A estrutura do motor de corrente contínua sem escovas

Rotor

• Ímanes permanentes: O rotor de um motor BLDC contém ímanes permanentes, normalmente fabricados com materiais de terras raras, como o neodímio, dispostos ao longo da sua circunferência.
• Pólos magnéticos: O rotor pode ter vários pólos (por exemplo, 2 pólos, 4 pólos), o que afeta as características de binário e velocidade do motor.
• Posição (Outrunner vs. Inrunner): Num motor Outrunner, o rotor envolve o estator, proporcionando maior binário. Num motor Inrunner, o rotor encontra-se no interior do estator, o que geralmente resulta em velocidades mais elevadas.

Estator

• Bobinas enroladas: O estator é constituído por enrolamentos feitos de fio de cobre, formando uma série de eletroímãs. Estas bobinas são dispostas numa determinada configuração para produzir o campo magnético que interage com o rotor.
• Número de fases: A maioria dos motores BLDC possui um estator trifásico (três conjuntos de bobinas), mas também podem ter mais fases, dependendo da aplicação.
• Material do núcleo: Para reduzir as perdas por correntes parasitas e aumentar a eficiência, os núcleos do estator são frequentemente compostos por aço laminado.
• Ranhuras e dentes: O estator possui ranhuras onde são colocados os enrolamentos e dentes que ajudam a direcionar o campo magnético gerado pelas bobinas.

Controlador Eletrónico de Velocidade (ESC)

• Unidade de controlo: O ESC é um dispositivo externo (mas essencial para o funcionamento do motor) que gere a corrente que flui através das bobinas do estator. Desempenha a função de comutação, alternando eletronicamente as fases para manter o motor em rotação.
• Modulação por Largura de Impulso (PWM): O ESC modifica o ciclo de trabalho do sinal PWM transmitido ao motor, a fim de alterar a sua velocidade.

Rolamentos

• Suporte ao rotor: Os rolamentos estão localizados em ambas as extremidades do motor para suportar o eixo do rotor e permitir uma rotação suave. Rolamentos de qualidade superior são essenciais para reduzir o atrito e prolongar a vida útil do motor.
• Lubrificação: Uma lubrificação adequada dos rolamentos contribui para um funcionamento suave e reduz o desgaste.

Carcaça/Estrutura

• Envolve e protege os componentes: A caixa ou estrutura do motor mantém o estator e o rotor no lugar e protege os componentes internos do pó, detritos e condições ambientais.
• Arrefecimento: Algumas caixas são concebidas para melhorar o arrefecimento, seja de forma passiva através de aberturas de ventilação, seja com ventiladores incorporados.

Tampas das extremidades (tampas finais)

• Apoio estrutural: As tampas das extremidades são fixadas em ambas as extremidades do motor para segurar os rolamentos e fornecer apoio estrutural. Também ajudam a proteger o interior do motor.

Princípio de funcionamento do motor CC sem escovas

O princípio de funcionamento do motor CC sem escovas é diferente do dos motores CC tradicionais. Este motor realiza o acionamento sem escovas através da comutação eletrónica, eliminando assim as escovas de carbono e o comutador presentes nos motores CC tradicionais.

Segue-se uma explicação detalhada do princípio de funcionamento do motor CC sem escovas:

1. Estrutura do motor: O motor CC sem escovas é composto principalmente por um estator, um rotor e um sensor de posição. A parte fixa do motor é o estator, que é frequentemente composto por vários enrolamentos. O rotor do motor, que está em rotação, é frequentemente construído com material de íman permanente.
2. Comutação eletrónica: Num motor de corrente contínua sem escovas, um comutador eletrónico substitui o comutador mecânico tradicional. O comutador eletrónico controla a direção da corrente nos enrolamentos do motor através de um circuito de controlo, conseguindo assim a rotação contínua do motor.
3. Sensor de posição: A posição do rotor é gerida pelo comutador eletrónico, que também altera a direção da corrente quando necessário. O sensor de posição recolhe esta informação. Os sensores de posição mais comuns incluem sensores de Hall, sensores fotoelétricos e sensores magnetoelétricos.
4. Estratégia de controlo: A estratégia de controlo dos motores CC sem escovas adota normalmente o controlo vetorial ou o controlo trapezoidal. O controlo vetorial permite um controlo preciso do motor através do controlo da amplitude e da fase da corrente, enquanto o controlo trapezoidal permite um controlo básico do motor através do controlo da comutação da corrente.
5. Eficiência e desempenho: Devido à eliminação das escovas de carbono e dos comutadores, os motores CC sem escovas são mais eficientes, funcionam de forma mais suave, apresentam menos ruído e têm custos de manutenção mais baixos.

