

A vantagem de um motor de rotor externo é o torque disponível mais elevado. Mesmo em motores BLDC de rotores externos pequenos produz-se mais torque do que em motores de rotor interno de tamanho equivalente. Isto é conseguido através do maior braço de alavanca, devido ao rotor externo ampliando a órbita dos imanes rotativos. Já, uma desvantagem de rotor externo é a capacidade de velocidade. Se forem necessárias altas velocidades superiores a 6.000 rpm, é recomendado que você utilize um motor de construção rotor interno.

Em modelismo, o motor BLDC mais comum para aplicações em aviões e em outros veículos rádio controlados (RC) dotados de hélices é o outrunner, assim como o tipo inrunner é, de longe, o de emprego mais popular em aplicações em modelos de carros de RC. 

No entanto, não é apenas a ausência do comutador no motor BLDC (que permite ao bobinado estar no estator, onde é comutado eletronicamente), ou um rotor muito leve, dotado de ímãs poderosos, que são fatores que maximizam a eficiência e a performance de controle desses motores BLDCs especiais. Também o design de estator enviesado, por exemplo, minimiza o torque de sacolejo (cogging torque) para permitir realizar um controle de velocidade suave ao longo de uma ampla faixa de velocidade.

Muita pesquisa é realizada para melhorar o desempenho e novos materiais magnéticos para melhorar a capacidade do circuito magnético das máquinas elétricas, em geral, têm sido continuamente desenvolvidos, e suas aplicações vêm sendo expandidas de acordo com a exigência de alta performance, de modo que materiais magnéticos são pensados e usado para todos os tipos de motores atuais mas, principalmente para o motor BLDC, exercendo um papel importante no seu desempenho.

Como em aplicações de transportes, com os motores BLDC sendo empregados para acionar veículos elétricos, tais motores são obrigados a ter um elevado torque, então o torque é amplamente melhorado, também, pelo emprego de material magnético adequado na construção do núcleo do estator do motor BLDC. 

O emprego de materiais magnéticos melhorados para o núcleo do estator dos motores BLDC faz a perda de corrente parasita (as perdas geradas pela corrente que circula na laminação) seja muito mais baixa, comparativamente, a partir do emprego de laminados tradicionais de aço silício de grão não orientado, especialmente em frequências mais altas, mas mantendo a condição isotrópica que é crítica para a aplicação em motores elétricos.

As perdas mais relevantes para motores BLDC são, tanto as perdas elétricas, quanto as perdas magnéticas. As perdas elétricas são, simplesmente, as perdas de R•I do fio de cobre. Uma vez que a definição do número de espiras do enrolamento e da bitola do fio são feitas, a resistência do enrolamento pode ser facilmente determinada. O cálculo das perdas elétricas é bastante simples, mesmo com o efeito da temperatura sobre a resistência levado em conta.

A situação é, no entanto, significativamente diferente para o cálculo das perdas magnéticas. Estas são comumente chamadas de perdas no ferro ou perdas no núcleo. A razão para esta dificuldade é que ambas são altamente dependentes do nível de densidade de fluxo que o material está, efetivamente, a trabalhar. As perdas no ferro incluem perdas por histerese e perdas por correntes de Foucault (perda de corrente parasita). As variáveis que afetam estas perdas são a densidade do fluxo e a frequência de reversões do fluxo.

Uma vez que o torque constante depende do circuito magnético, o objetivo, durante a concepção do motor é ter o máximo fluxo gerado pelo ímã passando sendo induzido para o enrolamento. Uma maneira de aumentar o torque constante, é pela utilização de ímãs mais fortes (magnetos de alta coercividade), como NdFeB que hoje são de BH máximo perto de 50 MG•Oe. Já, a fim de diminuir as perdas por efeito de Joule (R•I), o objetivo é ter uma secção transversal dos fios usados no bobinamento a maior possível, por conseguinte, a mais baixa resistência no cobre.

Há, também, perdas no ferro devido à histerese. Um ímã permanente, o qual é produzido a partir de um material com uma relutância elevada, tem uma baixa permeabilidade. Já, um ímã temporário, produzido a partir de um material com uma baixa relutância, como é o caso dos materiais mais adequados para constituir o núcleo do estador dos motores, têm uma alta permeabilidade.

Quando um material ferromagnético é magnetizado numa dada direção, ele não relaxa de volta a zero de magnetização, imediatamente, quando o campo magnético imposto é removido, a quantidade de magnetização que ele mantém fora da ação de um campo magnético externo é chamado de remanência.

