Por que os motores síncronos de ímã permanente se tornaram os principais motores de acionamento?
O motor elétrico converte energia elétrica em energia mecânica e transfere essa energia mecânica para as rodas através do sistema de transmissão, impulsionando o veículo. É um dos principais sistemas de propulsão dos veículos de novas energias. Atualmente, os motores de propulsão mais comuns em veículos de novas energias são os motores síncronos de ímã permanente e os motores assíncronos de corrente alternada. A maioria dos veículos de novas energias utiliza motores síncronos de ímã permanente. Fabricantes de automóveis representativos incluem a BYD e a Li Auto. Alguns veículos utilizam motores assíncronos de corrente alternada. Fabricantes de automóveis como a Tesla e a Mercedes-Benz utilizam motores elétricos.
Um motor assíncrono é composto principalmente por um estator estacionário e um rotor rotativo. Quando o enrolamento do estator é conectado à fonte de alimentação CA, o rotor gira e gera energia. O princípio básico é que, quando o enrolamento do estator é energizado (corrente alternada), ele forma um campo eletromagnético rotativo, e o enrolamento do rotor, como um condutor fechado, corta continuamente as linhas de indução magnética do campo magnético rotativo do estator. De acordo com a lei de Faraday, quando um condutor fechado corta as linhas de indução magnética, uma corrente é gerada, e essa corrente gera um campo eletromagnético. Nesse momento, existem dois campos eletromagnéticos: um é o campo eletromagnético do estator, conectado à corrente alternada externa, e o outro é o campo eletromagnético do rotor, gerado pelo corte das linhas de indução magnética do estator. De acordo com a lei de Lenz, a corrente induzida sempre resistirá à sua causa, ou seja, tentará impedir que os condutores do rotor cortem as linhas de indução magnética do campo magnético rotativo do estator. O resultado é: os condutores do rotor "alcançarão" o campo eletromagnético rotativo do estator. Isso significa que o rotor acompanha o campo magnético rotativo do estator e, finalmente, o motor começa a girar. Durante esse processo, a velocidade de rotação do rotor (n2) e a velocidade de rotação do estator (n1) estão dessincronizadas (a diferença de velocidade é de cerca de 2 a 6%). Portanto, é chamado de motor CA assíncrono. Ao contrário, se a velocidade de rotação for a mesma, é chamado de motor síncrono.
O motor síncrono de ímã permanente também é um tipo de motor CA. Seu rotor é feito de aço com ímãs permanentes. Quando o motor está funcionando, o estator é energizado para gerar um campo magnético rotativo que impulsiona o rotor a girar. "Sincronização" significa que a velocidade de rotação do rotor durante a operação em regime permanente está sincronizada com a velocidade de rotação do campo magnético. Os motores síncronos de ímã permanente têm uma relação potência-peso mais alta, são menores, mais leves, possuem maior torque de saída e apresentam excelente velocidade limite e desempenho de frenagem. Portanto, os motores síncronos de ímã permanente se tornaram os motores elétricos mais utilizados em veículos elétricos atualmente. No entanto, quando o material do ímã permanente é submetido a vibração, alta temperatura e corrente de sobrecarga, sua permeabilidade magnética pode diminuir ou ocorrer desmagnetização, o que pode reduzir o desempenho do motor. Além disso, os motores síncronos de ímã permanente de terras raras utilizam materiais de terras raras, e o custo de fabricação não é estável.
Em comparação com os motores síncronos de ímã permanente, os motores assíncronos precisam absorver energia elétrica para excitação durante o funcionamento, o que consome energia e reduz a eficiência do motor. Os motores de ímã permanente são mais caros devido à presença desses ímãs.
Os modelos que optam por motores assíncronos de corrente alternada tendem a priorizar o desempenho e a aproveitar as vantagens de potência e eficiência desses motores em altas velocidades. Um exemplo representativo é o Model S original. Principais características: mesmo em alta velocidade, o motor consegue manter o funcionamento em alta velocidade e o uso eficiente da energia elétrica, reduzindo o consumo de energia e mantendo a potência máxima.
Os modelos que optam por motores síncronos de ímã permanente tendem a priorizar o consumo de energia e a aproveitar o desempenho e a operação eficiente desses motores em baixas velocidades, tornando-os adequados para carros de pequeno e médio porte. Suas características incluem tamanho reduzido, baixo peso e maior duração da bateria. Ao mesmo tempo, apresentam bom desempenho na regulação de velocidade e conseguem manter alta eficiência mesmo diante de repetidas partidas, paradas, acelerações e desacelerações.