Diagrama de funcionamento do motor CC sem escovas

Os tipos de motores CC sem escovas

Motor de rotor externo:

O estator encontra-se no interior do motor, mas o rotor, que aloja os ímanes, está situado no exterior. Devido ao seu design, o binário pode ser aumentado a velocidades mais baixas através da utilização de um rotor com maior diâmetro.

Estes motores produzem geralmente um binário mais elevado devido ao maior diâmetro do rotor, tornando-os ideais para aplicações que requerem um binário significativo a velocidades mais baixas, tais como drones, bicicletas elétricas e modelos de aviões.

Motores BLDC de rotor interno:

O estator envolve o rotor, que se encontra alojado no interior da caixa do motor. Este design é mais compacto e resulta normalmente em velocidades mais elevadas com menor binário.

Os motores de rotor interno são conhecidos pelas suas RPM (rotações por minuto) mais elevadas e são mais adequados para aplicações em que a alta velocidade é essencial, como carros RC ou pequenos motores elétricos.

O quadro comparativo seguinte:

Característica	Motores BLDC «outrunner»	Motores BLDC com rotor interno
Posição do rotor	No exterior do estator	No interior do estator
Binário	Maior binário por peso/tamanho	Menor binário por peso/tamanho
Velocidade	Velocidade geralmente mais baixa	Velocidade geralmente mais elevada
Eficiência	Ligeiramente inferior devido ao maior número de peças móveis	Maior eficiência devido a menos peças móveis
Comutação	Eletrónica	Eletrónica
Binário de arranque	Bom binário de arranque	Requer uma velocidade mais elevada para gerar binário

Modo de funcionamento do motor CC sem escovas

Comutação em seis passos (acionamento trapezoidal)

Este é o modo de acionamento mais comum para motores BLDC, em que o motor é acionado por sinais de tensão trifásicos que são aplicados aos enrolamentos do motor numa sequência de seis passos.

• Funcionamento: Neste modo, duas fases são energizadas de cada vez e a comutação ocorre a cada 60 graus elétricos. Isto cria uma forma de onda trapezoidal de força contra-elétrica (EMF).
• Vantagens: Simples de implementar, económico e amplamente utilizado em muitas aplicações.
• Desvantagens: Gera ondulação de binário, o que pode causar ruído e vibração, resultando num funcionamento menos suave em comparação com o acionamento sinusoidal.

Comando sinusoidal

Neste modo, o motor é acionado com formas de onda de tensão sinusoidais, em vez das formas de onda trapezoidais utilizadas na comutação de seis passos.

• Funcionamento: O acionamento sinusoidal cria uma transição mais suave entre os passos de comutação, resultando numa saída de binário mais contínua e suave.
• Vantagens: Proporciona um funcionamento mais suave, com menor ondulação de binário, menor ruído e vibração reduzida.
• Desvantagens: É mais complexo e dispendioso de implementar devido à necessidade de algoritmos de controlo precisos e de um feedback de maior resolução.

Controlo Orientado para o Campo (FOC)

Também conhecido como Controlo Vetorial, o FOC é uma técnica de controlo avançada que otimiza a eficiência e o desempenho do motor BLDC, controlando as correntes do motor num sistema de referência rotativo.

• Funcionamento: O FOC regula a corrente em duas direções perpendiculares (eixo d e eixo q), alinhando o campo magnético do motor com a posição do rotor para maximizar o binário e a eficiência.
• Vantagens: Altamente eficiente, controlo preciso do binário e da velocidade, ideal para aplicações que exigem um desempenho suave e preciso.
• Desvantagens: Requer algoritmos complexos e hardware sofisticado, tornando-o mais dispendioso e difícil de implementar.

Controlo Direto de Binário (DTC)

O DTC é um método que controla diretamente o binário e o fluxo magnético do motor sem necessidade de uma transformação de coordenadas, frequentemente utilizado em variadores de corrente alternada, mas que também pode ser aplicado a motores BLDC.

• Funcionamento: O DTC utiliza um estimador de binário e fluxo e aplica vetores de tensão ao motor para controlar diretamente o binário e o fluxo.
• Vantagens: Resposta dinâmica rápida, não requer informações precisas sobre a posição do rotor.
• Desvantagens: Pode ser mais complexo e resultar numa maior ondulação de binário em comparação com o FOC.

Controlo em Modo de Corrente

Este modo centra-se na regulação da corrente que atravessa os enrolamentos do motor, em vez de controlar diretamente a tensão.

• Funcionamento: Para atingir a velocidade ou o binário pretendidos, o controlador do motor modifica a corrente enviada aos enrolamentos do motor, frequentemente com o recurso a circuitos de retroalimentação.
• Vantagens: Proporciona um controlo preciso do binário do motor, sendo adequado para aplicações que exigem uma saída de binário estável.
• Desvantagens: É necessário um sistema de controlo mais complexo, com a possibilidade de tempos de resposta mais lentos em comparação com o controlo direto da tensão.

