Motores de ímã permanente aumentam a precisão da eficiência industrial

Os motores elétricos impulsionam a espinha dorsal da indústria moderna e, entre eles, os Motores Síncronos de Ímã Permanente (PMSMs) estão surgindo como uma solução superior em vários setores. Que vantagens eles oferecem em relação aos motores tradicionais? Que designs engenhosos estão escondidos em sua estrutura? Que estratégias de controle exclusivas os fazem se destacar? Este artigo fornece uma análise abrangente da estrutura, princípios de funcionamento, métodos de controle e aplicações dos PMSMs.

O Motor Síncrono de Ímã Permanente (PMSM) é um tipo de motor síncrono em que o campo magnético de excitação é fornecido por ímãs permanentes. Em comparação com os motores síncronos tradicionalmente excitados eletricamente, os PMSMs eliminam a necessidade de enrolamentos de excitação e fontes de alimentação adicionais, resultando em uma estrutura mais compacta e maior eficiência. Quando comparados aos motores de indução, os PMSMs oferecem maior densidade de potência, relação torque-inércia e precisão de controle, tornando-os ideais para servo acionamentos de alto desempenho, veículos elétricos, geração de energia eólica e outras aplicações.

Os PMSMs consistem principalmente em duas partes: o estator e o rotor. Embora sua estrutura básica se assemelhe aos motores síncronos convencionais, o design do rotor representa sua principal inovação.

O estator, o componente estacionário de um PMSM, compreende principalmente o núcleo do estator e os enrolamentos do estator. O núcleo do estator é tipicamente laminado a partir de chapas de aço silício para minimizar as perdas de ferro. Os enrolamentos do estator são embutidos nas ranhuras do núcleo do estator, formando enrolamentos CA multifásicos, sendo as configurações de duas e três fases as mais comuns. Com base na distribuição do enrolamento, os enrolamentos do estator podem ser categorizados como:

Os enrolamentos distribuídos apresentam vários slots por polo por fase (Q=2,3,...k). Sua vantagem reside em suprimir efetivamente os harmônicos superiores e melhorar o desempenho do motor, embora a complexidade de fabricação aumente.

Os enrolamentos concentrados usam um slot por polo por fase (Q=1). Embora mais simples de fabricar, eles geram maior conteúdo harmônico, exigindo medidas adicionais para supressão harmônica.

O rotor, o componente rotativo, apresenta ímãs permanentes como sua principal inovação. Com base na colocação do ímã, os PMSMs são classificados como:

Nos SPMSMs, os ímãs são montados diretamente na superfície do rotor. Este design produz campos magnéticos de entreferro quase senoidais e simplifica o projeto de parâmetros de indutância, mas sofre de menor resistência mecânica e vulnerabilidade do ímã às influências do entreferro.

Os IPMSMs embutem ímãs dentro do rotor, oferecendo resistência mecânica superior e a capacidade de utilizar o torque de relutância para aumentar a densidade de torque. Existem várias configurações internas de ímãs, incluindo arranjos de camada única, multicamadas e tipo V.

A classificação adicional com base na razão de saliência divide os PMSMs em:

• PMSMs de polo saliente: Onde a indutância do eixo direto (Ld) difere da indutância do eixo em quadratura (Lq).
• PMSMs de polo não saliente: Onde Ld é igual a Lq.

Os PMSMs operam por meio da interação entre o campo magnético rotativo do estator e o campo do ímã permanente do rotor. Quando a corrente CA multifásica simétrica flui pelos enrolamentos do estator, ela gera um campo magnético rotativo. O campo do ímã permanente do rotor se sincroniza com este campo rotativo, produzindo torque que impulsiona a rotação. A operação síncrona ocorre quando a velocidade do rotor corresponde à velocidade rotacional do campo do estator.

Semelhante aos motores de indução, a corrente CA trifásica nos enrolamentos do estator do PMSM cria um campo magnético rotativo. A velocidade rotacional do campo depende da frequência da fonte de alimentação e dos pares de polos do estator:

n = 60f / p

Onde n é a velocidade rotacional (rpm), f é a frequência (Hz) e p é a contagem de pares de polos.