Todavia, ele poderá ser levado de volta para zero pela aplicação de um novo campo magnético externo reverso, na direção oposta (ou mesmo um novo campo magnético de direção angular apenas ligeiramente diferente ao da magnetização anterior). A intensidade do campo externo reverso necessário para desmagnetizar o ímã é chamada de coercividade.

Outrossim, se um campo magnético variável alternado é aplicado a um material ferromagnético, responsivamente a sua magnetização variará, também alternadamente, dentro de uma faixa denominada ciclo de histerese. A perda do histórico da curva de magnetização é a propriedade chamada histerese e está relacionada com a existência de domínios magnéticos no material. Uma vez que os domínios magnéticos são orientadas, demandará um pouco de energia para reorientá-los de volta.

Assim, o material magnético utilizado para conduzir o campo magnético no núcleo do estator apresenta histerese, que faz com que a indução, dentro deste material, siga um ciclo tal como descrito na figura ao lado. Em certas aplicações, a forma da curva de histerese torna-se importante. Tanto a permeabilidade, quanto as perdas do núcleo, não são parâmetros constantes, mas, sim, ambos variam de acordo com a frequência das reversões do fluxo. Além do mais, a permeabilidade e as perdas do núcleo variam, também, com a própria intensidade da densidade do fluxo.

Ao selecionar diferentes materiais para a laminação do núcleo do estator, afetamos, diretamente, principalmente a permeabilidade e o ponto de saturação da densidade de fluxo e, consequentemente, as perdas do núcleo, o que acarreta modificação de algumas características do motor como a potência de saída, o aquecimento, o tamanho, o peso, todavia, o seu custo de orçamento também é profundamente afetado. Cada um dos materiais disponíveis é optimizado para uma ou mais destas propriedades, embora sendo menos do que perfeita em outras áreas.

Continua na parte 2

Notas:

1. Para motores BLDC o controle de comutação é tratado pela eletrônica. A maneira mais simples para controlar a comutação é por comutar de acordo com os dados de saída de um conjunto de sensores de posição no interior do motor. Normalmente, são utilizados três sensores de efeito Hall. Os sensores Hall mudam suas saídas quando a comutação deve ser alterada Muito simples! (veja a Figura a seguir). Um campo magnético é necessário para ativar um sensor de efeito Hall. O nível de sensibilidade baseia-se no posicionamento do sensor para o ímã, o entreferro, e a força do ímã. Folhas de dados de produtos devem indicar a força do campo magnético (medida em Gauss), necessária para fazer um sensor de efeito de Hall bipolar alterar o seu estado (operar e liberar). Um sensor de sensibilidade elevada, tipicamente avaliado em menos de 60 Gauss, permite a utilização de imãs menores ou materiais magnéticos menos caros. Já, a repetibilidade do sensor refere-se ao tempo de engate do sensor de efeito Hall. Ele caminha lado a lado com alta sensibilidade, uma vez que maior sensibilidade permite que o sensor seja mais repetível. Uma alta estabilidade térmica e um tempo de resposta rápido completam os atributos adequados, desejados de um sensor de Hall.
   
2. Encoder é um dispositivo eletromecânico que pode medir movimento ou posição. A maioria dos encoder usa sensores ópticos para prover sinais elétricos na a forma de trens de pulso, os quais, por sua vez, podem ser traduzidos em informação de movimento, de direção, ou de posição. Encoders rotativos são usados para medir o movimento rotacional de um eixo. A figura abaixo mostra os componentes fundamentais de um encoder rotativo (do tipo incremental) que consiste em um diodo emissor de luz (LED), um disco, e um detector de luz (fototransistor) no lado oposto do disco. O disco que está montado no eixo giratório tem uma série de perfurações regulares que são repetidas continuamente formando segmentos opacos e transparentes codificados no disco. A medida que o disco gira, os segmentos opacos bloqueiam a luz e as janelas transparentes permitem a passagem da luz. Isto gera pulsos de onda quadrada que podem ser interpretados então em informação de movimento ou posição.

