Motores sem escova de corrente contínua

Definição

Um motor de corrente contínua sem escova é definido como uma unidade de frequência variável autogerida que utiliza um motor de corrente alternada com ímãs permanentes (PMAC) sinusoidal. Este tipo de unidade oferece várias vantagens notáveis. Praticamente isento de manutenção, possui uma vida útil prolongada, tornando-o uma escolha confiável para diversas aplicações. Além disso, apresenta inércia rotacional baixa, atrito mínimo e opera com características de baixa frequência. Além disso, gera mínima interferência de rádio-frequência e ruído, garantindo operação suave e silenciosa. No entanto, não está isento de desvantagens; as principais limitações são seu custo relativamente alto e o torque inicial baixo.

Aplicações

As unidades de motores de corrente contínua sem escova são amplamente utilizadas em uma variedade de indústrias e dispositivos. No campo dos eletrônicos de consumo, são empregados em toca-discos, drives de fita para gravadores e drives de espindles em discos rígidos de computador. Também servem como unidades de baixa potência em instrumentos periféricos de computador e sistemas de controle. Além dos eletrônicos de consumo, suas aplicações se estendem à indústria aeroespacial, onde a confiabilidade e a operação de baixo ruído são cruciais. No campo biomédico, sua precisão e operação limpa os tornam adequados para diversos dispositivos médicos. Além disso, são comumente usados para impulsionar ventiladores de refrigeração, fornecendo ventilação eficiente e silenciosa em numerosos sistemas.

Estrutura do Motor

A figura abaixo ilustra a seção transversal de um motor PMAC trapezoidal trifásico e bipolar, que é um componente chave da unidade de motor de corrente contínua sem escova. O motor possui um rotor com ímã permanente com um arco de pólo largo, o que contribui para sua operação eficiente. O estator está equipado com três enrolamentos de três polos, cada um deslocado 120 graus em relação ao outro. Esta configuração específica de enrolamento garante operação elétrica equilibrada e produção de torque suave. Cada enrolamento de fase abrange 60 graus de cada lado, otimizando a interação do campo magnético dentro do motor e permitindo controle preciso sobre sua velocidade e desempenho.

As tensões induzidas nas três fases do motor são representadas na figura abaixo. A geração de uma forma de onda trapezoidal pode ser atribuída à interação específica entre o rotor e o estator. Quando o rotor gira no sentido anti-horário, durante a rotação inicial de 120 graus a partir de uma posição de referência, todos os condutores superiores da fase A interagem com o polo sul do campo magnético, enquanto todos os condutores inferiores da fase A se engajam com o polo norte.

Esta acoplamento magnético consistente dentro deste intervalo angular leva a uma tensão induzida relativamente estável, contribuindo para a parte superior plana da forma de onda trapezoidal. À medida que o rotor continua a girar, as orientações mudantes do campo magnético causam a transição da tensão induzida, formando finalmente a forma característica trapezoidal que é essencial para a operação e controle adequados da unidade de motor de corrente contínua sem escova.

Durante uma rotação de 120 graus do rotor, a tensão induzida na fase A permanece relativamente constante. Uma vez que a rotação excede 120 graus, alguns dos condutores superiores da fase A começam a se ligar ao polo norte, enquanto outros continuam a interagir com o polo sul. O mesmo fenômeno ocorre com os condutores inferiores. Como resultado, ao longo da rotação subsequente de 60 graus, a tensão induzida na fase A se inverte linearmente. Este padrão de mudança de tensão é replicado nas fases B e C também, criando um comportamento elétrico coordenado essencial para a operação do motor.

O sistema de unidade de motor de corrente contínua sem escova, conforme ilustrado na figura abaixo, consiste em um inversor de tensão associado a um motor PMAC trapezoidal. Os enrolamentos do estator do motor estão configurados em conexão estrela. A figura também mostra a forma de onda característica de tensão de fase do motor PMAC trapezoidal, que reflete as dinâmicas únicas de indução de tensão descritas acima. Esta forma de onda é uma característica-chave que permite o controle e operação eficientes da unidade de motor de corrente contínua sem escova, facilitando a produção suave de torque e a regulação precisa da velocidade.

Os enrolamentos do estator do motor de corrente contínua sem escova são alimentados com pulsos de corrente. Cada pulso tem uma duração de 120 graus elétricos e é posicionado precisamente na região onde a tensão induzida permanece constante e atinge seu valor máximo. Importante, a polaridade desses pulsos de corrente alinha-se com a da tensão induzida, garantindo uma interação harmônica entre as entradas elétricas e o campo magnético gerado pelo motor.

O fluxo no entreferro do motor é mantido em um nível constante, e a magnitude da tensão induzida é diretamente proporcional à velocidade de rotação do rotor. Esta relação é fundamental para a operação do motor, pois permite o controle preciso do desempenho do motor com base na tensão induzida dependente da velocidade, possibilitando a transferência eficiente de energia e operação suave em várias condições de operação.

Durante cada intervalo de 60 graus de operação, a corrente flui em uma fase do enrolamento do estator do motor e sai de outra. Este padrão de fluxo de corrente alternado é uma característica-chave da operação do motor de corrente contínua sem escova. Como resultado, a potência fornecida ao motor em cada um desses intervalos de 60 graus pode ser expressa pela seguinte fórmula, que leva em conta a interação entre a tensão e a corrente nos enrolamentos de fase.

