Complementando o apresentado na edição de setembro 2013, a presente matéria aborda o funcionamento do motor DC de Relutância Variável ou Comutada (motor SRM), utilizado, por exemplo, como motor da bomba auxiliar da transmissão automática de veículos híbridos.
Motor de Relutância Variável ou Comutada - O motor SRM (Switched Reluctance Motor ou motor de relutância comutada) não possui nenhum tipo de ímã permanente para seu funcionamento. O seu estator é similar ao do motor BLDC, no entanto, o rotor está constituído simplesmente de laminações de material ferromagnético com saliências como mostrado na figura [1]. O seu princípio de funcionamento é o de “relutância magnética variável”.
Relutância Magnética
A relutância de um circuito magnético é equivalente à resistência de um circuito elétrico e o fluxo magnético equivalente à corrente. Da mesma forma que um campo elétrico faz a corrente elétrica seguir o caminho de menor resistência, um campo magnético faz o fluxo magnético seguir o caminho de menor relutância.
Assim, um elemento de material ferromagnético (ferro, níquel, cobalto, etc) presente num campo magnético, tende a se alinhar com o sentido do campo, o que provoca a diminuição da relutância e, com isto, o aumento do fluxo.
De uma outra forma, as forças geradas pelo campo magnético (forças de relutância) propiciam o alinhamento máximo do circuito magnético criado, de forma a apresentar o mínimo entreferro.
Como no motor BLDC, as bobinas do estator são energizadas em sequência com um padrão rotativo gerando o torque necessário à movimentação do rotor. A diferença é que, no caso do motor de relutância, a orientação do campo magnético gerado pelos eletroímãs é irrelevante. As bobinas dos eletroímãs opostos são conectadas em série e energizadas sempre, com a mesma polaridade.
No caso do motor de relutância variável, o rotor possui segmentos (saliências ou protuberâncias) de baixa relutância alternando com segmentos de alta relutância. Uma característica importante é que o número de pólos (pares de bobinas) do estator é diferente do número de saliências do rotor. Por exemplo, 6 pólos no estator e 4 protuberâncias no rotor.
A cada instante, o rotor forma, com o par de bobinas energizadas, um circuito magnético cuja relutância resulta mínima na situação em que saliências do rotor se alinham com o par de bobinas energizadas e o entreferro (folga entre eles) é o menor. Ou de uma outra forma, o par de bobinas energizadas atrai os segmentos de baixa relutância (saliências) mais próximos.
Como resultado disto, o torque é produzido pela tendência das saliências do rotor a se alinhar com o fluxo produzido pelos eletroímãs do estator. A energização dos eletroímãs na sequência apropriada provoca a rotação do motor.
Funcionamento
A análise será feita com o exemplo da figura [1], ainda que não seja esta a configuração utilizada nas aplicações atuais. No exemplo da figura, a cada comutação de bobinas o rotor gira 60° no sentido horário.
- Na figura [1a] o rotor encontra-se alinhado com os eletroímãs A e B energizados de forma tal que A é o polo N e B, o polo S. Isto, em função de que esta situação é a de menor relutância (mínimo entreferro) do circuito magnético formado pelos eletroímãs e o rotor.
- Na figura [1b] os eletroímãs energizados são o C e o D de forma tal que C é o polo N e D, o polo S. O rotor girou 60O no sentido horário com relação à posição da figura [1a].
- Na sequência são energizados os eletroímãs E e F de forma tal que E é o polo N e F, o polo S (posição não ilustrada). O rotor gira mais 60° com relação à posição da figura [1b].
- Na figura [1c] são energizados os eletroímãs A e B de forma tal que A é o polo N e B, o polo S. Reparar que, como mencionado, a polaridade dos eletroímãs é irrelevante para o funcionamento do motor. Isto, em função de que o torque é produzido por forças de relutância e não por atração de polos magnéticos, como é o caso do motor BLDC. Nesta situação o rotor girou 180O com relação à posição da figura [1a].
- Na sequência são energizados os eletroímãs C e D de forma tal que C é o polo N e D, o polo S (posição não ilustrada). O rotor gira mais 60° com relação à posição da figura [1c].
- Na figura [1d] os eletroímãs energizados são o E e o F de forma tal que novamente, E é o polo N e F, o polo S. O rotor girou 270O no sentido horário com relação à posição da figura [1a].
- Na sequência são energizados os eletroímãs A e B de forma tal que novamente, o rotor se encontra na posição da figura [1a] com o polo N em A e o pólo S em B. O rotor girou 360° no sentido horário.
Do apresentado acima se conclui que a velocidade de rotação do motor SRM é função da frequência de comutação (energização) dos eletroímãs.
Como mencionado, nas aplicações práticas do motor de relutância variável, o rotor possui um número maior de saliências (segmentos de baixa relutância). Por exemplo, 6 eletroímãs e 4 saliências no rotor ou 8 eletroímãs e 6 saliências no rotor.
O exemplo da figura [2] será utilizado para analisar o funcionamento. Nele, a cada comutação de bobinas o rotor gira 30° no sentido horário ou anti-horário.
- Na figura [2a] o rotor encontra-se alinhado com os eletroímãs A e B energizados de forma tal que A é o polo N e B, o polo S. Isto, em função de que esta situação é a de menor relutância (mínimo entreferro) do circuito magnético formado pelos eletroímãs e o rotor.
- Na figura [2b] os eletroímãs energizados são o C e o D de forma tal que C é o polo N e D, o polo S. Reparar, no entanto, que o rotor girou 30° no sentido anti-horário com relação à posição da figura [1a]. Isto, em função de que, ao desativar os eletroímãs A e B e energizar C e D, as saliências R3 e R4 estavam mais bem posicionadas (mais próximas) para atingir a condição de menor relutância do circuito magnético formado pelos eletroímãs e o rotor.
- Para provocar a rotação no sentido horário, a partir da posição mostrada na figura [2a], deve ser desativado o par A-B e energizado o par E-F o que levará as saliências R3-R4 a se alinharem, como mostra a figura [2c]. Como resultado, o rotor gira 30° no sentido horário.
O importante a ser salientado é que o par de eletroímãs energizado provocará o alinhamento do par de saliências mais próximo.
Para complementar a análise do funcionamento, a seguir é apresentada parte de sequência de comutação de eletroímãs para a continuação da rotação no sentido horário, a partir da situação da figura [2c]:
- Na sequência deve ser desativado o par E-F e energizado o par C-D para obter o alinhamento das saliências R1-R2 (fig.[2d]).
- Na sequência deve ser desativado o par C-D e energizado o par A-B para obter o alinhamento das saliências R3-R4 (fig.[2e]).
- Na sequência deve ser desativado o par A-B e energizado o par E-F para obter o alinhamento das saliências R1-R2 (fig.[2f]).
- Na sequência deve ser desativado o par E-F e energizado o par C-D para obter o alinhamento das saliências R3-R4 (fig.[2g]).
- A sequência continua com a energização dos pares: A-B (fig.[2h]), E-F (fig.[2j]), C-D (fig.[2k]), A-B (fig.[2m]), E-F; C-D e A-B (fig.[2a]) completando uma rotação de 360O. As figuras apresentam o ângulo girado com relação à posição da figura [2a].