Como se Constituem e Operam os Motores CC Sem Escovas (Motores BLDC) - 1/2

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)

Sobre Motocicletas, Triciclos, Scooters, Bicicletas, Skates e Patinetes Elétricos (Parte 2/3)

(Um Guia para os novos e melhorados Sistemas de Tração de Scooters por emprego de Motores Elétricos CC Sem Escovas)

Linque para a postagem anterior, Primeira Parte Deste Artigo. 

Aeromodelos movidos eletricamente ganharam popularidade, principalmente, porque os motores elétricos são mais silenciosos, limpos e muitas vezes mais fáceis de iniciar e operar do que os motores de combustão. Eles precisam de baterias para operar, em vez de combustível e, como tais baterias também têm peso considerável, elas demandam a necessidade de esforço extra razoável, fazendo parte da carga total do aeromodelo, que precisa ser o mais leve possível.

Turnigy Rotomax 1.40 Electric Motor

Motores baseados em imãs permanentes de "terra raras", tal como o neodímio são considerados motores muito superiores, apesar de, em geral, ainda serem relativamente caros, mas eles têm a vantagem de que os ímãs permanentes de neodímio suportam altas temperaturas sem perder as suas propriedades magnéticas, as quais lhes atribuem a capacidade de elevada densidade de fluxo magnético.

O tipo dominante de motor que podemos encontrar no inusitado (ou mesmo insólito, ao menos para mim) mundo do aeromodelismo, hoje, é o chamado "Motor Outrunner" (veja um modelo exemplar na figura ao ao lado).

A partir das aplicações do mundo do aeromodelismo, os Motores Outrunners tornaram-se rapidamente populares e, agora, eles estão disponíveis em vários tamanhos. Com o tempo, eles vêm se tornando, também, populares em aplicações de mobilidade pessoal elétrica, tais como bicicletas e scooters elétricos, devido ao seu tamanho compacto e sua elevada eficiência.

O aspecto mais interessante nestes motores, além do fato de todos eles serem motores CC sem escovas, e que a própria denominação "outrunner" tenta denunciar, é que o invólucro exterior (a carcaça) do motor é a parte que gira, ou seja, apenas o disco a parte traseira deste tipo de motor, por onde sai a sua fiação de alimentação, e que também é a base para a sua fixação, é que se mantém parada, enquanto todo o restante do seu invólucro, gira em torno de seus enrolamentos, muito parecido com os motores encontrados comumente em drives de CD-ROM de computadores.

Motor CC Sem Escovas de Fluxo Radial
do tipo com "Imãs Permanentes Montados em Superfície
em Máquina com Rotor Externo"

Ainda em outras palavras: Ele é um Motor CC Sem Escovas de Fluxo Radial, do tipo com "Imãs Permanentes Montados em Superfície (ou mesmo montados por inserção (incrustados)), em uma Máquina com ROTOR EXTERNO".

A idéia do Outrunner em aeromodelismo é que você pode montar diretamente uma hélice para esse fim no rotor externo (veja o vídeo logo abaixo), mas isso tende a tornar este motor inadequado para os estilos de montagem convencionais de Motores CC, como a montagem por base de fixação, ou a da montagem com duplo suporte (fixação por parafusos pela frente e / ou pela traseira).

Assim, para o uso em VEs de pequeno porte, a montagem de uma roda dentada, ou polia, ou de uma roda diretamente conectada para o motor pode não ser uma boa ideia, pois o rolamento do rotor externo deste motor é (precisa ser) efetivamente balanceado, o que significa que uma carga lateral forte (como o tensionamento causado por uma corrente de aço ou por uma correia tracionadora, ou mesmo de uma roda diretamente acoplada com uma carga que é aplicada sob a direção da força da gravidade) pode torcer o conjunto deste tipo motor.

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Como a carga lateral é aplicada na ponta do eixo que se encontra sobressaltada na face oposta de onde se encontra o ponto de apoio do esquema de fixação do motor, quanto mais longo for o corpo do motor e, ainda, com o decorrer de um maior tempo de uso, pior será o efeito da torção sobre o corpo desse tipo de motor. Todavia, como todos esses motores, principalmente os menores, se apresentam com um eixo longo o bastante, cuja extensão (ponta do eixo) é acessível, podendo ser vista para fora da frente do motor (ou, então, ele pode vir com peças e acessórios que permitam adaptar isto, ver na imagem a seguir), ele também pode ser montado e utilizado convencionalmente, o que tem feito os hobbistas montá-los, mesmo com uma componente de carga radial, como uma roda dentada, uma polia, ou engrenagens, embora tomando algum cuidado em selecionar um motor com um diâmetro de eixo adequado (a maior, para coibir a eventual torção da estrutura).

O que se ganha, ao empregar tais motores em aplicações de VEs de pequeno porte, é a extremamente elevada eficiência da máquina, provida pelas características construtivas especiais, pelas quais estes motores são concebidos, com uma dramática redução do tamanho e, principalmente, do peso da máquina.

Mas como tal máquina consegue atingir tão admirável performance de eficiência elevada? São várias as razões, conforme já foi abordado em um outro artigo postado anteriormente neste blog, titulado Máquinas Elétricas de Imãs Permanentes (Máquinas Elétricas CC Sem Escovas e Sem Ranhuras) - Parte 2/2. 

Até mesmo o pequeno (89 x 64 mm) e leve (632 g) Turnigy G160 Brushless Outrunner 290kv (160 Glow) supera,
em performance, o outro motor CC sem escovas (convencional) que foi abordado na postagem anterior (Parte 1)

Para explicar resumidamente, basta dizer que, como a máquina consiste num estator bobinado estacionário, localizado no centro da máquina, enquanto que os ímãs permanentes estão montados ao longo da circunferência interior do rotor e, como o diâmetro do rotor, por ser externo, é maior do que para as máquinas de fluxo radial convencionais, ela permite um maior número de polos, com o emprego de um número maior, de peças de imãs de neodímio de elevada densidade de fluxo magnético de dimensões também maiores, conformando um enorme fluxo magnético na máquina.

Este arranjo resulta em torques muito mais elevados do que o dos motores sem escovas convencionais, o que significa que os Outrunners são capazes de conduzir cargas maiores, de maneira mais eficiente, sem a necessidade de haver grandes relações entre as engrenagens da transmissão.

Porém, as máquinas de Fluxo Axial, quando feitas com materiais de qualidade comparável, exceto pelo custo, pois elas são ainda mais caras, têm vantagens adicionais sobre Máquinas de Fluxo Radial, podendo ser concebidas para ter uma relação potência / peso ainda mais elevada, resultando em menos material do núcleo e uma maior eficiência. Porém, máquinas de fluxo axial, ficarão para uma outra história, e para um outro momento, quando (eu espero), haja uma maior disponibilidade de oferta e os custos estejam menos proibitivos.

