O que é um motor sem escovas? Um guia completo para a tecnologia BLDC

Prefácio

Nos últimos anos, o debate sobre os motores eléctricos tem sido dominado pelos motores sem escovas. Isto deve-se ao facto de oferecerem melhor desempenho, fiabilidade e eficiência em comparação com os motores com escovas. Os motores de corrente contínua sem escovas ou ECM (electrically commutated motor) são tipos de motores que funcionam com correntes diretas. Mudaram a indústria automóvel, a indústria robótica e os sistemas electrónicos e de refrigeração. A necessidade de ter uma escova e um comutador rotativo que estabelece o contacto elétrico é eliminada, o que, por sua vez, permite que os motores sem escovas tenham um desgaste mecânico reduzido e uma maior eficiência e vida útil.

Neste artigo, vamos explorar em pormenor a definição de um motor sem escovas, a sua estrutura e funcionamento e o âmbito de utilização em várias indústrias.

De acordo com um estudo, Grand View Research Markets, em 2020, o valor do mercado global de motores DC sem escova atingiu 8,7 bilhões de dólares, e espera-se que seu tamanho esteja se expandindo a uma taxa composta de crescimento anual (CAGR) de 7,5% para o período de 2021 a 2028. Esta tendência é atribuída à crescente integração de motores eléctricos em diferentes espaços. Outra razão para esta tendência seriam as voltas do rotor, o que faz com que os motores BLDC ofereçam um melhor controlo.

O que é um motor sem escovas?

Um motor sem escovas é um tipo de motor que utiliza bobinas electromagnéticas no estator e um íman permanente no rotor para produzir velocidade de rotação e, consequentemente, movimento de rotação. Ao contrário dos motores com escovas tradicionais, um motor sem escovas não contém quaisquer escovas físicas ou escovas ou um comutador. Em vez disso, utiliza comutação eletrónica, mas é sempre dirigido por um controlador eletrónico de velocidade ou ESC.

Os motores sem escovas oferecem várias vantagens, uma vez que não têm escovas. Estas incluem o baixo desgaste, a elevada eficácia e a manutenção reduzida. Além disso, os motores sem escovas, devido ao seu sistema de conceção de controlo avançado, tendem a atingir velocidades mais elevadas e a gerar mais binário do que os motores com escovas do mesmo tamanho.

Porque é que os motores sem escovas estão a ganhar popularidade em relação aos motores com escovas?

Tem havido um influxo de motores sem escovas em muitas indústrias devido às suas vantagens em relação a outros motores. No entanto, este aumento de popularidade pode ser atribuído a alguns factores-chave, incluindo.

Alta eficiência: Um motor sem escovas é conhecido pela sua maior eficiência energética, uma vez que não há fricção e perdas de energia mecânica devido às escovas e comutadores que muitos outros dispositivos têm. Isto resulta numa melhor poupança de energia e numa maior vida útil da bateria em aplicações portáteis.

Manutenção reduzida: A ausência de escovas nos motores sem escovas elimina a necessidade de manutenção regular, como o desgaste das escovas. Por conseguinte, os custos de manutenção são mais baixos e a fiabilidade é maior.

Controlo preciso: A velocidade de rotação e o binário exactos são fornecidos pelos motores sem escovas com a ajuda da comutação eletrónica e de algoritmos de controlo avançados. Por conseguinte, podem ser utilizados em aplicações que exigem uma elevada exatidão e precisão de movimento e, ao mesmo tempo, suavidade de funcionamento.

Tamanho compacto: Os motores sem escovas são capazes de ter uma maior densidade de potência do que os motores com escovas, permitindo assim um tamanho mais fino do motor sem escovas. Isto é particularmente vantajoso em aplicações onde o espaço é limitado, como drones e aparelhos portáteis.

