Motores Elétricos e novas tecnologias (MEC546)

A chegada dos veículos elétricos e de novas fontes de energia que possibilitam a utilização de motores em uma infinidade de aplicações onde antes eram problemáticos, abre campo para uma nova tecnologia tanto de fabricação e operação como de circuitos de apoio. O profissional que trabalha com aplicativos tais como IoT, veículos elétricos, equipamentos de automação industrial e predial, mundo agropecuário deve estar preparado para trabalhar com uma nova geração de motores e circuitos de controle. Neste artigo, trataremos desse assunto, analisando suas perspectivas.

Antigamente tínhamos poucas tecnologias de fabricação para os motores elétricos. Para os motores de corrente contínua, tínhamos os tipos tradicionais com escovas, de baixo rendimento, ruidosos e que apresentavam constantemente desgaste das escovas.

Para a alimentação por corrente alternada, tínhamos os tipos universais e de indução com suas limitações. Os motores trifásicos nas aplicações industriais predominavam.

Mas, a tecnologia do motor foi evoluindo com novos tipos que foram criados viabilizando aplicações específicas. Vieram os motores sem escovas para eletrodomésticos, os motores de passo para impressoras e aplicações de precisão, os motores sincronizados, os servo-motores e muito mais (*).

(*) Se você quer saber mais sobre motores, sugerimos a leitura de nosso artigo: Tudo Sobre Motores (MEC284)

Mas, os avanços da tecnologia dos motores não pararam apenas nestes tipos. O avanço continua com a melhoria do desempenho dos tipos existentes, graças a utilização de novos materiais assim como de formas de construção que permitem a operação com dispositivos eletrônicos que proporcionam um rendimento até então impossível.

Obter motores leves, de altíssima potência com rendimento elevado é o que visam os projetistas interessados em aplicações, tais como, veículos elétricos (EV), drones, aviões elétricos, eletro-eletrônicos, equipamento para a agro indústria e muito mais.

O que está vindo de novo em termos de motores elétricos? Podemos separar nossa análise em dois grandes campos: o aperfeiçoamento do motor em si e o desenvolvimento de novos componentes e circuitos eletrônicos para seu controle.

Os motores

Os motores elétricos não mudaram quanto ao princípio de funcionamento. Ainda temos bobinas criando campos magnéticos que interagem com partes mecânicas de material ferromagnético produzindo assim força e movimento.

O principal ponto que se visa hoje é conseguir arranjos dessas partes que proporcionem maior rendimento. Isso pode ser conseguido, por exemplo, fazendo com que o motor gire mais rápido assim como pelo uso de novos materiais magnéticos.

Para os materiais também temos novos formatos e disposições. Já é possível, por exemplo, num motor de alta potência pode ser exigida a refrigeração a água. Já temos empresas que fazem as partes do motor em impressoras 3D.

Uma possibilidade interessante que já é explorada é integrar o motor ao próprio sistema de propulsão, eliminando-se assim o uso de engrenagens redutoras que são responsáveis por perdas por atrito assim como pela geração de calor.

Na figura 1 temos um exemplo de motor elétrico integrado ao próprio sistema de propulsão sem a necessidade de engrenagens de redução.

Figura 1 – propulsão direta da Protean Electric
Figura 1 – propulsão direta da Protean Electric

A eliminação de engrenagens tem sido um ponto abordado por todos os fabricantes de motores que devem pensar já num dispositivo que apresente diretamente o torque e a velocidade necessária a aplicação.

Uma empresa japonesa, a APC, por exemplo, espera desenvolver motores que permitam reduzir os custos por quilowatt à metade até 2025.

Dois pontos importantes no projeto dos novos motores prometem mudanças radicais nas tecnologias envolvidas justamente visando a não utilização das engrenagens e maior rendimento.

Um deles é a operação do motor com tensões mais altas. Operando com tensões mais altas, para uma mesma potência, a corrente pode ser menor e com isso as bobinas podem ser também menores em termos de dimensões físicas e com isso as perdas reduzidas e a temperatura de operação mais baixa.

Hoje já se trabalha com motores que podem operar com tensões que chegam perto dos 10 000 V. O uso de tensões maiores também favorece a operação com fontes chaveadas que então apresentam menor ripple e menos problemas de EMI.

A Mouser Electronics em interessante artigo explora essas novas tecnologias dos motores. Acesse em: https://br.mouser.com/applications/GaN-HEMTS-Power-Electric-Motor-Reform/?utm_medium=email&utm_campaign=elq-20.0923-techapp-industrial-en&utm_source=eloqua&subid=62b39153786d4f19a02cf2371ca6a241&utm_content=6063273

Os componentes eletrônicos

Outro ponto a ser considerado ao se projetar levando em conta motores com novas tecnologias é o uso de alta frequência. Para isso temos de pensar em novos tipos de componentes e circuitos.

Os motores comuns das tecnologias do passado foram feitos para operar com a frequência da rede de energia. Com o advento de componentes de chaveamento eficientes como os MOSFETs, SCRs e IGBTs os motores passaram a operar com frequências mais elevadas.

Com a tecnologia PWM foi possível implementar características novas de operação aos motores como o gerenciamento das correntes de partida, o rendimento conforme a carga e muito mais.

Hoje temos uma família enorme de novos componentes de controle para esses motores, indo de dispositivos de comutação SiC (Carboneto de Silício) aos GaN WBS.

WBS significa Wide Bandgap Semiconductor ou semicondutor com largura de banda ampla que são materiais semicondutores com características que permitem aos dispositivos operar com tensões muito mais altas assim como também temperaturas. Aplicações incluem circuitos RF, Lasers e motores.

Esses dispositivos podem operar que chegam aos 300º C e operar com tensões que chegam aos 1 000 V. A frequência de operação pode superar os 200 kHz.

Na figura 2 temos um componente usando essa tecnologia, fabricado pela Texas Instruments e disponível na Mouser Electronics.

Figura 2 – Circuito de controle GaN HEMT da Texas Instruments
Figura 2 – Circuito de controle GaN HEMT da Texas Instruments | Clique na imagem para ampliar |

HEMT significa High-Electron-Mobility Transistor ou Transistor de Alta Mobilidade de Eletrons também conhecido como HFET de alto desempenho.

Sua curva característica é mostrada na figura 3.

Figura 3 – HMET de GaS
Figura 3 – HMET de GaS | Clique na imagem para ampliar |

A figura 4 mostra um circuito de aplicação para este componente.

Figura 4 – Circuito de aplicação
Figura 4 – Circuito de aplicação | Clique na imagem para ampliar |

Em suma, no projeto dos novos sistemas que fazem uso de motores elétricos, diversos cuidados devem ser tomados tanto na escolha do tipo como do circuito de controle.

Assim não basta mais ligar o motor ao sistema de controle ou alimentação, temos de ir além.

Numa aplicação típica teremos 4 etapas nos circuitos que são:

- Fonte de alimentação AC

- Conversor AC/DC

- Inversor DC/AC

- Circuito de controle AC para a carga

O bom engenheiro de projetos com motores para o futuro deve ter um preparo especial, para conhecer todas as etapas que devem fazer parte de seu novo produto.


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