Lendo o Código de Produto de um Motor Outrunner (Propriedades Físicas):

Uma coisa que precisamos admitir é que, um bom número dos aficionados em aeromodelismo, por força das habilidades desenvolvidas com um longo tempo de prática, acabam se tornando, também, bons engenheiros (mesmo que os verdadeiros engenheiros não gostem de admitir isso).

Todavia, o mercado do aeromodelismo trabalha com a intensão de alcançar toda sorte de leigos, principalmente tentando atrair mais novatos e, devido a isso, ele tem adotado uma postura de comunicação que torna a apresentação dos dados importantes de características e de especificações a cerca dos dispositivos (motores, controladores, etc), de uma maneira que parece inusitada (as vezes até mesmo confusa) para quem chega a ele pela primeira vez, principalmente no caso de se tratar de técnicos e engenheiros da área de eletroeletrônica (como eu), que carregam tradições (e vícios) de olhar para isso de um ângulo diferente.

Felizmente a maioria dos fabricantes têm adotado um código comum que contempla, em si, as informações sobre o tamanho seus motores, particularmente os Outrunners, mas há algumas exceções (notadamente os fluxo axiais). Os parâmetros que precisamos saber é diâmetro motor (mm), comprimento (mm), excluindo o eixo de acionamento, peso (gramas) e diâmetro do eixo (mm).

Aos Outrunners são, normalmente, atribuídas uma designação numérica, algo semelhante ao padrão: AA-BB-C (Y / D)

Há dois sistemas de codificação que se sobrepõem, quase indistinguíveis e, por isso, de certa forma, podem causar confusão. O primeiro é o sistema "referenciado ao estator". Neste sistema: 

1. O primeiro número, AA, indica o diâmetro do estator, em milímetros. O estator é o componente estacionário, localizado no centro da máquina, que contém os enrolamentos do motor;
2. O segundo número, BB, indica o comprimento do estator (e, também, consequentemente, o comprimento dos magnetos alojados no rotor);
3. O terceiro número C indica o número de espiras de fio condutor por pólo estator;
4. O Y ou D (opcional) significa que os enrolamentos do estator estão interligados em estrela (Y) ou triângulo (D). Para se ter uma ideia do efeito disso, se um mesmo estator puder ter sua configuração de ligação dos enrolamentos (que é interna ao motor) alterada de D para Y, com o motor em Y ele girará mais lento (pois isso causa a modificação da característica Kv (ver nota 1, no final desse artigo), que é, em geral, √3 vezes maior para o caso do fechamento em triangulo), porém com mais torque, para um mesmo consumo de corrente (mas em Y ele precisará de uma maior tensão do que em D para alcançar o mesmo consumo de corrente). A grande maioria dos motores outrunners de emprego em aeromodelismo são fechados em Delta, por conveniência.

Já, quanto ao segundo sistema é o "referenciado ao motor", de emprego mais comum em geral e, principalmente para os motores de mais baixo custo. Neste sistema:

1. O primeiro número AA agora refere-se ao diâmetro externo do motor, em milímetros;
2. O segundo número BB é o comprimento total do invólucro do motor, ignorando qualquer prolongamento do seu eixo;
3. O terceiro número C indica a a característica Kv (rpm/v);
4. O quarto números geralmente permanece os mesmo (e é opcional).

Como você se acercar sobre qual é qual, tendo um motor em mãos? Como foi dito, o segundo caso, onde a designação de três número refere-se ao diâmetro do motor, comprimento do motor e a característica Kv é a mais comum, mas, em caso de dúvidas, a dica é medir o diâmetro externo do invólucro, e lembrar que o estator (elemento interno) deverá ter um diâmetro de 16% a 20% menor.

A maioria dos scooters elétricos irá requerer um motor outrunner na classe de 60 mm a 80 mm de diâmetro externo de invólucro, mais do que suficiente e, um bom vendedor irá revelar pelo as especificações importantes que você possa usá-lo, determinando, mesmo que de forma rudimentar, os parâmetros do sistema de transmissão.

Quanto as propriedade elétricas, a informação de que dispomos é da tensão máxima de operação (Volts), a corrente máxima de operação (Amperes, uma informação importante, mas que requer senso crítico para a devida interpretação) e a potência máxima (Watts, que, consequentemente, também precisa ser bem interpretada).

Além disso, precisamos saber sobre a característica Kv (rpm / Volt) e, de quebra, sobre a resistência interna. Todos estes quatro parâmetros são muito importantes e são interdependentes.

• A Característica Kv (rpm/V) é o quão rápido o motor vai girar por volt aplicado, sem carga ligada ao motor. Por outro lado, é, também, quantos volts o motor irá gerar entre os seus terminais, se você girá-lo (isso é pertinente e interessante para o caso da frenagem regenerativa);

• A Resistência Interna do motor, também conhecido como resistência de enrolamento, resistência terminal, etc. Geralmente será um número baixo (menos do que 1 ohm). 

Mas, curiosamente, não é por nenhum desses parâmetros que os hobbistas de aeromodelismo costumam iniciar a seleção de um motor e, sim, pelo seu peso, e em seguida pelo seu custo, para só então, passar a avaliar os demais parâmetros e, ainda assim, em geral, eles não irão avaliar estes parâmetros com o mesmo senso crítico de um engenheiro.

Deste modo, você deve estar pronto para não se surpreender, por exemplo, quando você perguntar sobre a tensão de um certo motor e, em vez de te retornarem uma resposta com um certo valor numérico, associado à unidade de medida Volt, eles te disserem algo como "10S Lipoly", que corresponde a tensão que é alcançada pela associação em série de 10 células de bateria Litio-Polímero, de tensão nominal de 3,7 volts cada, ou seja, 37 V. Este é o jeito deles tentarem tornar as informações sugestivas e associativas, e mais fáceis para leigos digerirem e gerirem.

Quem é da área de elétrica, cuide para não se confundir com algumas coisas até bem simples, como a nomenclatura da característica Kv, com kV que representa o quilo-volts e, nem sonhe em tentar obter curvas características dos motores oferecidos, como, por exemplo Kv vs Conjugado Resistente (torque da carga) ou Corrente vs Conjugado do Motor (torque disponível no eixo do motor), que poderiam ser importantes ferramentas de engenharia para desenvolvimento de aplicações mais apuradas, pois os vendedores dessa linha de produtos, simplesmente, não as terão para disponibilizá-las.

A ideia deles não é vender para engenheiros, ou criar uma sub-rede de produção industrial debaixo deles mas, sim, vender para hobbistas, cuja aplicação costumeira era para ser sempre a mesma: usar tais motores para hélice de propulsão, ou seja, os hobbistas, até pouco tempo, lidavam com uma aplicação com conjugado resistente sempre de mesmo comportamento. Deste modo, os vendedores esperam que os hobbistas consigam, simplesmente, combinar fácil e adequadamente, por sugestão, as partes que eles irão comprar (hélice / motor / bateria), mesmo que eles não tenham conhecimento de engenharia.

