Motor PMSM: A escolha ideal para uma condução eficiente de veículos elétricos

I. Introdução

Com o foco global na neutralidade carbónica e a rápida modernização da indústria de veículos eléctricos (VE), a procura por motores de alta eficiência e alto desempenho está a tornar-se cada vez mais rigorosa. Como componente central que determina a autonomia, o desempenho de potência e a fiabilidade dos veículos elétricos, o motor PMSM tornou-se gradualmente a configuração principal dos novos veículos energéticos, substituindo os motores tradicionais em muitos modelos topo de gama e do mercado de massa.

Desde a década de 1970, o desenvolvimento de materiais de ímã permanente de terras raras impulsionou a atualização de motores de ímã permanente - contando com o campo magnético estável gerado por ímãs permanentes,motor pmsm para veículos elétricossuperou os gargalos de desempenho dos motores eletricamente excitados tradicionais, mostrando vantagens óbvias em economia de energia, miniaturização e controle de precisão. Este artigo analisará profundamente as características técnicas, as principais vantagens e o valor prático dos motores PMSM e discutirá suas perspectivas de desenvolvimento no campo EV.

II. Introdução aos motores PMSM e seu papel nos veículos elétricos

Um motor PMSM é um motor CA que usa ímãs permanentes para estabelecer o campo magnético do rotor, realizando operação síncrona entre o rotor e o campo magnético giratório do estator sem anéis coletores, escovas ou enrolamentos de excitação do rotor. Ao contrário dos motores tradicionais, seu campo magnético é fornecido por materiais magnéticos permanentes de terras raras (como neodímio-ferro-boro Nd2Fe14B), que possuem excelentes propriedades magnéticas, como alta coercividade, magnetismo residual e produto de energia magnética.

Nos veículos elétricos, omotor pmsmfor ev assume a tarefa principal de converter energia elétrica em energia mecânica, afetando diretamente a resposta dinâmica do veículo, o consumo de energia e a experiência de direção.

Com a maturidade do controle vetorial, controle direto de torque e tecnologia de dispositivos eletrônicos de potência, os motores PMSM resolveram os problemas históricos de inicialização difícil e controle complexo e são amplamente utilizados em automóveis de passageiros, veículos comerciais e veículos especiais de novas energias. Desde veículos elétricos de alto desempenho que buscam aceleração rápida até carros familiares com foco em longo alcance, os motores PMSM podem ser personalizados e ajustados para atender às diversas necessidades de posicionamento de produtos.

Do ponto de vista da história do desenvolvimento, o primeiro motor do mundo foi um motor de ímã permanente, mas já foi substituído por motores eletricamente excitados devido ao desempenho inverso dos materiais de ímã permanente. Somente com o surgimento dos materiais de terras raras NdFeB na década de 1970 é que o motor PMSM recuperou vitalidade e avançou na direção de alta potência, alta eficiência e miniaturização. Hoje, as principais empresas nacionais e estrangeiras alcançaram avanços na tecnologia PMSM de grande potência, estabelecendo uma base sólida para a sua popularização na indústria de EV.

III. O princípio de funcionamento e as características técnicas dos motores PMSM

3.1 O Princípio da Interação entre Ímãs Permanentes e Campos Eletromagnéticos

O princípio de funcionamento central do motor PMSM é baseado na indução eletromagnética e no efeito de excitação mútua entre ímãs permanentes e corrente alternada. O rotor é equipado com ímãs permanentes de terras raras, que geram um campo magnético constante após a magnetização; o enrolamento do estator é conectado a uma corrente alternada trifásica para formar um campo magnético rotativo com velocidade e amplitude ajustáveis.

Sob a ação da força eletromagnética, o rotor é “travado” com o campo magnético giratório do estator e funciona de forma síncrona, com a velocidade de rotação igual à velocidade síncrona (sem perda de escorregamento), o que melhora fundamentalmente a eficiência de conversão de energia.

3.2 O Processo Eficiente de Conversão de Energia

Comparado com os motores eletricamente excitados tradicionais, o motor pmsm para ev elimina a perda de excitação dos enrolamentos do rotor e a perda mecânica das escovas e anéis coletores, e a corrente do estator só precisa fornecer corrente de torque, reduzindo significativamente a perda de cobre e a perda de ferro. No processo de conversão de energia, o campo magnético dos ímãs permanentes é estável e confiável, e a perda de energia é controlada em um nível baixo – mesmo sob carga parcial ou condições de trabalho em baixa velocidade, pode manter alta eficiência, o que é crucial para ampliar a autonomia dos veículos elétricos.

