A máquina elétrica rotativa é o elemento nuclear de um veículo elétrico, sendo que a sua escolha exige especial atenção. Existem inúmeros fatores a ter em consideração no momento da escolha de um motor elétrico, sendo alguns deles a eficiência, custo, fiabilidade, densidade de potência, controlabilidade e maturidade da tecnologia [11]. No domínio dos veículos elétricos, interessa em particular responder a um conjunto de requisitos que estão associados aos diferentes modos de condução. A figura2.7ilustra as curvas características de um motor elétrico para VEs.
Figura 2.7: Curvas características de uma máquina elétrica para VEs [12]
Os indicadores de performance de um qualquer veículo incluem a capacidade de aceleração, o seu desempenho em subidas com inclinação elevada, a sua velocidade máxima, entre outros. Assim, observando as curvas binário-velocidade e potência-velocidade da figura 2.7 é possível concluir que um motor elétrico para uma aplicação de tração deve oferecer um binário elevado a
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baixas velocidades para cumprir os requisitos de arranque e aceleração inicial, juntamente com elevada potência a elevadas velocidades para regimes de velocidade de cruzeiro.
Existem duas grandes categorias de máquinas elétricas rotativas:
• Motores DC: Este tipo de máquinas foram em tempos os motores de eleição em aplicações de tração e industriais devido à sua elevada controlabilidade. No entanto, a sua construção faz com que as exigências de manutenção sejam elevadas;
• Motores AC: Têm diversas vantagens quando comparadas com os motores DC: maior efi- ciência, densidade de potência, robustez, fiabilidade entre outros [11]. O aparecimento de novas estratégias de controlo vetorial potenciou o interesse nestes motores, que hoje em dia dominam as preferências para aplicações industriais.
Nos subcapítulos seguintes serão analisados diferentes tipos de motores AC normalmente uti- lizados em veículos com tração elétrica.
2.3.1 Motor de Indução
Os motores de indução são conhecidos pela sua construção simples, fiabilidade, robustez, baixo custo e capacidade de operar em ambientes hostis [11,12]. Este conjunto de características, juntamente com o aparecimento dos métodos de controlo vetorial, potenciaram a sua utilização e tornaram-nos numa máquina de eleição para as mais variadas aplicações.
Figura 2.8: Curvas características dos motores de indução [11]
A figura2.8ilustra as principais características deste tipo de motores. A utilização dos já refe- ridos métodos de controlo vetorial permitem controlar o fluxo e o binário de forma independente, e a gama de velocidades poderá ser aumentada recorrendo a técnicas de enfraquecimento de campo na região de potência constante [11,12,13]. No entanto, os motores de indução apresentam uma diminuição da eficiência a elevadas velocidades e um baixo fator de potência quando comparados com os motores de ímanes permanentes [11].
2.3.2 Motor de Relutância Comutada
Os motores de relutância comutada (SRM) são atualmente reconhecidos pelo seu potencial de utilização em veículos elétricos [12]. A sua construção simples e robusta, em conjunto com a tolerância a possíveis falhas, controlo simples e excelente característica binário-velocidade (fi- gura2.9) são algumas das principais vantagens destes motores, capazes de funcionar a elevadas velocidades com uma gama alargada de potência constante.
Figura 2.9: Característica de um SRM [11]
Como desvantagem, estes motores apresentam elevadas vibrações, associadas ao ripple de binário elevado, assim como ruído acústico. No entanto, estas desvantagens não são impeditivas para a sua utilização em veículos elétricos [11].
2.3.3 Motores de Ímanes Permanentes
A máquina de ímanes permanentes (PM), como o nome sugere, resulta da substituição do en- rolamento de campo das máquinas síncronas convencionais por ímanes permanentes. Esta solução não utiliza escovas nem anéis coletores, diminuindo as perdas e as necessidades de manutenção [13]. Estas máquinas podem ser divididas em dois grandes grupos:
• Motores síncronos de ímanes permanentes (PMSM) – Motores com força contra-eletromotriz sinusoidal;
• Motores de corrente contínua sem escovas (BLDC) – Motores com força contra-eletromotriz trapezoidal.
Estes dois grandes grupos apresentam ainda algumas diferenças significativas relativamente ao seu controlo. Sendo as correntes nas fases de um BLDC retangulares, um sensor de hall é suficiente para permitir obter a informação sobre a posição do rotor. Por outro lado, as correntes nas fases de um PMSM são sinusoidais, o que exige sensores de posição mais complexos e com
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maior custo [14]. É possível, no entanto, recorrer a técnicas de controlo que substituem os sensores de posição por estimadores de posição do rotor, que diminuem o custo do sistema mas aumentam a sua complexidade e exigências computacionais [15]. A figura2.10ilustra a curva característica binário-velocidade de uma máquina de ímanes permanentes.
Figura 2.10: Característica binário-velocidade de um motor PM [11]
Para além do facto de as perdas serem inferiores quando comparados com outros motores, os motores de ímanes permanentes são também mais compactos, leves e com maior densidade de potência devido à utilização de ímanes com elevada densidade energética. Como desvantagem, estes motores apresentam uma gama de funcionamento com potência constante bastante inferior à dos motores de indução, o que limita a sua utilização com enfraquecimento de campo [13].
2.3.4 Comparação quantitativa
A utilização de um determinado motor elétrico pode ser avaliada com base em seis fatores principais. Na tabela2.2é atribuída uma nota numa escala de 0 a 5 para cada um desses motores.
Tabela 2.2: Tabela comparativa entre os diferentes motores. Adaptado de [11]
DC IM PM SRM Densidade de Potência 2.5 3.5 5 3.5 Eficiência 2.5 3.5 5 3.5 Controlabilidade 5 5 4 3 Fiabilidade 3 5 4 5 Maturidade da Tecnologia 5 5 4 4 Custo 4 5 3 4 Total 22 27 25 23
Como se pode perceber, o motor de indução é o que obtém melhor classificação geral. No entanto, os motores PM possuem maior densidade de potência devido aos ímanes permanentes, e maior eficiência, devido à inexistência de perdas no rotor.