Os produtos da "marca" Turnigy, por exemplo, que costumam ser um destaque neste mercado, são, de fato, produzidos por uma grande variedade de diferentes fabricantes, a grande maioria (se não todos) internados na China, mas que, ao final, recebem o "label Turnigy" e são todos vendidos através da HobbyKing, ou seus distribuidores, sob exclusividade. Isso não me foi difícil desconfiar (e depois confirmar através de pesquisa), porque não seria viável a nenhum único fabricante ter tantas diferentes e vastas linhas de produtos, com tantos diferentes desenhos, tantos diferentes esquemas de cores e de nomenclaturas variadas.

Podemos dizer que, a empresa Hobbyking de hoje é fruto de um natural desenvolvimento do mais puro sistema combinado de produção e marketing em rede, formando uma grande "federação cooperativa corporativa". Eles próprios admitem isso, em sua postagem "número zero" de seu fórum próprio na Internet, ao afirmarem: "Éramos todos os clientes da HK muito antes de nós trabalharmos aqui, então temos experimentado os altos e baixos em primeira mão, e sabemos o quão frustrante (e gratificante) que isto pode ser."

O que eu quero dizer com tudo isso é que, se você pretende, mesmo, aplicar os motores desta linha, em um projeto de Veículo Elétrico de pequeno porte, muito provavelmente você precisará desprender maior tempo e esforço, na busca por informação técnica / tecnológica extra, além daquela disponibilizada pelos vendedores, enquanto que, toda boa ajuda que você poderá encontrar em compartilhamento, contemplará, na grande maioria dos casos, as aplicações para veículos de mobilidade aérea, e não VEs terrestres.

Tudo começa com a seleção do motor porque é de onde toda a performance vem, mas você tem que determinar os requisitos de potência do seu modelo (no caso, o conjunto do patinete-scooter completo, mais o motorista embarcado nele, assim como as condições de locomoção consideradas) porque é ela que determina qual a configuração de potência de motor que você vai precisar.

Então eu andei atrás de pesquisar alguns sites que instruem e que contentam, embutidos, aplicativos para facilitar os cálculos da potência necessária para a propulsão de um veículo elétrico terrestre, e acabei encontrando não apenas isto, mas também outros fabricantes de motores outrunners, como por exemplo, electrifly.com, que eu acredito ser uma divisão da Great Planes Model Manufacturing (Hobbico, Inc.), que me pareceu uma empresa com um foco mais industrial, do que meramente comercial.

Além deles disponibilizarem um programas on-line para ajudar você a escolher, diretamente, o motor para veículos de aplicações de aeromodelismo, no qual basta seguir os passos, inserindo informações sobre o seu avião, para você ter, como resultado, três diferentes configurações de motor para o avião, eles também oferecem uma farta variedade de brochuras e manuais, para visualização online ou download, que podem dar suporte, tanto para uma melhor aprendizagem, quanto aos projetos.

Eu também encontrei na electrifly.com, apesar dela apresentar uma aparentemente menor gama de variedade de motores outrunners, alguns motores que, por uma série de razões, me pareceram ainda mais especificamente interessantes do que os outros que eu havia avaliado antes, para a aplicação no projeto do veículo elétrico de pequeno porte, patinete-scooter (motoneta).

Já, quanto ao cálculo da potência necessária para a propulsão de um veículo, que pode ser determinada pela combinação de força que tem de ser aplicada para mover o veículo, com a velocidade do veículo na qual esta força de propulsão deve ser sustentada, eu recomendo o uso de uma calculadora que ajuda a calcular o tamanho da força de tração, e em seguida a combina com a velocidade que desejamos com que o veículo se mova, e sob certas condições de locomoção que são, também, consideradas e, por fim, simplesmente nos apesenta o valor potência requerida para o modelo.

Para quem for usá-la, de antemão eu aviso para não se preocupar pelo fato de que ali não está sendo mencionando o torque, muito embora seja isso que você precisa nas rodas motrizes, pois o torque de tração é, em última instância, o que move o veículo, por meio da tração gerada pelas rodas do veículo contra a pista. Na fase de projeto é muito mais fácil enquadrar o cálculo em torno da força de propulsão do veículo, em vez do torque do motor.

O site é Simple Vehicle Power Calculator, os resultados produzidos ali são o que pode ser melhor descrito como estimativas de design. A física do problema é geralmente bem compreendida, e é simplificada, baseada em método descrito no Mechanical Engineer's Data Handbook; talvez mais importante que os dados que você fornecer sobre o seu veículo (especialmente se for na fase de projeto) a potência é susceptível de ser estimada, e para a precisão dos resultados do cálculo, irá refletir tanto a precisão de seus dados de entrada (que pode ser feita mediante valores sugeridos baseados em tabelas de dados que têm origem na mesma literatura), quanto as simplificações do método.

Eu fiz e refiz os cálculos inúmeras vezes, a cada vez variando algum dos dados de entrada, para refletir uma gama de certas diferentes condições de locomoção possíveis, para, ao final, ter um valor de potência estimada bem mais bem apurado e garantido (que resultou em algo em torno de 4000W para as piores condições de locomoção consideradas).

Isso que me levou a eleger o motor outrunner Great Planes Rimfire 50cc Electric Motor como motor mais adequado para ser empregado no patinete-scooter (motoneta) que eu pretendo montar, não apenas por ele atender aos requisitos técnicos, como também, por seu emprego se apresentar como uma ótima solução custo-benefício efetivo.

Este motor é fabricado para apresentar as seguintes características:

• Projetados para aceleração explosiva e torque máximo;
• Invólucro em alumínio de liga leve com ímãs permanentes de neodímio de "terras raras" de alto torque;
• Duplo rolamentos blindados;
• Praticamente livre de manutenção;
• Um design de melhor refrigeração, o que significa até 50% a mais de potência do que muitos outros Outrunners de tamanho similar.

Ele opera com alimentação de 33,3V ~ 55.5V (de 9S ~ 15S LiPo), além de ser realmente grande, pois ele tem Máxima Potência Contínua de 5000W (para uma Corrente Constante Máxima de até 110A) e é dotado de um eixo de 10 mm de diâmetro, atributos que farão com que ele opere com folgas, mesmo nos piores condições e momentos críticos de operação da aplicação, apesar dele ser fisicamente pequeno, com uma carcaça de (apenas) 80 mm de diâmetro e 75 mm de comprimento.

Ele tem, ainda, uma característica Kv bastante razoável, de 230 rpm/v, o que me permitirá manter, se não exatamente a mesma, mas, uma relação de engrenagens bastante aproximada daquela discutida na postagem anterior. Segundo um site de vendas, junto com o motor vem a placa traseira de montagem do motor, os quatro parafusos de cabeça escareada de 5,5 x 11 milímetros usados para a montagem da placa traseira, além dos conectores elétricos fêmea e macho para os condutores elétricos de 6 mm e o manual de instruções.