3.3 Controle Preciso de Velocidade e Torque

O controle preciso do motor PMSM depende de algoritmos de controle avançados e dispositivos eletrônicos de potência de alto desempenho. O controle vetorial (FOC) resolve o problema de regulação da velocidade do motor CA a partir do princípio, realizando uma regulação suave da velocidade em uma ampla faixa e resposta rápida de torque; o controle direto de torque (DTC) simplifica a estrutura de controle, com forte robustez às alterações de parâmetros e rápida resposta dinâmica.

Para veículos eléctricos, isto significa que o motor pode produzir um grande binário instantaneamente durante o arranque e a aceleração, e manter um funcionamento estável durante a navegação a alta velocidade, ao mesmo tempo que consegue uma correspondência precisa entre velocidade e binário de acordo com as condições de condução, optimizando o consumo de energia.

Além disso, a aplicação de processadores de alto desempenho e dispositivos eletrônicos de potência melhorou ainda mais a precisão do controle e a velocidade de resposta dos motores PMSM. Os conversores de frequência geral podem converter a potência de frequência em potência de frequência variável, resolvendo o problema de inicialização de motores síncronos e fornecendo uma garantia técnica confiável para a aplicação do motor pmsm para ev.

4. Vantagens dos motores PMSM para condução eficiente em veículos elétricos

4.1 Aumente o alcance com alta eficiência

A eficiência em plena carga do motor PMSM pode atingir 94% -97%, o que é 3-5 pontos percentuais superior à dos motores assíncronos tradicionais. Mais importante ainda, pode manter uma elevada eficiência em condições de carga parcial, o que representa a maioria dos cenários diários de condução de veículos eléctricos.

Para veículos elétricos com capacidade de bateria limitada, uma maior eficiência do motor se traduz diretamente em maior autonomia – sob a mesma configuração de bateria, os veículos equipados com motor pmsm para veículos elétricos podem aumentar sua autonomia em 10% a 15%, aliviando efetivamente a ansiedade dos usuários quanto à autonomia.

4.2 Fortaleça o desempenho de potência com alta densidade de torque

Devido à eliminação dos enrolamentos de excitação do rotor e à adoção de ímãs permanentes de terras raras de alto desempenho, o motor PMSM possui características de estrutura compacta, tamanho pequeno e peso leve. Sob o mesmo volume e peso, sua densidade de torque é 20% -30% maior que a dos motores assíncronos, o que pode fornecer maior potência.

Para veículos elétricos, isso significa que o motor pode ser organizado de forma mais flexível e, ao mesmo tempo, pode produzir grande torque em baixa velocidade, obtendo aceleração rápida e forte desempenho em subidas, aumentando o prazer de dirigir.

4.3 Atender diversas necessidades com ampla faixa de regulação de velocidade

Com o suporte da tecnologia de controle vetorial e da tecnologia de expansão de velocidade magnética fraca, o motor pmsm para ev tem uma ampla faixa de regulação de velocidade - baixa velocidade, grande torque e alta velocidade, potência constante d pode ser alternada perfeitamente. Isto permite que os veículos eléctricos se adaptem a condições de condução complexas: podem produzir grande binário de forma estável ao arrancar e subir, e manter elevada eficiência e estabilidade ao navegar a alta velocidade. Especialmente para motores PMSM integrados, eles têm excelente capacidade de expansão de velocidade magnética fraca, o que pode expandir ainda mais a faixa de trabalho de alta velocidade e atender aos diversos requisitos de velocidade dos veículos elétricos.

4.4 Garantir segurança ao dirigir com alta confiabilidade

O motor PMSM adota estrutura sem escovas, eliminando os riscos de desgaste e falha de escovas e anéis coletores, e sua vida útil pode chegar a mais de 15 anos (correspondendo à vida útil dos veículos elétricos). Ao mesmo tempo, devido à simplificação da estrutura, a taxa de falhas é significativamente inferior à dos motores tradicionais.

