Seleção Recomendada de Indutores para Sistemas de Acionamento Motor Automotivo

Com o aprofundamento do desenvolvimento da eletrificação e da inteligência automotiva, os motores tornaram-se componentes centrais de potência e controle nos veículos. Eles são amplamente utilizados em sistemas de acionamento (motores de tração para veículos de nova energia), aplicações de controle da carroceria (motores para porta traseira elétrica, motores para vidros elétricos, motores para ajuste de assentos) e sistemas auxiliares (motores para ventiladores de refrigeração, motores para direção elétrica assistida). Como unidade central que controla a partida/parada, a velocidade e o sentido de rotação do motor, o sistema de acionamento automotivo deve fornecer uma saída de potência eficiente, estável e confiável sob condições adversas a bordo, tais como altas temperaturas, vibrações, forte interferência eletromagnética (EMI) e grandes flutuações de tensão. Como componente passivo central nos sistemas de acionamento de motores, o indutor desempenha funções essenciais, como armazenamento de energia, filtragem, rejeição (choking) e supressão de picos de corrente. A sua seleção determina diretamente a eficiência de conversão, a estabilidade operacional, a compatibilidade eletromagnética (EMC) e a vida útil.

• Princípio de funcionamento dos sistemas de acionamento motor automotivo e o papel central dos indutores

A função principal de um sistema de acionamento motor automotivo é receber comandos da unidade de controle do veículo (VCU) ou de uma unidade de controle local, converter a energia elétrica proveniente da fonte de alimentação embarcada em energia mecânica e acionar o motor para alcançar partida/parada precisas, regulação de velocidade e controle de marcha à frente/marcha à ré. Ao mesmo tempo, utiliza sinais de realimentação de corrente e velocidade para implementar um controle em malha fechada e garantir o funcionamento suave e seguro do motor. O circuito normalmente inclui um módulo de gerenciamento de energia, um módulo de controle por MCU, um módulo de acionamento de potência, um módulo de detecção de corrente/velocidade e um módulo de filtragem de EMI.

Figura 1. Diagrama em blocos do sistema de acionamento motor de veículo de nova energia

Outros dispositivos montados no veículo; Bateria de tração; Caixa de controle de alta tensão; Conector DC de alta tensão P/N; Unidade de controle de veículo (VCU); Bateria de baixa tensão; Relé de controle; Fusível; Motor de tração (DM); Cabos de alimentação trifásicos U/V/W; Cabos de sinal (resolver, temperatura); Controlador do motor (MCU); Bomba d’água; Líquido refrigerante; Radiador.

• • Função dos indutores no circuito de acionamento de potência

Os acionamentos automotivos para motores normalmente utilizam controle PWM (modulação por largura de pulso). Ao comutar dispositivos de potência (MOSFETs/IGBTs) entre os estados ligado e desligado, regulam-se a tensão e a corrente de saída para controlar a velocidade e o torque do motor. Os indutores desempenham um papel fundamental no circuito de acionamento de potência, principalmente das seguintes maneiras:

Supressão de picos de corrente: Quando o motor é ligado ou desligado, muda de velocidade ou quando os dispositivos de potência comutam, são gerados picos instantâneos de corrente. Esses picos podem sobrecarregar os dispositivos de potência (MOSFETs/IGBTs) e os circuitos integrados de acionamento, podendo até danificar os componentes. O indutor limita a taxa de variação da corrente (di/dt) por meio de sua reatância indutiva, suprimindo eficazmente os picos de corrente, protegendo os dispositivos essenciais no laço de acionamento e prolongando a vida útil dos componentes.

Suavização da corrente do motor: O controle PWM faz com que a corrente de saída apresente ondulação. Se essa corrente for aplicada diretamente ao motor, pode resultar em aumento das vibrações, maior ruído e maiores perdas nos enrolamentos. Ao armazenar e liberar energia continuamente, o indutor suaviza a ondulação da corrente, tornando a corrente de entrada do motor mais estável e melhorando a estabilidade operacional.

• • A função dos indutores na gestão de energia e filtragem

A fonte de alimentação nos sistemas de acionamento motorizado automotivo é dividida em duas categorias: fontes de alimentação de baixa tensão embarcadas (12 V/24 V) para módulos de controle e circuitos integrados de acionamento, e fontes de alimentação de alta tensão em veículos de nova energia para módulos de acionamento de potência. Os indutores desempenham os seguintes papéis principais na gestão de energia e na filtragem:

Conversão CC-CC: Nas circuitos de alimentação de baixa tensão, é necessário um conversor redutor CC-CC para converter a tensão embarcada de 12 V/24 V nos níveis de 5 V e 3,3 V exigidos pelas unidades de controle microprocessado (MCUs) e pelos sensores. Como elemento central de armazenamento de energia do circuito CC-CC, o indutor armazena e libera energia, mantém a estabilidade da tensão de saída e impede que flutuações de tensão afetem o funcionamento normal do módulo de controle.