Ele  está sendo vendido, naquele mesmo site, ao preço de três parcelas de US $$83.33 cada (R$ 275,00, não incluso taxas de remessa e de impostos de importação). No site existe a informação de e-mail de contato com o representante da Great Planes / Electrifly no Brasil e, o próximo passo, para este deixar de ser apenas um "motor dos sonhos", é verificar a disponibilidade para a compra e entrega, e partir para os próximos passos.

Reparem que, para que o patinete-scooter se mantenha enquadrado segundo resolução e norma da CONTRAN - Conselho Nacional de Trânsito / DENATRAN - Departamento Nacional de Trânsito (ambos do Brasil) ele tem que ser provido de motor de propulsão elétrica com potência máxima de até 4 kW, enquanto o motor que eu estou escolhendo oferece até 5 kW. Mas a minha real demanda por potência, mesmo para as piores condições de locomoção consideradas, de fato, não passa de 4 kW (e, poderia ser até algo menor, caso eu abisse mão de ter 42 km/h como velocidade final máxima almejada.

Repare, também, que este motor trabalha com tensão de alimentação de até 55V (15S LiPo), mas eu continuo não pretendendo que a tensão de alimentação no patinete-scooter vá além 37V (10S LiPo) e, mesmo que eu mude de ideia, decerto não passarei, de modo algum, de 44,4V (12S LiPo).

Repare, ainda, que o emprego de qualquer tensão de alimentação superior à de sete células de Li-ion ou Li-Polímero, em série, ou seja, 25,9V (7S), isso implica na necessidade do emprego de um ESC (Electronic Speed Controller) da classe especial de ESC denominada HV ESC, que têm capacidade de operar com tensão de bateria maiores, acima de 7S, em alguns casos até 14S (51,8V).

Todavia, eu tenho reparado que um HV ESC de no máximo 12S, para corrente máxima de, digamos, 100A, costuma custar, atualmente, bem menos do que um outro HV ESC de, também, 100A max., mas que consegue cobrir a faixa de tensão de alimentação para cima de 12S ~ 14S.

Isso, inclusive, me levou a crer que deva haver algo ligado à característica de tensão dos transistores FET empregados na construção dos ESCs, que deve apresentar alguma dificuldade técnica, que cria uma fronteira de custos, com majoração de preço para os ESCs cuja tensão de alimentação especificada vá além de 12S.

Então, existem duas justificativas para se trabalhar com uma tensão de alimentação menor, entre 10S e 12S (e não superior), que são:

• a do custo-benefício com relação ao ESC, e;
• a da necessidade de se limitar a potência do VE de pequeno porte para que ele continue devidamente enquadrado nas normas de trânsito brasileira em vigor, ou seja, limitado a 4kW.

Penso que a limitação da potência possa se dar pelo emprego de uma tensão de alimentação reduzida, o que propicia, inclusive, a não necessidade de se empregar um ESC com capacidade de corrente superior ao do motor (com um sobredimensionamento típico de 15% ~ 20%), mas, sim, com capacidade de corrente máxima de no máximo igual (110A).

Se eu abrir mão ao menos de um pouco da velocidade final máxima projetada até aqui (42 km/h), a capacidade de corrente máxima do ESC poderá ser, até mesmo, ainda um pouco menor, podendo cair dentro da faixa que é atendida por um ESC de 100A, que é um valor de capacidade de corrente máxima com muito mais opções de oferta no mercado, e a um custo ainda menor.

TURNIGY Sentilon 100A HV 5-12S BESC (Ver4)

Uma questão a se pensar é o fato que na aplicação em que ele será empregado, o ESC não precisa apresentar o BEC incorporado (nenhuma fonte de alimentação extra é requerida no patinete-scooter), nem tão pouco a necessidade de opto-acoplamento é necessário para o ESC o sinal do acelerador, por este não se tratar de um canal de rádio e, não havendo, portanto, preocupação alguma com rádio interferência.

Todas estas conjecturas estão me fazendo olhar, com muita esperança (ao menos por enquanto), para o emprego da peça comercial denominada TURNIGY Sentilon 100A HV 5-12S BESC (Ver4), avaliando, antecipadamente, a grosso modo, que ele está apto a atender as expectativas mencionadas anteriormente.

Mas, para ter certeza de que isso é realmente se aplica e resulta conforme, eu preciso voltar mais às pesquisa de produtos (ESC), e ao estudo dos ESC, sobre topologias de circuito de acionamento a FET, e ver sobre a questão da possibilidade deles operarem como um acionamento regenerativo síncrono (que retorna energia para a bateria, quando o VE entra em frenagem, algo muito conveniente para esta aplicação), embora seja sabido, antecipadamente, que a maioria dos drives de motor comerciais (ESC) usam a topologia de ponte H convencional, que "recircula" a corrente pelo motor durante cada ciclo de comutação e, portanto, não regeneram.

Também irei olhar para Tópicos Avançados em Projetos de ESC, para entender melhor sobre o controle da velocidade, sobre as limitações do hardware na questão da tensão de alimentação, e sobre como, exatamente, um ESC realiza a limitação da corrente máxima, uma questão que é pertinente ao software de controle do dispositivo ESC. Então, pode ser que a próxima postagem (parte 3 deste artigo) demore ainda um pouco de tempo, e de esforço, para sair.

Atualização de Última Hora (infelizmente):

Infelizmente, eu preciso fazer aqui uma atualização (uma ERRATA) de última hora, admitindo um ERRO MEU, lastimável, que eu cometi, causado por um ENGANO ao qual eu me submeti, a partir do momento em que, ao olhar para um anúncio de venda (cuja imagem eu apresento abaixo), eu estava com muita PRESSA para atingir o final desta postagem (Parte 2/3 deste artigo), e eu não tive o devido CUIDADO E ATENÇÃO, me deixando levar pela EUFORIA, sensação que primeiramente se apossou da minha mente, ao IMAGINAR, tolamente, precipitadamente, que eu havia encontrado uma "GRANDE OFERTA" (sonho de todo comprador). Observem:

E nem adianta eu tentar transferir a culpa do MEU ERRO para o site da loja virtual Tower Hobbies, pela formatação inadequada das fontes e do leiaute do anúncio, pois, quem não teve o cuidado e a atenção, e se enganou, redondamente, fui eu mesmo. (Grande Oferta!?! ... que nada, mais uma vez fica provado que NÃO EXISTE ALMOÇO GRÁTIS! ... e nem oferta de potência extra vendida sem custo adicional).

Diante dessa ocorrência, apesar de eu continuar acreditando que todos os qualificativos técnicos / tenológicos que eu atribui ao motor outrunner Great Planes Rimfire 50cc Electric Motor façam dele um "grande motor", infelizmente, eu já não posso mais chamá-lo de "motor dos meus sonhos". Antes, por causa do preço elevado dele (cerca de R$ 825,00 sem considerar taxas e impostos), o emprego dele se torna proibitivo para a aplicação dele no patinete-scooter (e isto é uma pena, pois ele é, deveras, uma máquina excelente, que eu gostaria muito de poder fazer testes e ensaios). Paciência!