A interação entre os campos do ímã permanente do rotor e os campos rotativos do estator produz torque eletromagnético. A magnitude do torque depende da força do campo, sua relação angular e os parâmetros estruturais do motor. Os SPMSMs geram principalmente torque de ímã permanente, enquanto os IPMSMs produzem torque de ímã permanente e torque de relutância devido ao seu design de polo saliente.

O controle do PMSM visa a regulação precisa da velocidade, torque e posição. Dada sua natureza não linear e fortemente acoplada, o controle do PMSM apresenta desafios únicos. As abordagens de controle comuns incluem:

Este método simples controla a velocidade do motor mantendo uma relação tensão-frequência constante. Embora econômico, oferece precisão e desempenho dinâmico limitados, tornando-o inadequado para aplicações de alto desempenho.

Esta técnica avançada decompõe a corrente do estator em componentes de excitação e torque para controle independente. O FOC oferece alta precisão e resposta dinâmica, mas requer algoritmos complexos envolvendo transformações de coordenadas e identificação de parâmetros.

Usando o fluxo do rotor como referência, este método decompõe a corrente do estator em componentes do eixo d e do eixo q para controle separado de excitação e torque, permitindo uma resposta rápida ao torque, mas exigindo dados precisos da posição do rotor.

Esta variação usa o fluxo do estator como referência, eliminando a dependência direta da posição do rotor, mas aumentando a complexidade algorítmica.

O DTC regula diretamente o torque controlando os vetores de tensão do estator para corresponder aos valores de referência de torque e fluxo. Embora estruturalmente simples com excelente dinâmica, ele produz ondulação de torque significativa, exigindo medidas de mitigação.

A eliminação de sensores de posição reduz custos e complexidade. As técnicas sem sensor comuns incluem:

Este método estima a posição do rotor a partir de observações de back-EMF, mas tem dificuldades em baixas velocidades devido a pequenas amplitudes de sinal vulneráveis à interferência de ruído.

Ao injetar sinais de alta frequência e monitorar as variações de indutância causadas pelos efeitos de saliência, esta abordagem funciona bem para IPMSMs, mas exige frequências de comutação mais altas.

Usado para PMSMs com back-EMF trapezoidal, este método simples produz ondulação de torque significativa. As implementações de malha fechada exigem sensores Hall para feedback de posição.

Em comparação com os motores de indução tradicionais, os PMSMs oferecem:

A eliminação da corrente de excitação reduz as perdas, particularmente perceptíveis sob cargas leves. Estudos mostram que os PMSMs alcançam aproximadamente 2% de maior eficiência do que os motores de indução de eficiência premium (IE3) em condições comparáveis.

Ímãs permanentes de alta energia permitem campos magnéticos mais fortes dentro de dimensões compactas, fornecendo mais potência por unidade de volume.

Designs de rotor compactos com baixa inércia facilitam operações rápidas de partida-parada e aceleração, aprimorando a resposta dinâmica.

Métodos de controle avançados como FOC e DTC permitem a regulação precisa da velocidade, torque e posição, atendendo às exigências de aplicações servo.

Os PMSMs se destacam em diversos campos:

Ideais para sistemas de propulsão de veículos elétricos, os PMSMs melhoram a autonomia e a aceleração. Os principais fabricantes como Tesla e BYD adotaram esta tecnologia.

Turbinas eólicas PMSM de acionamento direto eliminam caixas de engrenagens, reduzindo perdas mecânicas e manutenção, ao mesmo tempo em que melhoram a confiabilidade em ambientes agressivos.

Como componentes principais em sistemas servo de alto desempenho, os PMSMs atendem às exigências rigorosas de robôs industriais e máquinas-ferramentas CNC.

Amplamente utilizados em condicionadores de ar, máquinas de lavar e refrigeradores baseados em inversor, os PMSMs aprimoram a eficiência energética, reduzindo o ruído e prolongando a vida útil.

Com sua eficiência superior, densidade de potência e precisão de controle, os PMSMs representam um avanço significativo na tecnologia de motores. À medida que os materiais de ímãs permanentes e os algoritmos de controle continuam a evoluir, as aplicações se expandirão ainda mais para mobilidade elétrica, manufatura inteligente e aeroespacial. A pesquisa em andamento em design de motores, estratégias de controle e técnicas sem sensor promete impulsionar o desenvolvimento contínuo do PMSM.