Supressão de EMI: Quando o sistema de acionamento do motor está em operação, a comutação dos dispositivos de potência gera interferência de alta frequência. Essa interferência pode ser conduzida pelas linhas de alimentação até outros sistemas eletrônicos embarcados, como navegação ou rádio, afetando seu funcionamento normal. Os filtros de modo comum, juntamente com os capacitores X e Y, formam um circuito filtro EMI que remove a interferência de alta frequência das linhas de alimentação, suprime a radiação eletromagnética e reduz o impacto da interferência externa sobre o sistema de acionamento do motor.

2. Requisitos de indutores para sistemas de acionamento de motores automotivos

Os sistemas de acionamento de motores automotivos são frequentemente instalados em ambientes agressivos, como compartimentos do motor e áreas do chassi, onde ficam expostos, por longos períodos, a altas temperaturas e umidade, vibrações de alta frequência e forte interferência eletromagnética. Eles devem atender aos requisitos de confiabilidade automotiva e adaptar-se a grandes flutuações de tensão e picos de corrente elevada, o que impõe exigências rigorosas quanto ao desempenho, à estrutura e à confiabilidade dos indutores.

• Estabilidade a temperatura: Como os sistemas de acionamento de motores automotivos são frequentemente instalados em ambientes agressivos, como compartimentos do motor e áreas do chassi, o indutor deve operar em uma faixa de temperatura de -40 °C a 150 °C para evitar a degradação de desempenho e a redução da precisão de controle causadas por variações de temperatura.

• Baixa perda e alta eficiência: Os sistemas de acionamento de motor operam continuamente, portanto, as perdas no cobre (perdas por resistência contínua) e as perdas no núcleo do indutor devem ser mantidas tão baixas quanto possível. Especialmente em cenários de alta corrente, perdas reduzidas diminuem a elevação total da temperatura do sistema, melhoram a eficiência do acionamento, reduzem o consumo de energia a bordo e evitam a degradação de desempenho causada pelo superaquecimento.

• Alta corrente de saturação: Eventos de partida/parada do motor e mudanças repentinas de carga geram correntes instantâneas elevadas. O indutor deve possuir corrente de saturação suficiente (Isat) para evitar a saturação magnética sob esforço de corrente de pico. A saturação magnética provoca uma queda acentuada no valor da indutância, falha do indutor e possíveis danos aos dispositivos de potência. Recomenda-se manter, no mínimo, uma margem de 1,3× para a corrente de saturação e considerar a redução de classificação (derating) em altas temperaturas.

• Compatibilidade com EMI: O indutor deve oferecer um bom desempenho de blindagem para reduzir a fuga do campo magnético, prevenir interferências em circuitos sensíveis no interior do sistema de acionamento e suprimir a radiação eletromagnética no laço, ao mesmo tempo que atende aos requisitos de emissões conduzidas e irradiadas EMC a bordo.

• Alta confiabilidade: Indutores automotivos devem passar nos testes AEC-Q200 para garantir operação confiável e estável a longo prazo. Os testes de confiabilidade incluem mais de dez itens, tais como ciclagem térmica, armazenamento em alta temperatura, ensaio em alta umidade, vibração e choque mecânico, bem como soldabilidade. O laboratório CNAS da CODACA pode realizar, de forma independente, os testes AEC-Q200 conforme exigido pelo cliente e fornecer relatórios de ensaio.

3. Soluções de indutores da CODACA para sistemas de acionamento de motores

1. Indutor de potência de alta corrente automotivo

Em sistemas de acionamento de motores, os indutores de potência para alta corrente são utilizados principalmente em conversores CC-CC e circuitos de filtragem. Os indutores de potência para alta corrente da CODACA, com classificação automotiva, oferecem baixas perdas e alta corrente de saturação, com corrente de saturação de até 422 A e faixa de temperatura de operação de -55 °C a +155 °C, tornando-os adequados para ambientes eletrônicos automotivos complexos.

2. Reator de Potência Moldado com Classificação Automotiva

O reator de potência moldado com classificação automotiva da CODACA utiliza materiais magnéticos em pó de baixa perda e uma tecnologia inovadora de eletrodos para resolver desafios técnicos, como o desalinhamento das bobinas e fissuração do produto durante a moldagem. Ele reduz as perdas totais do indutor em mais de 30%, suporta temperaturas de operação de até 170 °C, alcança eficiência energética de até 98% e melhora efetivamente a confiabilidade dos sistemas de acionamento de motores e a eficiência de conversão dos circuitos CC-CC.

3. Indutor de Núcleo Cilíndrico com Classificação Automotiva

A CODACA possui uma experiente equipe de P&D capaz de fornecer rapidamente soluções personalizadas de indutores automotivos com diferentes características e estruturas, conforme os requisitos dos clientes.

4. Componentes EMI

Os filtros de modo comum, as perolas (beads) e outros componentes magnéticos são amplamente utilizados nos sistemas de acionamento de motores automotivos e nos circuitos de filtragem de potência para suprimir interferências de ruído nas linhas de sinal e nas linhas de alimentação.