Então, um outro motor, dentre os que eu já havia olhado, antes, tanto os dado sobre as características e especificações, quanto, também, o preço (que eu já havia me acostumado a encontrar sempre para a forma de pagamento à vista) em outros sites de venda, passou a ser o "novo motor escolhido". Mas eu vou deixar para falar mais sobre ele na próxima postagem. ... Me sentindo triste e envergonhado!!!!!

Notas:

1. A característica Kv é uma especificação funcional de um motor elétrico, mas que em nada determina a qualidade geral dele. Além do mais, dar importância a especificação Kv tem sido algo tipico, apenas, de fabricantes e usuários de motores que trabalham com aplicações voltadas para o contexto de aeromodelos e de drones e as empresa que fabricam os motores BLDC de alta eficiência, para tais aplicações, são as que costumam utilizar a especificação Kv (não obstante, eu tenho empregado tais motores em aplicações de motocicletas, tais como a reforma de motocicleta Zero DS, com sucesso). Costumeiramente, Kv é muito pouco levado em considerações em todo o restante contexto das aplicações de motores elétricos e, por isso, muita gente até mesmo desconhece o que ela significa. Eu mesmo desconhecia o significado de kv, até poucos anos atrás (existe, inclusive, o perigo das pessoas desavisadas confundi-la com kV (quilovolt) e pensar que se trata de alguma característica de isolação elétrica, tal como a dos enrolamentos do motor, mas, não é) . Kv significa rotação do eixo do motor (em rpm) dividido pela tensão elétrica de operação (em volts). Assim, por exemplo, um motor pode ser especificado para operação a uma tensão de até 60 V, com um Kv de valor 70 (que foi o caso do motor empregado na motocicleta Zero DS que foi reformada). Isso significa, simplesmente, que quando tal motor é alimentado, por exemplo, com 60 V, ele irá apresenta uma rotação (girando  em vazio) de 60 x 70, ou seja, 4200 rpm. Assim, quanto mais alto o Kv, mais alta a rotação do eixo do motor, porém, em detrimento do torque que, consequentemente, fica menor. Você deve especificar Kv pensando na velocidade máxima que você pretende que o veículo tenha, e considerar a relação da transmissão (número de dentes da coroa e do pinhão, no caso de uma motocicleta) , além do diâmetro da roda que é tracionada (no caso da motocicleta, a roda traseira), sempre lembrando que, para uma dada potência de motor definida, maior velocidade implica em menor torque, e vice versa.

Motor CC Sem Escovas (BLDC) Outrunner, fabricado pela empresa israelense REVOLT, modelo RV-160 Pro, empregado para atualização de uma motocicleta elétrica norte-americana Zero DS ano 2010, aqui no Brasil, num projeto bem sucedido.

Veja também:

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

A Energia a Preço Justo e o Impacto do Carregamento Doméstico de VEs

O Básico Sobre o Sistema de Tração de Veículos Elétricos

Motocicletas e Scooters Elétricos

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

Graças a colaboração de um amigo foi que eu entendi que, a partir de um dado momento, também a indústria associada ao Aeromodelismo e a Robótica com Rádio Controle está servindo de apoio para ajudar a acelerar o desenvolvimento da tecnologia dos Veículos Elétricos (VEs).

Obviamente que não se trata, a princípio, de uma ajuda para se construir carrões como os da Tesla Motors, nem tão pouco como o menor, e popular, Nissan LEAF, mas, sim, de dispositivos de mobilidade ainda menores, e mais simples, tais como patinetes, skates, bicicletas, scooters, triciclos, ou mesmo motocicletas elétricas.

O que possibilita que os dispositivos de aeromodelismo sejam empregados também em pequenos veículos elétricos são vários fatores, que vão desde de o desenvolmento de novas baterias baseadas em Lítio, mas também de novas arquiteturas de motores CC sem escovas, e de drives (acionadores) versáteis, eficientes, de tamanhos compactos e fáceis de usar para estes novos motores, que podem possibilitatar, inclusive, (ainda que isso não seja um caso comum) a regeneração de energia, tal como ela qual ocorre em VEs de maior porte.

Embora o termo "motor driver" seja de emprego mais amplo e antigo, o pessoal aficcionado em aeromodelismo tem usado um termo novo para designar estes dispositivos, tratando-os pelo termo "ESC".

O que a sigla ESC significa? 

ESC é um acrônimo para "Electronic Speed Controller", ou seja, Controlador Eletrônico de Velocidade: um acionador / controlador de motor que permite variação de velocidade. Um ESC é necessário para se executar um motor, em geral motores sem escovas (brushless) são acionados por ESC. Eles são fabricados em certos valores padronizados para a gama de corrente máxima, em geral 50A/60A/70A/80A/100A/125A/200A.

Certifique-se de selecionar o ESC que você está aviando tem a caracteristica de corrente máxima (AMP 'A' rating) mais elevada do que aquela que diz respeito à carga máxima admitida pelo que você está empregando. Se o motor é um motor 50A, verifique se o ESC pode lidar com, pelo menos, 10% a mais do que 50A ou mais amperes (o ideal é 20% a mais).

Precisa tomar o cuidado de confundir as especificação, pois, um ESC com saída para até 125A constante, por exemplo, pode fornecer, transitoriamente, até 200A (corrente de pico), mas apenas por um intervalo de tempo limitado, em geral de até 10 segundos.

Estas mesmas considerações devem ser levadas em consideração ao se planejar o pacote de baterias, ou seja, o arranjo de pilhas deve ter uma qualidade tal, que permita lidar com a carga máxima do conjunto Motor / ESC, sem deixar cair demais a tensão fornecida, nem sobreaquecer.

Um destaque no mercado é para os produtos da Turnigy e da HobbyKing (Red Brick ESC), como o que aparece na foto acima), que, se não vai ganhar o primeiro lugar para o quesito estilo, eles têm os melhores pontos para a simplicidade e a confiabilidade. Com um conjunto básico de programação que estes ESCs apresentam, eles se tornam uma solução perfeita para quem procura um controlador de velocidade robusto e, ainda assim, básico.

O Red Brick ESC, por exemplo foi projetado com a dissipação de calor em mente. com um excesso de alumínio tamanho do dissipador de calor para os FETS, e dissipador de calor individual para o MCU o Red Brick ESC  é um pouco maior do que muitos ESC em sua classe, no entanto, este compromisso em tamanho é destinado a ajudar a eliminar os problemas associados com sobre-aquecimento.

Características:

• Resposta de aceleração linear e suave;
• Utiliza MCU (Microprocessor Control Unit) poderosa, de alta performance;
• Funções de auto-proteção múltiplas:

• Tensão de entrada anormal;
• Sub-tensão da bateria;
• Sobre-termperatura;
• Perda de sinal do acelerador.

• Partida segura: o motor não será executado até que o ESC esteja pronto (armado corretamente).