No processo de projeto, ao otimizar o coeficiente do arco polar, a largura da ranhura e adotar ranhuras distorcidas e outras medidas, o torque de engrenagem é reduzido, a vibração e o ruído durante a operação do motor são minimizados e o conforto e a segurança de condução são melhorados. Além disso, a tecnologia madura de gerenciamento térmico pode prevenir eficazmente a desmagnetização do ímã permanente causada pela alta temperatura, garantindo uma operação estável sob condições extremas de trabalho.

V. Casos Práticos de Aplicação de Motores PMSM em Veículos Elétricos

Globalmente, o motor pmsm for ev tornou-se o motor de acionamento preferido das principais montadoras. Por exemplo, o Tesla Modelo 3/Y adota um motor síncrono de ímã permanente interno, que alcança um equilíbrio entre alta eficiência e alto desempenho – a eficiência do motor atinge 97% sob condições ideais de trabalho e o tempo de aceleração de 0 a 100 km/h é tão baixo quanto 3,3 segundos. A BYD, uma montadora nacional, desenvolveu de forma independente um motor de lâmina, que é amplamente utilizado em modelos como Han e Tang.

Ele utiliza materiais de ímã permanente de neodímio-ferro-boro e otimiza o design do circuito magnético, com uma densidade de torque superior a 40N·m/kg e uma eficiência máxima de 98,5%.

Na área de veículos comerciais, os ônibus leves elétricos da SAIC Maxus e os caminhões elétricos da Foton também são equipados com motores PMSM customizados, que podem se adaptar às condições de trabalho de partidas e paradas frequentes e carga pesada, e o consumo de energia por 100 quilômetros é 15% -20% menor do que o dos veículos equipados com motores assíncronos.

Internacionalmente, BMW iX3 e Mercedes-Benz EQC também usam motores PMSM como componente principal de acionamento, contando com sua alta confiabilidade e eficiência para aumentar a competitividade dos produtos no mercado.

Em termos de suporte industrial, as principais empresas automotivas, como a Siemens e a ABB, também fizeram avanços importantes na tecnologia de motores pmsm para veículos elétricos. A Siemens desenvolveu um motor PMSM seisfásico de 1.095 kW já em 1986, que é usado para propulsão de navios, com um volume reduzido em quase 60% em comparação com os motores CC tradicionais. O motor PMSM da ABB para propulsão de navios tem capacidade instalada máxima de 38 MW, estabelecendo uma base técnica para a aplicação de motores PMSM em cenários de alta potência.

Na China, a CRRC Zhuzhou desenvolveu um gerador de energia eólica de ímã permanente de alta velocidade de 3 MW e sua tecnologia foi transferida para o campo EV, promovendo a atualização de motores PMSM domésticos.

VI. Comparação de motores PMSM com outros motores de acionamento

6.1 Comparação com Motores de Indução Assíncronos

Os motores de indução assíncronos (IM) têm as vantagens de baixo custo, estrutura simples e forte robustez, e já foram amplamente utilizados nos primeiros veículos elétricos. No entanto, em comparação com o motor PMSM, suas desvantagens são óbvias: a eficiência em plena carga é de apenas 90% -93% e a eficiência cai significativamente sob carga parcial; a densidade de torque é baixa, resultando em maior volume e peso; a precisão da regulação da velocidade é limitada pelo escorregamento e a resposta dinâmica é lenta.

Para veículos elétricos que buscam alcance e desempenho, o motor pmsm para ev tornou-se uma escolha mais ideal, enquanto os motores assíncronos são mantidos apenas em um pequeno número de modelos de baixo custo ou veículos especiais de alta potência.

6.2 Comparação com Motores de Relutância Chaveada

Os motores de relutância comutados (SRM) apresentam as vantagens de estrutura simples, baixo custo e nenhum risco de desmagnetização. No entanto, apresentam deficiências óbvias, como grande oscilação de torque, alto ruído e baixa eficiência, que limitam sua aplicação em veículos de passageiros. O motor PMSM possui melhor suavidade, menor ruído e maior eficiência, o que pode atender melhor aos requisitos de conforto dos veículos elétricos.