Atributo	Motores sem escova	Motores escovados
Eficiência	Elevada eficiência devido à ausência de fricção das escovas, o que leva a uma melhor utilização da energia.	Menor eficiência devido à perda de energia devido ao atrito e à comutação das escovas.
Manutenção	Necessidade de manutenção reduzida, uma vez que não há escovas para substituir.	Maior manutenção devido ao desgaste das escovas e à necessidade de as substituir.
Precisão de controlo	Controlo preciso através de comutação eletrónica e algoritmos de controlo avançados.	Controlo menos preciso, limitado pelas escovas físicas e pelo comutador.
Tamanho e densidade de potência	A densidade de potência compacta e elevada permite motores mais pequenos e mais potentes.	Geralmente maiores e menos potentes para o mesmo tamanho devido a limites mecânicos.
Durabilidade	Vida útil mais longa, uma vez que o desgaste mecânico é muito reduzido.	Vida útil mais curta devido ao desgaste das escovas e dos comutadores.
Ruído e EMI	Baixo ruído e interferência electromagnética, adequado para aplicações sensíveis.	Maior ruído e potencial de interferência electromagnética.

Como funcionam os motores sem escovas

Os motores sem escovas funcionam através de um princípio conhecido como indução electromagnética. O estator de um motor sem escovas é constituído por várias bobinas electromagnéticas, enquanto o rotor tem incorporados ímanes permanentes. O fluxo de corrente eléctrica para as bobinas do estator resulta na formação de um campo magnético que trabalha com os ímanes permanentes do rotor, resultando na rotação do rotor, convertendo a energia eléctrica em energia mecânica.

O papel dos ímanes e dos campos electromagnéticos

O rotor de um motor sem escovas possui ímanes permanentes. Estes ímanes, compostos por materiais de terras raras, incluindo o neodímio ou o samário-cobalto, estão posicionados de uma determinada forma para formar pólos norte e sul alternados que são cruciais na geração de movimento rotacional.

As bobinas constituem uma parte do estator e são alimentadas com corrente numa ordem específica, de modo a formar um campo magnético rotativo. Este campo actua sobre o rotor, que tem ímanes permanentes, e produz um binário que tende a fazer rodar o rotor.

Ao variar a ordem pela qual a corrente é fornecida às bobinas do estator, a velocidade e a direção do rotor podem ser ajustadas.

Controlo eletrónico da velocidade (ESC) Explicado

Os motores sem escovas utilizam controladores electrónicos de velocidade, conhecidos como ESCs, para o processo de comutação. Estes ESCs são responsáveis pela conversão dos comandos de entrada fornecidos pelo utilizador ou por um sistema de controlo na temporização correta dos impulsos de corrente a enviar para as bobinas do estator.

Um controlador elétrico de velocidade (ESC) controla o fluxo de corrente através de uma combinação de modulação de largura de impulsos (PWM) e controlo orientado para o campo (FOC) para regular as rotações por minuto (RPM) e o binário do motor. Esta disposição também se baseia em elementos de feedback como os sensores de efeito Hall ou a EMF de retorno, uma vez que o tempo de comutação é ajustado de acordo com a posição do rotor. Este nível de controlo do motor é também uma das principais razões pelas quais os motores sem escovas têm vindo a ser amplamente utilizados em vários sectores.

Aplicações de motores sem escova em vários sectores

Os motores sem escovas têm sido utilizados em diferentes sectores com base na sua eficácia, fiabilidade e desempenho superiores. Alguns dos principais sectores e aplicações que procuraram a utilização de motores sem escovas em grande escala incluem:

Inovações no sector automóvel com motores sem escovas

No mundo automóvel, há várias aplicações em que os motores sem escovas encontraram o seu lugar, incluindo a direção assistida eléctrica, as bombas de combustível e os sistemas de arrefecimento do motor. Estes motores sem escovas são capazes de fornecer uma elevada densidade de binário, um controlo preciso e uma maior eficiência de combustível em comparação com os outros sistemas hidráulicos ou mecânicos utilizados no passado.

Do mesmo modo, os motores sem escovas têm sido e estão a tornar-se cada vez mais centrais no fabrico de veículos eléctricos e híbridos. A sua utilização é cada vez maior, uma vez que os motores sem escovas são adequados para motores de tração, sistemas de travagem regenerativa e sistemas de arrefecimento para baterias, a fim de aumentar a eficiência e o desempenho desses veículos.