Especificações:

• Max corrente: 200A;
• UBEC (Ultimate Battery Eliminator Circuit): 5V / 5A;
• Qte de células estimadas (Tensão da bateria Li-Po): 2 ~ 7 (7.4 ~ 25.9V);
• Tamanho: 65x40x26mm;
• Peso: 128g ~170g

BEC significa Battery Eliminator Circuit. Nos velhos tempos do aeromodelismo elétrico você tinha que usar uma bateria separada para alimentar o receptor e os servos. Como o hobby evoluiu, os controles de velocidade ESC começaram a incluir o BEC para alimentar o receptor e servos com uma única bateria, livre da necessidade da bateria extra para o receptor.

O BEC é, em geral, um regulador chaveado rebaixador de tensão (regulador "buck" ou "step-down"). Ele toma a tensão da bateria principal, por exemplo, de 11,1 V, e a reduz para baixo, para 5 Volts (por ex.), para alimentar com segurança o receptor e servos.

Em aeromodelismo e afins, os BECs, integrados aos ESCs, passaram a ser praticamente um padrão, pois, em média, o BEC pesa, apenas, de 10 ~ 20 vezes menos do que um pacote de bateria extra para o receptor. Considere, ainda, o incoveniênte que se tinha em se recarregar, também em separado, a bateria extra do receptor. Com um BEC, você só tem que se preocupar em carregar o seu pacote de bateria principal e, em seguida, seu modelo está apto para um voo seguro. A maioria dos ESCs atualmente têm um BEC (linear), ou preferenciamente, um SBEC (ou UBEC, chaveado) de 5V, integrado.

Em geral os ESCs funcionam com tensão de alimentação minima (tensão nominal da bateria) a partir de 2S, tensão que equivale à de duas células de Li-Polímero, associadas em série. Como cada célula Li-Polímero apresenta tensão nominal típoca de 3,7V, então:

2S = 2 x 3,7V = 7,4V

Já, quanto a tensão de alimentação máxima, em geral corresponde a 7S (tensão equivalente a de sete células de Li-ion ou Li-Polímero, em série, ou seja, 25,9V), todavia, existe uma classe especial de ESC, de emprego cada vez mais crescente, denominada HV ESC, que têm capacidade de operar com tensão de bateria de 12S (44,4V), ou mesmo 14S (51,8V), um nível de tensão que já se torna ideal, inclusive, para motocicletas.

Uma caracteristica desejavel dos ESCs (mas que nem todos os ESCs possuem) que ele seja um acionamento regenerativo síncrono. A maioria dos drives de motor usam a topologia de ponte H convencional, que recircula a corrente pelo motor durante cada ciclo de comutação. A solução mais interessante é a que permite retornar a corrente para a bateria, o que resulta em menor consumo médio, uma economia de 10 ~15% de energia.

Isso pode levar a melhorias dramáticas em tempo de execução com consecutivas paradas ou reversão dos sistemas moveiss, como no caso de um robô, ou a colocação de um veículo em condução em um terreno montanhoso. Este esquema também economiza energia, devolvendo a energia indutiva armazenada nas bobinas do motor à bateria cada ciclo de comutação, em vez de queimá-la na forma de calor nos enrolamentos do motor. Isso faz com que a operação parcial do acelerador fique muito eficiente.

A topologia regenerativa significa que as baterias estarão sendo recarregadas, sempre que você comanda seu o motor para frear ou para reverter, enquanto é desejavel, também, que o drive permita a vantagem de executar paradas e reversões rápidas, mas não necessáriamente tão rápidas quanto as que são exigíveis em robótica. Para atender a este quesito, pode-se olhar, também, para a linha de produtos da Dimension Engineering (SyRen), mais especificos para aplicações em robótica, em vez de aeromodelismo.

Outra caracteristica desejável, é que ele opere com uma frequência de chaveamento alta. Selecionando frequência de comutação na gama de ultra-sons (acima da frequência máxima da audição humana) tem-se a vantagem especial de eliminar a radiação acústica desagradável, muito embora sejam raros os ESCs que atendam a este requisito. 

Enquanto para aplicações em robótica seja mais fácil encontrar drives compactos de motores sem escovas que operem em frequência de comutação de até 32 kHz, quando aos ESCs tipicos para aplicação em aeromodelismo, em geral, eles não costumam ir além de 8 kHz (raros operam em 16 kHz ou 24 kHz), e a questão envolvida ai é principalmente a de custo, embora com uma significância cada vez menor.

Algo a se considerar, ainda, é que os drives compactos de motor sem escovas para robótica não costumam trabalhar com tensão de bateria acima de 30V (33.6V máximo absoluto), e esta pode não ser uma tensão alta o bastante, adequada para uma motocicleta de boa potência, enquanto os ESCs, por sua vez, costumam operar com sinal de aceleração transferidos através do sistema opticamente acoplado, para evitar a interferência electromagnética, o que pode ser um vantagem interesante.

Considere, ainda, que se você pretende construir uma motocicleta elétrica com uma potência adequada, é recomendável que você empregue um drive (ou um ESC), com capacidade de saída para, pelo menos, uns 120A contínuo (uns 180A de pico (burst) por até 10 seconds).

Apesar das especificações do ESC e da bateria precisarem estar casadas entre si, ambos têm que ser definidos, de fato, em função do motor a ser empregado. Quando definimos um motor para um sistema motorizado, isso envolve trabalhar com as relações entre três grandezas fisicas associadas à máquina elétrica: Conjugado, Potência e Velocidade.

Não existe apenas um roteiro correto para se proceder a definição da máquina elétrica de um sistema motorizado mas, existem jeitos que podem tornar as coisas mais fáceis, e outros que podem tornar tudo mais complicado.

Você precisa estar consciente, e levar em conta, que ao adquirir as suas peças para um projeto DIY, você eventualmente irá lidar com fornecedores varejistas que têm tanto preocupações, quanto um linguajar, diferente daquelas que você encontra quando lida com vendedores que fornecem peças para projetos industriais.

Também a realidade com respeito a disponibilidade de dados acerca das peças, pode ser bem mais restrititiva quando você lida com os fornecedores de peças para hobbistas, do que aquela que, em geral, é encontrada junto a fornecedores industririas profissionais. Enfim, estes são universos paralelos distintos.

Poucos fornecedores para o mercado de hobby estão preocupados em apresentar especificações detalhadas de seus motores, com recomendações sobre os limites máximos de operação e curvas para diferentes tensões de bateria. Mas nós precisamos conhecer as propriedades físicas e elétricas do nosso motor brushless ou seja, o quão grande, pesado, e poderoso ele é, e quão rápido ele vai transformar o giro da nossa roda em mobilidade, para uma dada tensão de alimentação e carga mecânica que exige esforço para ser movida.