Controlo sem sensores

No controlo sem sensores, a posição do rotor é estimada utilizando a força contra-eletromotriz (FCE) gerada pelo próprio motor, eliminando a necessidade de sensores físicos.

• Funcionamento: O controlador estima a posição do rotor com base nos pontos de passagem por zero da força eletromotriz inversa, que é utilizada para determinar a sequência de comutação adequada.
• Vantagens: Reduz o custo e a complexidade associados aos sensores e melhora a fiabilidade ao eliminar pontos de falha dos sensores.
• Desvantagens: Pode ser menos preciso, especialmente a baixas velocidades, onde a força contra-eletromotriz é fraca, resultando num controlo menos preciso.

Controlo com sensores

O controlo com sensores fornece feedback em tempo real sobre a posição do rotor utilizando sensores de efeito Hall ou outros sensores de posição.

• Funcionamento: Os sensores fornecem dados precisos sobre a posição do rotor ao controlador, que, por sua vez, ajusta a sequência e a temporização de comutação em conformidade.
• Vantagens: Proporciona um controlo preciso do funcionamento do motor, excelente desempenho a baixas velocidades e durante o arranque, sendo adequado para aplicações que requerem um binário elevado a baixas velocidades.
• Desvantagens: Aumenta o custo e a complexidade do sistema do motor; potenciais problemas de fiabilidade devido a falhas nos sensores.

Considerações na seleção de motores CC sem escovas

Ao selecionar um motor de corrente contínua sem escovas (BLDC), devem ser tidas em conta várias considerações fundamentais para garantir que o motor cumpre os requisitos da sua aplicação específica.

Potência do motor BLDC

Potência (P) = Tensão (V) × Corrente (I) × Eficiência (%) × Fator de potência (PF)

Consideração: Determine a potência máxima necessária para a sua aplicação, medida em watts (W).
Dica de seleção: Escolha um motor capaz de fornecer potência suficiente para satisfazer os requisitos de carga de pico. Certifique-se de que a potência nominal contínua do motor é superior à carga típica e que a potência nominal de pico consegue suportar picos de demanda mais elevados de curta duração.

Velocidade do motor BLDC

Velocidade (RPM) = (Tensão (V) × Kv) / n

• Consideração: Identifique a velocidade máxima (em rotações por minuto, RPM) necessária para a sua aplicação.
• Dica de seleção: Selecione um motor capaz de atingir a velocidade máxima desejada. Certifique-se de que a gama de velocidades do motor está de acordo com os requisitos da sua aplicação, tendo em conta qualquer redução por engrenagens, se necessário.

Tensão do motor BLDC

V = Kv × RPM

• Consideração: Determine a tensão de funcionamento que será utilizada para alimentar o motor.
• Dica de seleção: Selecione um motor capaz de funcionar sem problemas à tensão especificada. Verifique se a tensão e a corrente exigidas pelo motor são compatíveis com o seu sistema e se a sua fonte de alimentação tem capacidade para as fornecer.

Dimensões do motor BLDC

• Consideração: Avalie as restrições de dimensão física, incluindo o diâmetro do motor, o comprimento e o diâmetro do eixo.
• Dica de seleção: Selecione um motor para a sua aplicação com base no espaço que este irá ocupar. Considere a configuração de montagem do motor e certifique-se de que o diâmetro do eixo é compatível com a sua configuração mecânica, como acoplamentos ou engrenagens.

Sensores Hall: com ou sem

Consideração: Decida se o motor precisa de ter sensores Hall ou não.

Dica de seleção:

• Com sensores Hall: Escolha um motor BLDC com sensores se o controlo preciso a baixas velocidades, o arranque suave ou o posicionamento preciso forem essenciais para a sua aplicação. Os sensores Hall fornecem informação em tempo real sobre a posição do rotor, melhorando o controlo.
• Sem sensores Hall: Opte por um motor BLDC sem sensores se precisar de um design mais simples e robusto, em que o controlo preciso a baixas velocidades seja menos crítico. Os motores sem sensores são normalmente mais económicos e têm menos componentes.

Conclusão

Para muitas aplicações diferentes, um motor CC sem escovas é a melhor escolha devido à sua elevada eficiência, fiabilidade e controlo preciso. Para um fabricante de motores CC sem escovas, a ausência de escovas reduz a manutenção e o seu design compacto proporciona um desempenho potente. Compreender os seus componentes, funcionamento e vantagens é fundamental para otimizar a sua utilização em soluções de engenharia modernas.