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Devido às suas aplicações de controle e eficiência muito eficazes e precisas, Motores síncronos de ímã permanente (PMSM) tornaram-se indispensáveis para as indústrias. O princípio básico e muito simples por trás de como os campos magnéticos e as correntes elétricas interagem é a força de Lorentz. Como as forças de Lorentz entram em jogo em relação ao PMSM fornecerá conhecimento importante para ambos otimizando o desempenho do motor e alcançando soluções de economia de energia. . Este artigo descreve os fundamentos da força de Lorentz, como os PMSMs funcionam e uma compreensão mais profunda e suas implicações de uma perspectiva relacional.
Fundamentos da Força de Lorentz
A força de Lorentz é uma das concepções básicas do eletromagnetismo; ela leva em consideração a interação de campos magnéticos com correntes elétricas. Esse fenômeno foi descrito pelo físico holandês Hendrik Lorentz no final do século XIX e tem levado seu nome.
A força de Lorentz forma a base para a força que atua sobre as partículas carregadas que se movem em um campo magnético. Isso atua diretamente proporcional à força do campo magnético, à carga sobre a partícula e à velocidade da partícula. Pela regra da mão direita, a direção dessa força é em ângulos retos tanto para o campo magnético quanto para a direção da velocidade da partícula.
O principal contribuidor para o movimento e torque no PMSM é devido à força de Lorentz. O PMSM consiste em um estator com bobinas e um rotor com ímãs permanentes. Quando a corrente passa pelas bobinas do estator, o campo magnético produzido interage com o campo magnético dos ímãs do rotor e desenvolve uma força que gira o rotor.
Para entender como a força de Lorentz influencia o funcionamento de um motor síncrono de ímã permanente, vamos primeiro entender os princípios subjacentes da geração de forças eletromagnéticas. O princípio por trás da geração de forças eletromagnéticas é basicamente a interação entre campos magnéticos e correntes elétricas. Sempre que uma corrente elétrica passa por um condutor - um fio, por exemplo - um campo magnético é produzido. No entanto, sempre que um condutor passa pelo campo magnético, uma corrente é induzida.
As duas leis básicas para a teoria do eletromagnetismo que governam as relações entre campos magnéticos e correntes elétricas são: Lei de Ampère e Lei de Faraday. De acordo com a Lei de Ampère, o campo magnético devido a uma corrente elétrica é diretamente proporcional à magnitude da corrente e inversamente proporcional à distância do condutor. A Lei de Faraday afirma que uma mudança no fluxo associado a um condutor induz uma corrente no mesmo condutor. No geral, esse conjunto de leis descreve os princípios básicos de como pode haver uma força eletromagnética para a operação do PMSM. No PMSM, as bobinas do estator usam algum tipo de padrão de arranjo em seu envoltório ao redor do rotor com um campo magnético rotativo e, portanto, interagem com o campo magnético do rotor parado. Esse campo gera torque no rotor para rotação, dando lugar a um acionamento rotacional para seu eixo de saída.
A magnitude da força de Lorentz gerada no motor é definida pela magnitude do campo magnético e da corrente na bobina do estator. A geometria e o arranjo das bobinas do estator também são importantes para definir o desempenho do motor. Por exemplo, o número de polos no estator e no rotor influencia o formato da curva de velocidade versus torque do motor. Da mesma forma, o uso de vários tipos de ímãs permanentes impacta os níveis de fluxo magnético e, portanto, a eficiência geral do motor.
Princípios de funcionamento do PMSM
PMSM é um tipo de máquina elétrica que encontra aplicações que vão de máquinas industriais a veículos totalmente elétricos. Eles também se tornam proeminentes em muitas indústrias por causa de sua alta eficiência, controle preciso e tamanhos compactos. Entender como um PMSM funciona é essencial para explorar sua capacidade total de forma eficaz.
No PMSM, as partes do estator e do rotor interagem entre si. O estator é constituído por muitas bobinas enroladas de uma certa maneira, enquanto o rotor é composto de ímãs permanentes. Esses ímãs permanentes fornecem, portanto, um campo magnético constante interagindo com o campo magnético variável dado pelo estator.
O princípio operacional do PMSM é a indução eletromagnética. O campo magnético variável no tempo é criado em um PMSM pelo fluxo de corrente através das bobinas do estator. De acordo com a lei de indução eletromagnética de Faraday, esse campo magnético variável no tempo induz uma corrente no rotor. Essa corrente induzida gera seu campo magnético autointerativo com o campo magnético do estator.
Mais fundamentalmente, isso ocorre porque a interação desenvolvida a partir dos campos magnéticos que emanam do estator e do rotor cria o torque, fazendo-o girar. Isso descreve convencionalmente uma chamada força de Lorentz, definida anteriormente na seção anterior; sua magnitude e direção dependeriam da força do campo magnético, por um lado, e da geometria e corrente fluindo através das bobinas do estator, por outro lado.
Ele fornece feedback sensorial essencial na posição e velocidade do rotor para precisão no controle de PMSMs. O controle preciso pode, portanto, ser garantido a partir dessas informações obtidas em termos de configuração do vetor de corrente do estator para torque ideal e maior eficiência. Esses tipos comuns incluem codificadores, resolvers e sensores de efeito Hall.
PMSMs oferecem a possibilidade de operar em velocidade síncrona. Velocidade síncrona se refere àquela velocidade em que o campo magnético rotativo do estator está em uma velocidade similar à do rotor. Essa operação síncrona é possível controlando adequadamente a frequência e a amplitude da corrente do estator, oferecendo, portanto, alta eficiência do motor.