Podemos começar tratando a grandeza velocidade isoladamente (deixando Conjugado e Potência de lado) e, rapidamente, nós podemos chegar números sobre rotação do motor e da roda. Mas, para começar a fazer isso, precisamos, antes, ter decidido que tipo de VE de pequeno porte almejamos construir. Os calculos e as definições podem diferir consideravelmente entre um patinete e uma bicicleta, apenas pelo fato da bicicleta possuir um pedal, por exemplo, Então vamos imaginar que o nosso propósito é o de construir um patinete elétrico (scooter), algo bem assemelhado aos que podemos ver na figura abaixo:

Patinete Elétrico MoTronik Preto 1000W - DropBoards

Esse é um equipamento muito prático, silencioso e econômico, que pode realizar a mobilidade de uma pessoa por diversos tipos de trajetos por asfalto ou por terra, incluindo pistas com uma boa inclinação, oferecendo conforto, boa dirigibilidade e segurança em pistas não muito acidentadas, e para distâncias percorridas não muito longas: você pode mesmo ir ao trabalho, faculdade, mercado, visitar amigos e até passear sem qualquer incômodo, porém nunca trafeguando por rodovias ou estradas.

Este VE de pequeno porte não é um simples Patinete, pois, embora ele se apresente como um diciclo de rodas em linha, devido a configuração pouco ortodoxa, que não é apenas por causa da propulsão elétrica, mas também por causa da instalação do assento que dá conforto ao motorista dele, algo que não é típico dos patinetes originais. Mas ele também não chega a ser, propriamente, uma Scooter, devido ao seu porte extra-pequeno, e por ser bem mais leve, permitindo, inclusive, que ele seja concebido para ser dobrável, para mais fácil transporte, apesar dele poder ser dimensionado para ter uma performance equivalente à uma scooter com MCI (à combustível) de até 50 cc.

Segundo resolução e norma da Contran - Conselho Nacional de Trânsito / Denatran - Departamento Nacional de Trânsito, a designação oficial para este tipo de veículo é "Motoneta", um veículo automotor de duas rodas, dirigido por condutor em posição sentada, providos de motor de propulsão elétrica com potência máxima de até 4 kW, cujo peso máximo incluindo o condutor, (mais passageiro e carga), não exceda a 140 kg e cuja velocidade máxima declarada pelo fabricante não ultrapasse a 50 km/h, e, como tal, está sujeitos aos requisitos de segurança, habilitação, registro e licenciamento previstos.

Antes de mais nada, para quem está sem uma noção de custo, um patinete-scooter desses está sendo vendido, na data de hoje, ao preço unitário de R$ 2.392,90 no boleto bancário, pelo site da loja virtual submarino.com.br. Este é um preço de venda deveras competitivo e, a ideia é que nós tenhamos como desafio realizar um projeto e cosntrição de um assemelhado, sem que, de modo algum, o custo final se iguale ou supere este preço, pois caso contrário, nem mesmo o prazer de se realizar um projeto DIY poderá ser o suficiente para nós encorajar a empreende-lo.

Alegadamente, de acordo com o site de venda, em pista plana, este patinete-scooter é capaz de transportar até 100kg, e atingir uma velocidade de até 42km/h,  e em ladeiras de "inclinação (ascendente) média", ele suporta transportar até 80kg (obviamente que com uma velocidade (muito) menor do que a máxima). No momento, a fim de estabelecer um passo-a-passo, vamos olhar (apenas) para a informação da velocidade máxima almejada (42km/h), enquanto os dados sobre a magnitude da carga a ser movida, por enquanto, pouco nos interessa.

A características das rodas é que elas são identicas (trazeira e dianteira iguais), feitas de alumínio com diâmetro de 4', e utilizam pneus calibráveis com medidas 265 mm x 85 mm. Mais precisamente, eles são pneus off-road 4.10 / 3.50 - 4 de Nylon, que dificilmente encontraremos exatamente igual, mas que, por um preço bastante módico (menos de R$ 34,00), podemos obter um com as mesmas medidas dimensionais, porém feito de material de qualidade um pouco inferior (imagem abaixo, a direita), em lojas especializadas em máquinas.

Os pneus de menor qualidade não significam, necesáriamente, que você terá uma durabilidade menor em uso, apesar desta ser uma tendência que deve, de fato, ser esperada. Todavia, você pode apostar que, o seu dinheiro, iria durar muito menos se você insistisse em querer usar os pneus exatamente iguais aos originais do Patinete Elétrico MoTronik da DropBoards.

O que você não terá, exatamente, são as rodas pneumáticas off-road, que são desnecessárias, até por que, é exagerado você acreditar que a estrutura do scooter (patinete), de fato, possibilite a ele suportar qualquer ambiente off-road que vá além de uma pista feita de calçamento de pedras bem acentadas, ou uma rua de terra pouco esburacada, de ou num campo gramado com topografia sem grandes inclinações.

Em compensação, você terá rodas pneumáticas "cargo speed" de alta estabilidade, resistência a cargas pesadas e com maior movimentação no asfalto, além de alta resistência a desgastes, que permite a rodagem em terrenos e pisos mais abrasivos.

Todavia, no caso de os pneus já virem acompanhado de rodas, é preciso se tomar o cuidade de verificar se estas rodas são, de fato. adequadas: em geral, rodas para aplicação cargo não são construídas com rolamento de esferas, uma caracteristica construtiva que é altamente recomendável para as rodas a serem usadas neste projeto de sccooter, principalmente por causa da relativamente alta velocidadade final almejada.

Escolhido os pneus, então, agora, nós podemos fazer a conversão do movimento linear da scooter (patinete) na pista, em movimento rotativo do eixo da roda, ignorando eventuais deslisamentos que possam ocorrer por falta de aderência na pista, e para o caso da velocidade máxima que pretendemos atingir, que é de 42 km/h.

A circunferência externa do pneu (em metros) é dada por 0,265 ∙ π = 0,8325 m e, ao trafegar a 42 km/h, isso equivale a trafegar a 42000 ∕ 60 = 700 m/min, de modo que, a rotação do eixo da roda deverá ser de 700 ∕ 0,8325 = 840,8 rpm (rotação ∕ min). Esta informação (840,8 rpm) é a rotação máxima idealizada para a roda, e ela será pertinente para fazermos escolher do motor.

Resumidamente, um motor de CC (Corrente Contínua) converte a corrente elétrica que o alimenta em esforço (torque ou conjugado), enquanto que, a tensão elétrica, é convertida em velocidade (em rotações por minuto ou rpm). O torque (ou cojugado) é o esforço (ou força de torção) medido a uma certa distância radial a partir do centrodo eixo de giro, expressado usualmente em Newtons ∙ metros (Nm). Para muitos mais detalhes veja, também: Conjugado, Potência e Velocidade em Máquinas Elétricas.

Do ponto de vista da velocidade ou rotação, existem dois tipos de motores elétricos adequados para os VEs de pequeno porte: os motores padrão e os motorredutores. Os motores padrão têm eixos diretamente ligados ao rotor do motor, em geral, com velocidades de saída do eixo entre 1800 e 3000 rpm. Já, os motoredutores são dotados de um sistema de transmissão com ingrenagens incorporado a eles que têm a função de reduzir a velocidade (e consequntemente, aumentar o torque, embora que ainda não trataremos do torque), em geral, com velocidades de saída do eixo entre 400 e 500 rpm.