Além disso, a precisão do controle e a resposta dinâmica dos motores PMSM são muito superiores aos SRM, tornando-os mais adequados para cenários com altos requisitos de desempenho de condução. Portanto, o SRM é usado apenas em um pequeno número de veículos elétricos de baixo custo e equipamentos especiais, enquanto os motores PMSM dominam o mercado de veículos elétricos convencionais.

VII. As tendências de desenvolvimento e desafios dos motores PMSM

7.1 Tendências de Desenvolvimento

O desenvolvimento futuro do motor PMSM se concentrará em duas direções: baixo custo e alto desempenho. Em termos de baixo custo, a pesquisa e aplicação de materiais magnéticos permanentes de terras não raras e materiais magnéticos permanentes reciclados reduzirão a dependência do neodímio-ferro-boro, e a otimização dos processos de design e fabricação reduzirá ainda mais os custos de produção.

Em termos de alto desempenho, o motor pmsm para ev irá evoluir para alta velocidade, grande torque e inteligência - ao adotar dispositivos de potência de carboneto de silício (SiC) e algoritmos de controle avançados (como controle de modo deslizante, controle adaptativo), a eficiência e a velocidade de resposta serão melhoradas ainda mais, e a integração com sistemas inteligentes montados em veículos será realizada para realizar o ajuste adaptativo de acordo com os hábitos de condução.

Além disso, a combinação de tecnologia de simulação e tecnologia de design se tornará uma direção chave de desenvolvimento. O software de análise de elementos finitos pode calcular com precisão os parâmetros do motor, como distribuição do campo magnético e torque de engrenagem, e o método de combinação de circuito de campo pode equilibrar a eficiência e a precisão do cálculo, encurtando o ciclo de desenvolvimento dos motores PMSM. Ao mesmo tempo, os motores CC sem escovas de ímanes permanentes (BLDCM) serão ainda mais integrados com a tecnologia PMSM e serão introduzidas estratégias de controlo avançadas para expandir a sua aplicação em eletrodomésticos e pequenos veículos elétricos.

7.2 Desafios Centrais

Apesar das vantagens óbvias, o motor PMSM ainda enfrenta muitos desafios no campo EV. Em primeiro lugar, o preço dos materiais magnéticos permanentes de terras raras é volátil e a cadeia de abastecimento é afetada por políticas e fatores ambientais, o que traz riscos de custos para os fabricantes. Em segundo lugar, o problema da desmagnetização do ímã permanente sob condições extremas não foi completamente resolvido, exigindo maior otimização do gerenciamento térmico e do projeto do circuito magnético. Terceiro, o sistema de controle é complexo e o limite de pesquisa e desenvolvimento de controle sem sensor e tecnologia de inicialização de baixa velocidade é alto, o que restringe a popularização de pequenas e médias empresas.

Além disso, a tecnologia de reciclagem e reutilização de materiais magnéticos permanentes ainda não está madura, o que traz pressão ambiental para o descarte em fim de vida do motor PMSM para ev. Equilibrar desempenho, custo, proteção ambiental e confiabilidade tornou-se uma questão fundamental para o desenvolvimento sustentável dos motores PMSM.

VIII. Conclusões e Perspectivas

Com suas vantagens de alta eficiência, alta densidade de torque, ampla faixa de regulação de velocidade e alta confiabilidade, o motor PMSM tornou-se a escolha ideal para a condução eficiente de veículos elétricos e ocupará ainda mais a posição dominante no mercado de motores de acionamento EV com a atualização da tecnologia de materiais de terras raras e tecnologia de controle. Para os fabricantes de veículos elétricos, otimizar o projeto do motor PMSM para ev, reduzir custos e melhorar a confiabilidade será a competitividade central para conquistar o mercado; para os consumidores, os veículos equipados com motores PMSM podem proporcionar uma melhor experiência de condução e menores custos de utilização.

Olhando para o futuro, com o avanço de materiais magnéticos permanentes de terras não raras, tecnologia de controle inteligente e tecnologia de reciclagem, os gargalos técnicos dos motores PMSM serão gradualmente resolvidos e seus campos de aplicação serão ainda mais expandidos - de carros de passageiros e veículos comerciais a novos navios de energia, aeroespacial e outros campos de alta tecnologia. Como componente central dos novos veículos energéticos, o motor PMSM continuará a promover a transformação e a modernização da indústria automóvel global, contribuindo para a concretização dos objetivos de neutralidade carbónica.