Devido à sua compacidade e alta densidade de torque, os motores síncronos de ímã permanente são amplamente utilizados em diversas aplicações industriais, especialmente em sistemas de acionamento de alto desempenho, como sistemas de propulsão submarina. Os motores síncronos de ímã permanente não necessitam de anéis coletores para excitação, o que reduz a manutenção e o desgaste do rotor. Possuem alta eficiência e são adequados para sistemas de acionamento de alto desempenho, como máquinas-ferramenta CNC, robôs e sistemas de produção automatizados na indústria.

Geralmente, o projeto e a construção de motores síncronos de ímãs permanentes devem considerar as estruturas do estator e do rotor para obter motores de alto desempenho.

Construção de motor síncrono de ímã permanente

Densidade de fluxo de entreferro: Determinada de acordo com o projeto de motores assíncronos, etc., o projeto do rotor de ímã permanente e os requisitos especiais para o uso de enrolamentos de estator comutados. Além disso, o estator é considerado um estator com fenda. A densidade de fluxo do entreferro é limitada pela saturação do núcleo do estator. Em particular, a densidade de pico de fluxo é limitada pela largura do dente, enquanto a parte traseira do estator determina o fluxo total máximo.

Além disso, o nível de saturação permitido depende da aplicação. Normalmente, um motor de alta eficiência possui baixa densidade de fluxo, enquanto um motor projetado para densidade máxima de torque possui alta densidade de fluxo. O pico da densidade de fluxo do entreferro está normalmente na faixa de 0.7–1.1 Tesla. Observe que esta é a densidade de fluxo total, que é a soma dos fluxos do rotor e do estator. Isto significa que se a força de reação da armadura for menor, significa que o torque de alinhamento é maior.

Contudo, para conseguir uma grande contribuição de torque de relutância, a força de reação do estator deve ser grande. Os parâmetros da máquina mostram que uma grande indutância L e uma pequena indutância são necessárias principalmente para obter o torque de alinhamento. Geralmente é adequado para operação abaixo da velocidade base, pois a alta indutância reduz o fator de potência.

Material de ímã permanente:

Os ímanes desempenham um papel importante em muitos dispositivos, portanto, é importante melhorar as propriedades destes materiais, e atualmente, a atenção está focada em materiais à base de terras raras e metais de transição para obter ímanes permanentes com elevadas propriedades magnéticas. Dependendo da tecnologia, os ímãs possuem diferentes propriedades magnéticas e mecânicas e apresentam diferentes resistências à corrosão.

Os ímãs de neodímio, ferro, boro (Nd2Fe14B) e samário-cobalto (Sm1Co5 e Sm2Co17) são os materiais magnéticos permanentes comerciais mais avançados da atualidade. Dentro de cada classe de ímãs de terras raras, há uma grande variedade de classes. Os ímãs NdFeB começaram a ser comercializados no início da década de 1980. Eles são amplamente utilizados hoje em muitas aplicações diferentes. O custo deste material magnético (calculado por produto energético) é comparável ao custo dos ímãs de ferrite e, por quilograma, os ímãs de NdFeB custam cerca de 10 a 20 vezes mais que os ímãs de ferrite.

Algumas propriedades importantes usadas para comparar ímãs permanentes são Remanência (Mr), que mede a força do campo magnético de um ímã permanente, Coercividade (Hcj), a capacidade de um material resistir à desmagnetização, Produto Energético (BHmax), Densidade de Energia Magnética; Temperatura Curie (TC), a temperatura na qual o material perde seu magnetismo. Os ímãs de neodímio têm maior remanência, maior força coercitiva e produto energético, mas geralmente tipos de temperatura Curie mais baixos, neodímio e térbio, e disprósio, a fim de manter suas propriedades magnéticas em altas temperaturas.

Projeto de motor síncrono de ímã permanente

No projeto de um motor síncrono de ímã permanente (PMSM), a construção do rotor de ímã permanente é baseada na estrutura do estator de um motor de indução trifásico sem alterar a geometria do estator e dos enrolamentos. As especificações e a geometria incluem velocidade do motor, frequência, número de pólos, comprimento do estator, diâmetros interno e externo e número de ranhuras do rotor. O projeto do motor síncrono de ímã permanente inclui perda de cobre, força eletromotriz traseira, perda de ferro e autoindutância, indutância mútua, fluxo magnético, resistência do estator, etc.

Cálculo da indutância própria e mútua:

A indutância L pode ser definida como a razão entre a ligação do fluxo e a corrente I que produz o fluxo em Henry (H), igual a Weber por ampere. Um indutor é um dispositivo usado para armazenar energia em um campo magnético, semelhante à forma como um capacitor armazena energia em um campo elétrico. Um indutor geralmente consiste em uma bobina, geralmente enrolada em torno de um núcleo de ferrita ou ferromagnético, e seu valor de indutância está relacionado apenas à estrutura física do condutor e à permeabilidade do material por onde passa o fluxo magnético.

Os passos para encontrar a indutância são os seguintes: 1. Suponha que exista uma corrente I no condutor. 2. Use a lei de Biot-Savart ou a lei das malhas de Ampère (se disponível) para determinar que B é suficientemente simétrico. 3. Calcule o fluxo total conectando todos os loops. 4. Multiplique o fluxo magnético total pelo número de circuitos para obter a ligação do fluxo e projete o motor síncrono de ímã permanente através da avaliação dos parâmetros necessários.

O estudo descobriu que o projeto de usar NdFeB como material do rotor do ímã permanente CA aumenta o fluxo magnético gerado no entreferro, resultando em uma diminuição no raio interno do estator, enquanto o raio interno do estator usando o samário cobalto permanente o material do rotor magnético é maior. Os resultados mostram que a perda efetiva de cobre no NdFeB é reduzida em 8.124%. Para o samário-cobalto como material magnético permanente, o fluxo magnético será uma variação senoidal. Geralmente, o projeto e a construção de motores síncronos de ímãs permanentes devem considerar as estruturas do estator e do rotor para obter motores de alto desempenho.

Em conclusão

O motor síncrono de ímã permanente (PMSM) é um motor síncrono que utiliza materiais altamente magnéticos para magnetização. Possui características como alta eficiência, estrutura simples e fácil controle. Este tipo de motor síncrono de ímã permanente tem aplicações em diversos campos, como tração, automotivo, robótica e aeroespacial. A densidade de potência dos motores síncronos de ímã permanente é maior do que a dos motores de indução de mesma potência nominal, pois não há potência no estator dedicada à geração de campos magnéticos.

Atualmente, o projeto do motor síncrono de ímã permanente não requer apenas mais potência, mas também requer menor massa e menores momentos de inércia.