Se você estiver interessado em se aprofundar na tecnologia de motores de combustão interna, deve estar preparado para ser bombardeado com muitos conceitos diferentes. Motores naturalmente aspirados, motores turboalimentados, injeção direta, injeção indireta ou injeção direta e indireta! Gasolina, diesel, GNV, GLP, ciclo Atkinson, ciclo Miller, ciclo Budack, diesel e ciclo Otto (ver motor Mazda Skyactiv-X), turbo de geometria fixa, turbo de geometria variável, turbo twin-scroll, comando de válvulas variável… a lista continua.
A questão que surge quase automaticamente é: por que temos tantos projetos e conceitos de motores de combustão interna? A resposta é simples – porque nenhum deles é bom o suficiente do ponto de vista da eficiência. Na busca por melhorar a eficiência, muitos projetos foram introduzidos por engenheiros ao longo da história automotiva. Essa variedade de designs também é relevante para os motores elétricos? Quantos tipos de motores temos na mobilidade elétrica? A resposta são apenas 3 principais. Vamos conhecê-los.
Motor de indução assíncrono - Breve lição de história
O motor de indução assíncrono não é algo novo. Foi inventado por dois pesquisadores independentes – o único Nikola Tesla e Galileo Ferraris. Embora aparentemente o inventor italiano tenha desenvolvido este motor pela primeira vez em 1885, Nikola Tesla foi o primeiro a registrar a patente em 1888.
A invenção do motor de indução é, sem dúvida, uma das maiores conquistas no aproveitamento da eletricidade para alimentar nossas vidas. A adoção desse tipo de motor está tão difundida nos dias de hoje, que é muito difícil imaginar o dia a dia sem ele. Muitos dispositivos elétricos utilizam esses motores e a grande maioria dos motores industriais são do tipo de indução assíncrona.
Como funciona um motor de indução assíncrono?
Todos os motores elétricos possuem duas partes principais. Uma parte estática é chamada de estator e uma parte rotativa é chamada de rotor. Vamos começar com o estator – geralmente um cilindro de aço com ranhuras e bobinas de cobre tecidas com uma geometria específica. Essas bobinas são alimentadas com corrente CA trifásica que foi convertida de CC (fornecida pela bateria) na eletrônica de potência. Esta corrente cria um campo magnético rotativo no estator e a velocidade desse campo magnético rotativo é chamada de velocidade síncrona.
Em essência, é assim que este tipo de motor funciona: a tensão CA é aplicada às bobinas (ou enrolamentos) de cobre e, como resultado, obtemos um campo magnético rotativo, esse campo induz tensão no rotor que, por sua vez, faz com que a corrente flua. Esse fluxo de corrente produz seu próprio campo magnético rotativo no rotor, que fica atrás do campo magnético do estator. A força entre os dois campos magnéticos que acabam movimentando o rotor é chamada de Força de Lorentz. O movimento do rotor é então transferido para as rodas do carro através da redução adequada.
Este motor é denominado assíncrono porque o campo magnético rotativo do rotor e do estator não está sincronizado. A parte de indução vem do campo magnético rotativo, tensão e corrente induzida pelo estator. Quando pressionamos o pedal do acelerador, o campo magnético do rotor fica um pouco atrás do estator. Quando desaceleramos e o motor funciona como gerador (frenagem regenerativa), o campo magnético giratório do rotor está à frente do estator. Esta diferença nos campos magnéticos rotativos é chamada de “deslizamento” e geralmente chega a 5% dependendo do projeto do motor.
A eficiência típica de um motor de indução assíncrono trifásico usado na indústria automotiva é de cerca de 90%. Devido à sua robustez, simplicidade, longevidade e zero requisitos de materiais exóticos, este motor é utilizado quase exclusivamente em processos industriais. Além disso, suas boas características de sobrecarga o tornam um motor sob demanda perfeito e é por isso que é frequentemente usado como motor dianteiro em carros elétricos AWD.
Alguns dos carros que usam motores de indução assíncronos são: Audi e-Tron SUV, Mercedes-Benz EQC, Tesla Model S,3, eixos dianteiros XandYon e os carros MEB do Grupo VW também os usam nos eixos dianteiros.
Motor síncrono de ímã permanente
A diferença fundamental entre motores de indução assíncronos e motores síncronos de ímã permanente é a maneira pela qual os campos magnéticos rotativos no rotor e no estator são produzidos e interagem. Nos motores síncronos de ímã permanente, existe um campo magnético giratório nativo, criado por ímãs permanentes (daí o nome do motor) no rotor. Os campos magnéticos rotativos do rotor e do estator nesses motores são bloqueados e não há escorregamento.
Os ímãs permanentes no rotor são um dos elementos-chave que aumentam a densidade de potência e melhoram a eficiência do motor. A maior densidade de potência significa alta potência em baixo volume, razão pela qual os motores de ímã permanente são usados exclusivamente em PHEVs. O motor elétrico desses veículos fica alojado na caixa de câmbio e há limitações de espaço.
Os ímãs permanentes são feitos de materiais de terras raras, com a China controlando a maioria deles. Existem questionamentos sobre os aspectos éticos do processo de mineração e por isso, muitos fabricantes tentam reduzir o uso desses materiais em seus motores. No entanto, o motor síncrono de ímã permanente é o rei da eficiência - pode atingir até 94-95% e quando há apenas um motor no carro, então este é o tipo de motor utilizado.
Motores de ímã permanente são usados emHyundai Ioniq 5, Kia EV6, Tesla Model S, 3, X e Y nos eixos traseiros. Os carros MEB do Grupo VW também os utilizam nos eixos traseiros, Jaguar i-pace, Audi e-tron GT e Porsche Taycan, apenas para citar alguns.
Motor síncrono eletricamente excitado
Os motores síncronos de ímanes permanentes proporcionam a mais elevada eficiência, mas a sua dependência de elementos de terras raras suscita preocupações. Para resolver esta questão, fabricantes como a BMW, o RenaultGroupe e a Smart recorreram a uma arquitetura de motor híbrida – motores síncronos que não dependem de ímanes de terras raras.
Como funcionam essas máquinas? Em vez de empregar ímãs permanentes no rotor para gerar fluxo, eles utilizam escovas e anéis coletores. Segundo a BMW, esse tipo de motor proporciona uma eficiência de até 93%, muito próxima da eficiência dos motores de ímã permanente. Embora o conceito pareça promissor, a inclusão de escovas significa que eventualmente precisarão ser substituídas. Esperamos que os fabricantes que desenvolvem este tipo de motor selecionem escovas com uma vida útil suficientemente longa.
Este projeto de motor é empregado no BMW iX3, iX e i4; o Renault MéganeE‑TECH; e o equalizador inteligente.