Os motores síncronos de ímã permanente dominam o mercado. De acordo com as estatísticas do "Banco de Dados Mensal da Cadeia Industrial de Veículos de Nova Energia", divulgado pelo Instituto de Pesquisa Industrial Avançada (GGII), a capacidade instalada de motores de acionamento para veículos de nova energia no mercado interno, de janeiro a agosto de 2022, foi de aproximadamente 3,478 milhões de unidades, um aumento de 101% em relação ao ano anterior. Dentre eles, a capacidade instalada de motores síncronos de ímã permanente foi de 3,329 milhões de unidades, um aumento de 106% em relação ao ano anterior; a capacidade instalada de motores assíncronos de corrente alternada foi de 1,295 milhão de unidades, um aumento de 22% em relação ao ano anterior.
Os motores síncronos de ímã permanente se tornaram os principais motores de acionamento no mercado de carros de passageiros puramente elétricos.
A julgar pela seleção de motores para os principais modelos nacionais e internacionais, os veículos de nova energia lançados por empresas chinesas como SAIC Motor, Geely Automobile, Guangzhou Automobile, BAIC Motor e Denza Motors utilizam motores síncronos de ímã permanente. Na China, os motores síncronos de ímã permanente são amplamente utilizados. Primeiro, porque apresentam bom desempenho em baixas rotações e alta eficiência de conversão, sendo ideais para as condições complexas de operação com frequentes partidas e paradas no trânsito urbano. Segundo, devido aos ímãs permanentes de neodímio-ferro-boro (NdFeB) presentes nesses motores. Esses materiais requerem o uso de recursos de terras raras, e a China detém 70% das reservas mundiais de terras raras, com uma produção total de 80% de materiais magnéticos NdFeB. Por isso, a China prioriza o uso de motores síncronos de ímã permanente.
As empresas estrangeiras Tesla e BMW utilizam motores síncronos de ímã permanente e motores assíncronos de corrente alternada em seu desenvolvimento colaborativo. Do ponto de vista da estrutura de aplicação, o motor síncrono de ímã permanente é a principal escolha para veículos de novas energias.
O custo dos materiais para ímãs permanentes representa cerca de 30% do custo dos motores síncronos de ímã permanente. As matérias-primas para a fabricação desses motores incluem principalmente neodímio-ferro-boro, chapas de aço silício, cobre e alumínio. Dentre elas, o neodímio-ferro-boro é utilizado principalmente na fabricação dos ímãs permanentes do rotor, representando cerca de 30% do custo total; as chapas de aço silício são utilizadas principalmente na fabricação do núcleo do rotor, representando cerca de 20% do custo total; o enrolamento do estator, cerca de 15%; o eixo do motor, cerca de 5%; e a carcaça do motor, cerca de 15%.
Por que sãoCompressor de ar de parafuso com motores de ímã permanente OSGmais eficiente?
O motor síncrono de ímã permanente é composto principalmente por estator, rotor e carcaça. Assim como os motores CA comuns, o núcleo do estator possui uma estrutura laminada para reduzir as perdas no ferro devido aos efeitos de correntes parasitas e histerese durante o funcionamento do motor; os enrolamentos também costumam ter estruturas trifásicas simétricas, mas a seleção dos parâmetros varia bastante. O rotor apresenta diversas formas, incluindo um rotor de ímã permanente com gaiola de esquilo para partida e um rotor de ímã permanente puro embutido ou montado na superfície. O núcleo do rotor pode ser maciço ou laminado. O rotor é equipado com material magnético permanente, comumente chamado de ímã.
Em condições normais de operação, os campos magnéticos do rotor e do estator de um motor de ímã permanente estão em estado síncrono. Não há corrente induzida no rotor, nem perdas por cobre, histerese ou correntes parasitas. Portanto, não há necessidade de considerar problemas de perdas e aquecimento do rotor. Geralmente, o motor de ímã permanente é alimentado por um conversor de frequência específico e possui, naturalmente, uma função de partida suave. Além disso, por ser um motor síncrono, o motor de ímã permanente tem a característica de ajustar o fator de potência através da intensidade da excitação, permitindo que o fator de potência seja projetado para um valor específico.
Do ponto de vista da partida, devido ao fato de o motor de ímã permanente ser acionado por uma fonte de alimentação de frequência variável ou um inversor auxiliar, o processo de partida do motor de ímã permanente é muito fácil; é semelhante à partida de um motor de frequência variável e evita os defeitos de partida dos motores assíncronos de gaiola comuns.
Resumindo, a eficiência e o fator de potência dos motores de ímã permanente podem atingir níveis muito altos, a estrutura é muito simples e o mercado tem estado muito aquecido nos últimos dez anos.
Contudo, a falha por perda de excitação é um problema inevitável em motores de ímã permanente. Quando a corrente é muito alta ou a temperatura muito elevada, a temperatura dos enrolamentos do motor aumenta instantaneamente, a corrente sobe bruscamente e os ímãs permanentes perdem a excitação rapidamente. No controle de motores de ímã permanente, um dispositivo de proteção contra sobrecorrente é instalado para evitar a queima do enrolamento do estator, mas a consequente perda de excitação e o desligamento do equipamento são inevitáveis.
Data da publicação: 12/12/2023