Nota Especial (Comparativo entre Motor CC Sem Escovas e Motor CA Síncrono):

Do ponto de vista da estrutura da máquina elétrica, os denominados Motores CC Sem Escovas (Brushless DC Motor ou BLDC Motor) são muito semelhantes aos Motores CA Síncronos (Synchronous Motor), do tipo que é conhecido como Motor de Ímãs Permanentes (Permanent-Magnet Synchronous Motor - PMSM): 

Os enrolamentos do estator são semelhantes às de um motor de CA polifásico qualquer, enquanto o rotor é constituído por um ou mais imãs permanentes. Só que no Motor CC Sem Escovas temos uma arquitetura com o número de polos do estator (número de polos formado pelo conjunto de bobinas do estator) diferente do número de polos do rotor (número de polos contituído pelos imãs permanetes alojados no rotor), enquanto que no Motor CA (Trifásico) Síncrono há número de polos no estator e no rotor iguais, ou seja, o número de polos magnéticos do rotor é igual ao número de grupos de bobinas por fase do estator.

Por exemplo, a configuração de Polos do Estator / Polos do Rotor de um motor CC sem escovas que eu empreguei recentemente era 12N 14P (que significa que existem 12 Ranhuras no estator e 14 magnetos (imãs) no rotor). Essa configuração é relativa ao motor CC sem escovas denominado Revolt RV-160 Pro, de fabricação israelense, e é comum para aplicações de torque mais elevados e velocidade final não muito alta, além de baixa contagem de enrolamento por dente. Uma configuração de motor comumente conhecida por sua operação suave e silenciosa. 

Veja algumas imagens ilustrativas acerca deste motor (foto real do motor CC sem escovas Revolt RV-160 Pro aberto) e a sua configuração de arquitetura: 

Na verdade eu me atrevo a dizer que o termo "Motor CC Sem Escovas" nasceu de um artifício, como uma forma de incentivo de marketing para induzir as pessoas a pensarem no motor com a sua unidade de acionamento associada, como uma boa opção de substituto para um motor CC com escovas e sua unidade de acionamento.

No início e, até meados dos anos '80, os “verdadeiros Motores CA Síncronos” eram concebidos como sendo máquinas de velocidade única, sendo esta velocidade associada a um submúltiplo da frequência da rede elétrica. A partir dai, os primeiros desenvolvimentos dos Conversores de Frequência, conhecidos, também, como Inversores (em inglês, Power Inverters) eram dispositivos de acionamento de máquinas que visavam, num primeiro momento, controlar a velocidade, apenas, das Máquinas CA Assíncronas (máquinas com arquitetura do motor de indução CA trifásico, com um rotor de gaiola de esquilo simples). 

Muito embora para o acionamento do motor BLDC não requeira nenhuma forma de onda específica, mesmo que estas máquinas sejam vendidas sob a denominação "Motor CC Sem Escovas” ele são máquinas de imãs permanentes que também são vendidas acompanhadas por uma unidade de acionamento controlado que produz forma de onda CA para, efetivamente, alimentar a máquina, seja a partir de uma fonte DC, ou vendidas como um "motor síncrono CA", que provavelmente será usada alimentando-se diretamente de uma rede elétrica CA, mas também acompanhada com uma unidade de acionamento controlado interfaceando entre a rede elétrica e a máquina.

Dentro de um critério meramente comercial, costuma-se tratar como “Motor CA Síncrono de Imãs Permanentes”, apenas quando a mesma máquina, dispensa o emprego dos dispositivos de efeito Hall incorporados a ela e, ao invés disso, passa a incorporar um Resolver. Um resolver é uma mini máquina elétrica do tipo transformador elétrico rotativo, sem escovas, que é usado como sensor para medir a posição de rotação da motor.

Outros projetos utilizam medir o F_CEM nas bobinas não energizadas para inferir a posição do rotor, também eliminando a necessidade de separar sensores de efeito de Hall, e portanto são muitas vezes chamados controladores sem sensores.

No entanto, um número muito grande de engenheiros têm, cada vez mais, concordado que “Motor CC Sem Escovas” é apenas uma designação comercial para a máquina que, mais apropriadamente, deve ser chamada de “Motor CA Síncrono”.

Veja Também:

Como se Constituem e Operam os Motores CC Sem Escovas (Motores BLDC) - 2/2

Máquinas Elétricas de Imãs Permanentes (Parte 1/2)

Máquinas Elétricas de Imãs Permanentes (Máquinas Elétricas CC Sem Escovas e Sem Ranhuras) - Parte 2/2

Sobre Motocicletas, Triciclos, Scooters, Bicicletas, Skates e Patinetes Elétricos (Parte 1/3)