Impacto na eletrónica de consumo e na robótica

A indústria de eletrónica de consumo beneficiou muito com os motores sem escovas, pois tornaram possível ter gadgets de alto desempenho de tamanho mais pequeno, como Drones, smartphones e wearables, entre outros dispositivos. A utilização de motores sem escovas nestas máquinas é vantajosa devido à elevada densidade de potência, juntamente com o controlo preciso que possuem. Estas qualidades tornam-nos adequados para aplicações em que se pretende que a máquina tenha um funcionamento suave com um longo tempo de funcionamento da bateria.

A robótica é um domínio que implica, entre uma variedade de mecanismos, a incorporação de servos em motores especializados. Estes são motores sem escovas que encontram aplicações em robôs industriais, robôs colaborativos (cobots) e robôs de serviço. Proporcionam a precisão, o binário e a velocidade necessários, essenciais para tarefas de recolha e colocação, soldadura e até mesmo para o manuseamento de materiais.

Motores sem escova em veículos eléctricos

O aparecimento de motores sem escovas nos VE (veículos eléctricos) transformou o espaço automóvel. Trata-se de uma força motriz que é principalmente fornecida por motores sem escovas, com destaque para os motores BLDC. Como tal, existem vantagens significativas que eles trazem para essas aplicações.

Para começar, o motor BLDC possui uma elevada densidade de potência que lhe permite fornecer mais potência por volume quando comparado com os motores com escovas, conseguindo assim designs de motores compactos e leves, minimizando a massa total do veículo e melhorando assim a eficiência energética do veículo como um todo.

Além disso, os motores BLDC possuem uma elevada eficiência na gama de 85% a 95%. Isto é crucial, especialmente para os veículos eléctricos, uma vez que a elevada eficiência se traduz em maiores gamas de condução e na redução do consumo de energia.

Por último, o controlo dos motores BLDC permite um controlo excecional das caraterísticas de velocidade e binário, tornando a aceleração, a travagem regenerativa e a gestão eficaz da energia nos veículos eléctricos suaves e reactivos. Isto também conduz a uma melhoria do comportamento e da estabilidade do veículo.

Motores sem escovas para ventiladores de arrefecimento

Nos sistemas de arrefecimento, o aquecimento é evitado em dispositivos e sistemas através de ventoinhas de arrefecimento, mantendo o funcionamento eficiente dos dispositivos. A utilização de motores sem escovas e, em particular, de motores de ventoinha BLDC, está a generalizar-se nas aplicações de refrigeração devido à sua eficiência em comparação com as ventoinhas mais convencionais.

Papel das chumaceiras no sistema de arrefecimento

Ventiladores de refrigeração BLDC vs. tradicionais

Os motores DC escovados ou os motores de indução AC são utilizados como motores de ventoinha de arrefecimento em quase todos os modelos como padrão. Estes motores costumavam ser muito utilizados devido à sua fiabilidade, mas agora têm alguns inconvenientes em relação aos motores de ventilador BLDC.

Os ventiladores tradicionais de corrente contínua que utilizam motores de corrente contínua com escovas estão associados a falhas precoces, porque estes motores incluem escovas e comutadores que induzem desgaste mecânico. Assim, estes motores têm um tempo de vida relativamente curto, são mais propensos a manutenção e a falhas.

Além disso, os motores com escovas também introduzem ruído elétrico e interferências electromagnéticas no funcionamento dos circuitos electrónicos e dos componentes acionados, o que pode dificultar o funcionamento de sistemas delicados.

Em contrapartida, os motores de ventilador BLDC têm uma série de vantagens em relação aos ventiladores convencionais:

Desempenho melhorado: Como não há perdas na escova e no comutador, a eficiência dos motores de ventilador BLDC é maior. Assim, permitem um menor consumo de energia e aumentam a eficiência do arrefecimento.

Vida útil alargada: A ausência de componentes com escovas nos motores de ventilador BLDC elimina o desgaste mecânico das suas contrapartes com escovas. Isto resultou numa vida útil mais longa e numa menor necessidade de manutenção.

