Veículos Elétricos - Os Carros Verdes - Emissão "Zero" de Carbono - Tecnologias e Empreendimentos: Como se Constituem e Operam os Motores CC Sem Escovas (Motores BLDC)

(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.