Em tese, poderíamos optar por qualquer uma desses tipos de motores para um VE de pequeno porte, todavia, os motoredutores são mais adequados para as bicicletas elétricas, que têm rodas de aro 16" a 26". Motoredutores tambem podem se aplicar a VEs de pequeno porte com rodas menores, porém, quando somente quando é necessário uma operação em velocidade máxima baixa, e uma grande quantidade de torque para a escalada de subidas mais ingremes, ou quando se dirige por areia ou lama.

No entanto, este não seria o caso de um Kart elétrico, tal como também não é o caso do patinete-scooter elétrico, onde a velocidade final almejada, de 42 km/h, não pode ser considerada baixa, e onde a roda é pequena (de 6" ~ 12"), para os quais, melhor se aplica o emprego de um motor padrão, muito embora, isso não signifique que não teremos um sistema de redução, que se faz necessário pois, a faixa de rotação de 1800 a 3000 rpm do motores existentes não atende a necessidade que temos de uma rotação maxima de algo em torno de 840 ~ 850 rpm na roda tracionada.

Isso significa dizer, que o acoplamento entre o eixo do motor e o eixo da roda não se dará diretamente, mas, através de um sistema de transmissão, em geral empregando uma corrente de aço, uma coroa e um pinhão, tal como, guardadas as devidas proporções, se faz numa bicicleta, ou numa motocicleta, só que sem o emprego de um dispositivo de câmbio de marchas.

Em geral o termo coroa é utilizado para designar a engrenagem motriz (aquela ligada ao eixo do motor), mas este termo também é empregado para designar a engrenagem maior do sistema de transmissão, que é utilizado em conjunto com o pinhão, e está em contraposição ao pinhão. Então o emprego destes termos pode levar a confusões aqui, pois, no caso da scooter, a engrenagem menor é a engrenagem motriz (associada ao eixo do motor), porquanto temos a necessidade de reduzir a velocidade e de aumentar o torque.

Almejar uma velocidade máxima de 42 km/h para uma sccoter pode ser algo que pareça exagerado, pois, alguns projetos de scooter são especificados para uma velocidade máxima de apenas 25 km/h (ou mesmo de 22 km/h). Então, fica a critério do bom senso e do gosto do projestista, especificar a quantidade de dentes da sua própria engrenagem maior (a da roda), a partir da engrenagem que já vem junto com o motor (de 11 dentes) sendo que, quanto maior esse número de dentes da engrenagen da roda, menor será a velocidade, porém, maior sera o torque (melhor perfornmance em pistas de inclinação ascendente).

Se empregarmos um motor padrão de 2750 rpm , onde tenhamos uma engrenagem de 11 dentes acoplado ao seu eixo, por exemplo, precisaremos de uma engrenagem de 36 dentes (uma relação de 1 : 3,27), ligada ao eixo da roda, para termos uma rotação máxima ideal, de 845 rpm, na roda.

Com um Motor Padrão, que já vem preparado com suporte para montagem (4 parafusos) e para o acionamento de uma corrente tracionadora de aço #25, e com um peso de 2,495 kg com o desempenho de um motor de ímã permanente, nós já poderíamos atingir uma boa solução para a motorização, neste projeto.

Olhando em site especializado em suporte para Scooters de Motores Elétricos, eu encontrei um motor assim (mas que não é um motor especifico da área de modelismo), de 36V, 350 W, e ao preço de US $ $74.95 (R$ 239,10 - com US $1 cotado a R$ 3,19), fora o imposto de importação que se paga ao recebê-lo no Brasil. Este motor é, comumente, vendido como peça de reposição compatível com Scooters elétricas diversas, feitas na China, tais como as das marcas Freedom, Sunl, Dolphin, Boreem, E-Scooter, X-Treme, Star II, entre outras marcas e modelos semelhantes.

Mas, porque optar por um motor de tensão de 36V? Em primeiro lugar, simplesmente por se tratar de uma das opções dentro dos padrões de mercado. Em geral, você irá encontrar, com muito mais facilidade e quantidade de oferta, os motores CC sem escovas de tensão de 24V, de 36V e de 48V (para scooters e motocicletas com motor igual ou maior ao equivalente a um motor de 100 cc, pode ser mais adequado um motor elétrico de tensão ainda maior, de 60V).

Por um lado a tensão mais alta é vantajosa, na medida em que, para uma dada mesma potência, o motor de tesão mais alta demandará uma corrente elétrica proporcionalmente menor, e os seus enrolamentos podem, então, ser feitos com fios condutores mais finos. Todavia, a tensão mais altta exige que você precise de um pacote de bateria que requer associar mais células em série, para que, na somatória, atinja o valor da tensão correta. A tensão de 36V exige a associação de 10 células de Li-ion / Li-Polimero, em série (onde 3,7V é a tensão nominal típica por célula, e 10 ∙ 3,7 = 37 V ).

O motor em questão ainda apresenta a característica de ter a rotação do eixo reversível, quando invertemos a polaridade dos condutores de alimentação. No caso do método de fixação por suporte de montagem não ser a forma mais adequada, existe, ainda, a possibilidade de emprego de um outro motor CC sem escovas com as mesmas caracteristicas eletromagneticas e de desempenho torque / velocidade / potência, porém, com sistema de fixação que é diferente, através de furos roscados de montagem nos discos frontal e traseiro da carcaça do motor.

A montagem por meio desses furos roscados frontais e trazeiros, a pricípio, pode parecer a forma mais adequada, mas, este motor tem as dimensões ligeiramente maiores e, um considerável peso extra (cerca de 1 kg a mais), o que não faz dele um produto mais caro, ao contrário, ele costuma ser mais barato, US $64.95 (R$ 207,20, sem o imposto) e, acredito que ele tenha uma maior demanda de procura.

Bem, mas esta seria a apresentação do que seria, podemos dizer, uma solução convencional para a motorização do patinete-scooter, empregando motores que foram construídos pensando, especificamente, neste tipo de aplicação. Mas existe um outro caminho que nós podemos seguir, e que pode nos levar a uma esperiência interessante. Mas esse outro caminho, no entanto, pode ser também sombrio, principalmente para quem se envereda por ele, pela primeira vez: o emprego em scooters, de motores e de controladores de velocidade que são típicos das aplicações do mundo do aeromodelismo.

Em continuidade, é disso (e muito mais) que trataremos na próxima postagem.

Veja Também:

Sobre Motocicletas, Triciclos, Scooters, Bicicletas, Skates e Patinetes Elétricos (Parte 2/3)

Sobre Carregamento de Veículos Elétricos

O Básico Sobre o Sistema de Tração de Veículos Elétricos

Motocicletas e Scooters Elétricos