Baixo ruído e EMI: A emissão de ruído elétrico e EMI dos motores de ventilador BLDC é mínima, pelo que podem ser utilizados em aplicações electrónicas sensíveis.

Controlo preciso da velocidade: A utilização de um sinal PWM para controlar um motor de ventilador BLDC é bastante simples e permite uma regulação precisa da velocidade para corresponder às necessidades de uma tarefa de arrefecimento específica.

Aplicações dos ventiladores de arrefecimento BLDC

As ventoinhas de arrefecimento BLDC são amplamente utilizadas numa variedade de indústrias e produtos, tais como:

Eletrónica de consumo: As ventoinhas de arrefecimento BLDC encontram aplicações em computadores portáteis, computadores de secretária e consolas de jogos ou qualquer outro equipamento eletrónico que possa necessitar de uma gestão térmica apurada para funcionar corretamente.

Automóvel: Os sistemas de arrefecimento de baterias, os sistemas de controlo climático de veículos, bem como o arrefecimento da eletrónica de potência são algumas das aplicações das ventoinhas de arrefecimento BLDC no sector automóvel.

Equipamentos industriais: Estes ventiladores são também aplicados em máquinas CNC, painéis de controlo industrial, fontes de alimentação e outros equipamentos industriais para dissipar o calor e evitar a destruição do equipamento.

Dispositivos médicos: As ferramentas médicas, como ventiladores, monitores de pacientes e sistemas de imagiologia, também utilizam ventoinhas de arrefecimento BLDC para manter um funcionamento fiável e a segurança dos pacientes.

Seleção de normas para ventiladores de arrefecimento BLDC

Existem inúmeras normas e especificações que se devem ter em conta ao selecionar uma ventoinha de aplicação, como uma ventoinha de arrefecimento BLDC, para permitir a compatibilidade dos componentes e melhorar o desempenho e a fiabilidade do sistema. Algumas das principais normas e especificações a considerar incluem:

Tamanho e configuração: Os tamanhos e as variedades disponíveis na construção destes ventiladores de arrefecimento BLDC incluem ventiladores de sopro, ventiladores centrífugos e ventiladores axiais. Dependendo da necessidade de calor e das especificações de espaço, as dimensões e o tipo de montagem têm de ser adequados.

Potências nominais: Estão disponíveis diferentes ventiladores com diferentes potências. Por exemplo, uma ventoinha de arrefecimento BLDC pode estar disponível em 12V, 24V ou mesmo 48V. Estas ventoinhas têm de ser escolhidas de acordo com as especificações da fonte de alimentação necessária para o sistema.

Eficiência: o desempenho de arrefecimento desta ventoinha depende em grande medida da velocidade e do caudal de ar que possui. Para tal, é necessário escolher uma ventoinha com a velocidade correta, a rotação medida em RPM, e o caudal de ar avaliado em CFM ou m³/h, de acordo com a capacidade de dissipação de calor do sistema.

Som: Para facilitar a referência e a especificação, o desempenho de uma ventoinha de arrefecimento BLDC pode ser quantificado em termos do número de decibéis (dB) de ruído que gera. A classificação de ruído da ventoinha tem de ser analisada especialmente nos casos em que é necessário manter um baixo nível de ruído, por exemplo, em aplicações médicas ou escritórios.

Aspectos ambientais: uma ventoinha de arrefecimento BLDC pode ser afetada por diferentes caraterísticas ambientais, como a temperatura, a humidade, o pó e a vibração. Vale a pena escolher uma ventoinha que se destine a suportar as condições ambientais peculiares de uma aplicação.

Com estas normas e especificações em mente, os engenheiros e projectistas são capazes de escolher o melhor tipo de ventoinha de arrefecimento BLDC para a sua aplicação específica e, assim, obter um bom desempenho, fiabilidade e compatibilidade com todo o sistema.

Conclusão

O motor sem escovas, também designado por motor de corrente contínua sem escovas (BLDC) ou motor comutado eletronicamente, tornou-se útil em várias indústrias, uma vez que é mais avançado, mais eficiente e mais fiável do que os motores com escovas. A ausência de escovas e a utilização da comutação eletrónica nos motores sem escovas proporciona várias vantagens, incluindo um menor desgaste mecânico, maior eficiência, controlo de precisão e um volume reduzido. O que precede significa que não existe praticamente qualquer contacto com a alimentação dos motores BLDC, pelo que a manutenção é mínima.

