Motor de Ímanes Permanentes (PMSM)

O motor síncrono de ímanes permanentes, habitualmente abreviado para PMSM, é a máquina elétrica que movimenta a esmagadora maioria dos veículos elétricos a bateria e híbridos plug-in modernos. Deve esta predominância ao facto de o rotor possuir o seu próprio campo magnético, gerado por ímanes fixos de grande potência e não por eletricidade fornecida do exterior. Como esse campo está permanentemente presente, o motor não desperdiça energia a criá-lo, o que confere ao PMSM uma eficiência excecionalmente elevada e uma relação muito favorável entre potência e peso e entre potência e volume. O resultado é um conjunto compacto e leve, capaz de debitar binário forte logo desde a paragem, exatamente as características de que um automóvel de passageiros precisa.

Do ponto de vista mecânico, o motor tem duas partes principais: um estator fixo, bobinado com enrolamentos de cobre, e um rotor giratório no qual estão integrados os ímanes. Quando o inversor injeta corrente alternada trifásica nos enrolamentos do estator, produz-se um campo magnético rotativo. Os ímanes do rotor fixam-se a esse campo rotativo e perseguem-no, pelo que o rotor gira em sincronismo com ele, razão pela qual a máquina se designa por síncrona. Na maioria das soluções automóveis, os ímanes ficam enterrados no interior das chapas de aço do rotor, em vez de montados à superfície; esta disposição de ímanes permanentes interiores acrescenta uma componente útil de binário de relutância e permite que o rotor gire em segurança a alta velocidade sem que os ímanes se soltem.

Os próprios ímanes são, por norma, ímanes de terras raras de neodímio-ferro-boro, muitas vezes com adição de disprósio ou térbio para evitar que se desmagnetizem quando aquecem. A sua intensidade é a origem da eficiência do motor, mas é também o seu principal inconveniente. Os elementos de terras raras são dispendiosos, a sua oferta está geograficamente concentrada e a sua extração e refinação acarretam um ónus ambiental e geopolítico. Isto levou os construtores a reduzir a quantidade de ímanes, a redesenhar rotores para usar menos terras raras pesadas ou, em alguns modelos, a combinar um PMSM num eixo com um motor de indução sem ímanes no outro.

Um controlo preciso exige conhecer com rigor a posição do rotor, pelo que o motor depende de um sensor de posição, geralmente um resolver, que envia essa informação ao inversor, o qual ajusta a forma de onda da corrente milhares de vezes por segundo. O mesmo equipamento permite que o motor funcione como gerador durante a travagem regenerativa, convertendo a inércia do automóvel novamente em carga armazenada. Do campo permanente decorre uma particularidade prática: como os ímanes induzem sempre uma força contraeletromotriz, um PMSM não consegue ficar em roda livre de forma tão limpa como um motor de indução e, a velocidades muito elevadas, tem de ser gerido ativamente através do enfraquecimento de campo para evitar gerar um arrasto de travagem indesejado ou tensão em excesso.

Dentro do conjunto da transmissão, o PMSM situa-se entre o inversor do veículo elétrico, que lhe fornece a corrente cuidadosamente moldada, e uma desmultiplicação que adapta a sua elevada velocidade de rotação às rodas. A sua principal alternativa é o motor de indução, que troca um pouco de eficiência por menor custo e pela libertação dos materiais de terras raras, sendo a escolha entre os dois uma das decisões de engenharia que definem a cadeia cinemática de qualquer automóvel elétrico e a sua eficiência global.