A velocidade síncrona do PMSM depende do número de polos no estator e no rotor. O número de polos serve para mostrar o número de pares de polos norte-sul no motor. Por exemplo, um motor de quatro polos tem dois polos norte e dois polos sul no estator e no rotor. O número de polos influencia ainda mais as características de velocidade-torque do motor, permitindo, portanto, um design otimizado para várias especificações de aplicação.
Outras vantagens do PMSM, além da alta eficiência e controle preciso, são a alta densidade de potência — entendida como a capacidade de fornecer mais potência com tamanho reduzido. Eles têm uma ampla faixa operacional, o que significa que podem operar eficientemente em diferentes velocidades e cargas. Além disso, os PMSMs geram menos calor e exigem menos manutenção do que outros tipos de motores, o que, depois de algum tempo, se traduz em economia de custos.
O princípio básico do motor síncrono de ímã permanente, portanto, geralmente depende da relação entre os campos magnéticos do estator e do rotor, habilitados pelas forças de Lorentz. O controle adequado da corrente do estator permitirá que o motor ajuste precisamente sua velocidade e torque.
Relacionamento entre Força Lorentz e PMSMs
Em um PMSM, a força de Lorentz tem um grande papel no funcionamento do motor. Devido a essa força, o rotor do motor gira interagindo no campo magnético criado pelas porções do estator e do rotor.
O estator, no caso do PMSM, consiste em bobinas. Como há fluxo de corrente nessas bobinas, um campo magnético devido a elas seria gerado seguindo a lei de Ampère de uso. Ele é feito de ímãs permanentes e tem um campo magnético constante. Quando o motor começa a funcionar, uma força de Lorentz entra em existência devido à interferência dos dois campos magnéticos. A força de Lorentz atuando sobre uma partícula carregada que se move em um campo magnético é dada por F = q(vx B).
A equação fundamental para os fenômenos eletromagnéticos é onde F é a força de Lorentz, uma carga da partícula que se move com a velocidade v no vetor do campo magnético, onde os PMSMs geralmente movem partículas carregadas que assumem a forma de elétrons fluindo através das bobinas do estator, enquanto o campo magnético é a soma do campo produzido pelo estator para o rotor.
A força de Lorenz é sempre perpendicular ao campo magnético e à direção do movimento das partículas carregadas, enquanto sua determinação segue a regra da mão direita. Na verdade, é por causa dessa força que o torque é gerado durante a rotação em um PMSM. A magnitude dessa força depende de vários fatores, incluindo a intensidade do campo magnético, a carga das partículas, que novamente se relaciona com a corrente que flui através da bobina do estator, e a velocidade das partículas, relacionada à velocidade do rotor.
As discussões que se seguem explicam como as forças de Lorentz estão relacionadas aos motores síncronos de ímã permanente, levando em consideração que eles operam em modos diferentes. No modo de motorização em que o motor está sendo alimentado com energia, a direção da força de Lorentz é oposta à direção do torque de carga. Portanto, pode-se interagir e acionar uma carga mecânica com o motor.
Durante o modo gerador, ao desacelerar ou frear o motor, a carga mecânica aplica torque na direção oposta no rotor à rotação. Durante esse tempo, a força de Lorentz atua na direção da desaceleração e gera energia elétrica que pode ser realimentada no sistema de fornecimento de energia. Essa capacidade de frenagem regenerativa é uma das principais vantagens do PMSM, pois aumenta a eficiência energética geral.
Essa relação de força de Lorentz, campo magnético e corrente pode ser otimizada de tal forma que o melhor desempenho dos motores possa ser alcançado. Ao alterar a quantidade de corrente que passa pelas bobinas do estator, a variação na intensidade do campo magnético pode ser alcançada. Isso obviamente afetará a magnitude da força de Lorentz e, portanto, o torque resultante. Assim, ele fornece controle de velocidade e posição muito precisos ao controlar com precisão a magnitude da força de Lorentz, permitindo, portanto, o funcionamento suave e eficiente dos motores.
Ou seja, ao projetar o motor, o número de polos do estator e do rotor afeta a força de Lorentz e, em essência, o desempenho do motor. O número de polos definirá as características de velocidade-torque do motor. Quanto maior o número de polos, menor a velocidade, mas maior a saída de torque; quanto menor o número de polos, maior a velocidade com menor saída de torque. Essa flexibilidade no projeto permite que o engenheiro personalize PMSMs para as necessidades da aplicação.
Isto significa novamente que uma força de Lorentz - um componente do mecanismo de condução de motor síncrono de ímã permanente rotação - portanto, ocorre como uma interação entre campos magnéticos criados pelos componentes do estator e do rotor, enquanto as forças de Lorentz em relação ao relacionamento com PMSM em geral permitem um controle preciso em direção ao seu desempenho efetivo. Suas principais vantagens são eficiência muito alta, tamanho pequeno e frenagem regenerativa. Esse é um fato que explica sua popularidade para aplicação na indústria e em veículos: eles são confiáveis e asseguram um alto nível de densidade de potência. Usando o princípio da força de Lorentz na aplicação, os engenheiros projetam e otimizam ainda mais a topologia PMSM para atender a necessidades específicas, contribuindo ainda mais para a atualização de sistemas de propulsão elétrica ou sistemas de economia de energia.