Os motores sem escovas são utilizados em várias indústrias, incluindo a indústria automóvel, a robótica, os aparelhos electrónicos e os sistemas de refrigeração. São fundamentais em projectos de veículos eléctricos modernos que exigem motores de tração compactos e eficientes e sistemas de arrefecimento de baterias. Nas novas ventoinhas de arrefecimento, os motores BLDC são mais eficientes do que as ventoinhas de arrefecimento tradicionais, pelo que são mais fáceis de integrar em vários dispositivos e sistemas electrónicos.

Com a evolução tecnológica contínua que se avizinha, espera-se que sejam desenvolvidas ainda mais aplicações para o compressor, os motores BLDC e o ventilador DC sem escovas, que irão agora impulsionar mais inovações em diferentes domínios. A utilização da tecnologia de motores sem escovas conduzirá à criação de sistemas altamente fiáveis, eficientes e eficazes, ao mesmo tempo que impulsiona o avanço nos domínios da mobilidade eléctrica, da automação e das soluções de refrigeração.

Perguntas frequentes:

Como escolher o tamanho certo do motor sem escovas para o meu projeto?

A avaliação de vários critérios está envolvida na seleção de um motor sem escovas com os limites físicos adequados para o projeto:

Requisitos de binário: Identificar o binário que será necessário para acionar a sua aplicação. Com base nos requisitos de carga, aceleração e velocidade, determine o binário que será necessário para esse sistema.

Gama de velocidades: Avaliar a gama de velocidades dentro da qual o motor deve funcionar. Os motores sem escovas permitem velocidades elevadas, mas a conceção do motor e os requisitos de uma determinada aplicação ditarão a gama específica.

Necessidade de potência: Utilize a velocidade e o binário necessários no cálculo da potência de saída para a sua aplicação. Obtenha um motor sem escovas com, pelo menos, a potência nominal calculada anteriormente.

Classificações de tensão e corrente: Utilize um motor sem escovas cujas classificações de tensão e corrente sejam consistentes com a fonte de alimentação que está a ser utilizada. Tenha em conta a tensão máxima e o consumo de corrente do motor em carga.

Considerações sobre espaço e peso: Identifique o espaço disponível e o peso máximo que pode ser tolerado na sua aplicação. Selecione um motor sem escovas com factores de tamanho e peso que se enquadrem confortavelmente nos limites impostos pelo seu projeto.

Condições ambientais: Avalie as condições de funcionamento do seu motor, incluindo a temperatura, a humidade e a vibração. Utilize um motor sem escovas com classificações ambientais e caraterísticas de proteção adequadas.

Quais são as vantagens de utilizar um motor sem escovas em comparação com os motores tradicionais?

Em comparação com os motores tradicionais com escovas, os motores sem escovas têm as seguintes vantagens

As perdas podem ser minimizadas: Num motor sem escovas não existem perdas nas escovas e no comutador, pelo que a sua eficiência é mais elevada. Podem ser alcançados níveis de eficiência até 95%, o que torna o motor sem escovas eficiente em termos energéticos e as aplicações portáteis exigiriam uma menor utilização da bateria.

O tempo de vida é alargado: Um motor sem escovas é um motor sem escovas, o que significa que os seus motores não se esforçam por aumentar a vida útil dos motores e reduzir a manutenção em geral.

Elevada precisão: Os motores sem escovas têm uma elevada eficiência inercial e precisão de binário através da integração com várias técnicas de controlo avançadas, como a modulação por largura de impulso ou o controlo orientado para o campo. Isto proporciona um funcionamento suave, um posicionamento preciso e níveis superiores de desempenho numa série de aplicações.

Velocidade e binário elevados: Os motores sem escovas geram mais binário e permitem mais velocidade do que um motor com escovas com o mesmo tamanho, porque se vê que os motores com escovas são mecanicamente limitados naquilo que podem fazer. Mas com os motores sem escovas a ultrapassar as suas limitações com os seus designs com diamantes incluídos, a escovagem não é um problema.