O torque desenvolvido pelo motor

A forma de onda de torque da unidade de motor de corrente contínua sem escova é ilustrada na figura abaixo. A magnitude do torque gerado pelo motor é diretamente proporcional à corrente que flui pelos links de energia contínua. Esta relação é fundamental para compreender o comportamento dinâmico e as características de desempenho do motor.

O freio regenerativo neste sistema de unidade é alcançado pela inversão da corrente de fase. Quando a corrente de fase é invertida, a direção da fonte de corrente Id também muda de acordo. Esta inversão inicia um fluxo de energia que começa no motor, passa pelo inversor e retorna à fonte de energia contínua. Durante este processo, o motor atua como um gerador, convertendo a energia mecânica da carga em energia elétrica, que é então devolvida à fonte de energia. Isso não apenas ajuda a desacelerar o motor, mas também permite a recuperação e reutilização de energia, aumentando a eficiência geral do sistema.

Quando a velocidade de rotação do sistema de unidade é invertida, a polaridade das tensões induzidas no motor também muda. Esta alteração na polaridade da tensão aciona a operação de freio regenerativo, permitindo que a unidade converta a energia mecânica da carga em movimento em energia elétrica que pode ser devolvida à fonte de energia.

Por outro lado, a inversão da direção da corrente que flui pelos enrolamentos do motor inicia a operação de tração, impulsionando o motor na direção desejada. As formas de onda de corrente correspondentes a esses modos de operação distintos—freio regenerativo e tração—são claramente representadas na figura abaixo, fornecendo uma representação visual do comportamento elétrico do sistema de unidade em diferentes condições.

Tipos de Unidade de Motor de Corrente Contínua Sem Escova

A unidade de motor de corrente contínua sem escova pode ser principalmente categorizada em dois tipos distintos: a unidade de motor de corrente contínua sem escova de baixo custo e a unidade de motor de corrente contínua sem escova monofásica. Cada tipo possui suas próprias características únicas e princípios operacionais, detalhados abaixo.

Unidade de Motor de Corrente Contínua Sem Escova de Baixo Custo

A unidade de motor de corrente contínua sem escova de baixo custo é projetada com simplicidade e acessibilidade em mente. Possui uma configuração minimalista, consistindo em apenas três transistores e um conversor de três diodos. Esta configuração restringe a unidade a fornecer apenas corrente ou tensão positiva ao motor trifásico.

Durante a operação, a tensão induzida e a corrente desempenham papéis cruciais tanto na função de tração quanto na de frenagem do motor. Quando pulsos de corrente positivos de 120 graus são entregues ao motor, inicia-se uma ação de tração, fazendo o motor girar no sentido anti-horário. Por outro lado, quando esses pulsos de corrente são deslocados 60 graus para um total de 180 graus, o motor transita para um estado de frenagem. Esta alteração no timing dos pulsos de corrente efetivamente muda a interação entre a entrada elétrica e o campo magnético do motor, permitindo a transição do movimento rotacional para um mecanismo de frenagem.

Unidade de Motor de Corrente Contínua Sem Escova de Baixo Custo: Mecanismo de Controle de Corrente

Na unidade de motor de corrente contínua sem escova de baixo custo, a corrente da fase A é regulada com precisão pelo tiristor Tr1 e pelo diodo D1. Quando Tr1 é ativado (ligado), a tensão da fonte Vd é conectada ao enrolamento A. Esta conexão faz com que a taxa de variação da corrente IA se torne positiva, significando que a corrente na fase A começa a aumentar. Por outro lado, quando Tr1 é desativado (desligado), a corrente iA entra em um estado de circulação livre através do diodo D1. Durante este processo de circulação livre, a taxa de variação de iA se torna negativa, e a corrente gradualmente decresce.

No período de 0-120º, Tr1 pode ser alternadamente ligado e desligado. Esta estratégia de ligar e desligar é empregada para fazer com que a corrente real IA acompanhe de perto uma corrente de referência retangular iA, garantindo que a diferença entre elas permaneça dentro de uma faixa de histerese pré-definida. Este controle preciso ajuda a manter a operação estável do motor e a transferência eficiente de energia.

Unidade de Motor de Corrente Contínua Sem Escova Monofásica

A configuração da unidade de motor de corrente contínua sem escova monofásica é ilustrada na figura abaixo. Para fins de análise, suponha que o motor seja alimentado por um conversor monofásico de meia-ponte, que fornece uma forma de onda de corrente retangular ao motor, conforme mostrado no diagrama acompanhante. Esta forma de onda de corrente específica desempenha um papel crucial na determinação das características de desempenho e comportamento operacional do motor.

O torque gerado pelo motor exibe flutuações significativas, comumente referidas como ripple de torque. No entanto, quando o motor opera em altas velocidades, a inércia do sistema motor-carga atua como um filtro natural. Esta inércia inerente suaviza as variações de torque, permitindo que o motor mantenha uma velocidade rotacional relativamente uniforme, apesar da presença do ripple de torque.