Menor ruído e EMI: Os motores sem escovas funcionam com ruído elétrico e interferências electromagnéticas (EMI) quase silenciosos do que os motores com escovas. Isto torna-os adequados para utilização em ambientes electrónicos delicados e em aplicações em que é necessário um baixo nível de ruído.

Tamanho compacto e elevada densidade de potência: Os motores sem escovas podem facilmente atingir uma elevada densidade de potência, o que permite a realização de projectos compactos e leves. Isto é bastante útil em aplicações com limitações de espaço, como drones, robótica e dispositivos portáteis.

Manutenção reduzida: A utilização de motores sem escovas elimina as responsabilidades de manutenção regular associadas às escovas gastas. Consequentemente, os custos de manutenção tornam-se mais baratos e a fiabilidade aumenta.

Ampla gama de velocidades: Os motores sem escovas são capazes de trabalhar numa vasta gama de velocidades, desde velocidades baixas a velocidades elevadas, mantendo um binário constante. Esta caraterística torna-os ideais para diversas aplicações com requisitos de velocidade variáveis.

Embora os motores sem escovas tenham um custo inicial mais elevado do que os motores com escovas, as poupanças de custos a longo prazo, bem como o desempenho e a durabilidade superiores, compensam largamente este gasto. Os benefícios reais da utilização de um motor sem escovas dependerão dos requisitos qualitativos e quantitativos da tarefa aplicada e das caraterísticas estruturais do motor.

Quais são os problemas comuns de manutenção e resolução de problemas dos motores sem escovas?

Embora os motores sem escovas tenham requisitos de manutenção mais baixos, podem ainda ser encontrados alguns esforços de manutenção, bem como alguns problemas de resolução de problemas com os motores sem escovas:

Desgaste dos rolamentos: Não há dúvidas quanto ao facto de os motores sem escovas estarem equipados com rolamentos que se desgastam com o tempo. Este facto provoca níveis adicionais de ruído e vibração, juntamente com os níveis de ruído que já estão presentes no motor. Estes factores, no seu conjunto, podem ajudar a decidir se é necessário efetuar reparações ou se a substituição dos rolamentos é a melhor opção.

Por outro lado, também podem ocorrer danos nos sistemas de isolamento, especialmente no caso de enrolamentos de estator que se encontram em numerosas condições de elevada humidade ou calor. Este problema pode ser ainda mais agravado por avarias no isolamento, uma vez que daí podem resultar curto-circuitos. Este problema pode ser evitado através do controlo regular da resistência do enrolamento e da substituição dos moto-redutores, se e quando necessário.

Todos os tipos de motores, e os motores sem escovas não são exceção, funcionam dentro de parâmetros pré-definidos e isto depende normalmente da utilização de sensores de efeito Hall ou do tipo codificador para fornecer um feedback de posicionamento adequado. Estes sensores são vitais para o funcionamento correto do motor e, se falharem, todo o motor pode funcionar incorretamente ou não funcionar de todo. Na maioria das vezes, para resolver vários problemas relacionados com os sensores, é necessário executar vários passos que podem incluir: verificar a cablagem, as ligações dos sensores e, em algumas situações raras, os próprios sensores têm de ser substituídos.

Sobreaquecimento: Um motor sem escovas pode sobreaquecer quando funciona para além das suas especificações nominais ou se houver falta de arrefecimento. A bobina, os ímanes ou outros dispositivos podem ficar danificados devido ao sobreaquecimento. Para evitar o sobreaquecimento, é aconselhável fornecer ventilação suficiente, utilizar técnicas de arrefecimento adequadas e limitar o funcionamento do motor dentro dos seus parâmetros nominais.

As práticas de utilização adequadas dos motores sem escovas, juntamente com inspecções e reparações atempadas, podem ajudar a evitar e a reconhecer quaisquer problemas potenciais que possam causar a morte do motor. Se os procedimentos de resolução de problemas não resolverem o problema, o passo seguinte consiste em contactar o fabricante ou técnicos de assistência qualificados.