Alta Voltagem

Com a propulsão pioneira do Porsche Taycan, Zuffenhausen mantém sua tradição de inovação

Como funcionam os motores elétricos do Taycan, em detalhes

Por Peter Weidenhammer / Christophorus Magazine

Tradução: Jorge Meditsch / JBVM Serviços Editoriais

Acomode-se, por favor. Se você acelerar até o fundo um Porsche Taycan Turbo S, vai experimentar 12.000 razões para adotar uma posição estável no assento. O motorista e os passageiros são pressionados contra o estofamento de uma forma que quase tira seu fôlego quando o carro-esporte elétrico de topo libera seu torque acumulado de 12.000 Nm nas quatro rodas ao mesmo tempo. A força concentrada é totalmente descarregada sem nenhuma demora - e o impulso dos dois motores elétricos nos eixos dianteiro e traseiro permanece virtualmente inalterado até o Taycan chegar à velocidade máxima, passando pelos 200 km/h em 9,6 segundos. Essa dose de adrenalina é o ingrediente ativo da tecnologia de propulsão única da Porsche. Não foi por coincidência que o renomado Center of Automotive Management (CAM) declarou o Taycan o modelo mais inovador de 2020.

A Porsche não apareceu com esse conceito ontem. Na realidade, foi há mais de 120 anos. Naquele tempo, o jovem Ferdinand Porsche desenvolveu seu primeiro veículo elétrico com motores esterçáveis montados no cubo das rodas - uma novidade mundial. As possibilidades proporcionadas pela mobilidade elétrica impulsionaram sua ambição esportiva e seu carro de corrida equipado com quatro motores nos cubos das rodas tornou-se o primeiro carro de passageiros com tração nas quatro rodas.

Corrente alternada

Já faz tempo que os motores simples de corrente contínua do passado foram substituídos por máquinas mais sofisticadas. O princípio básico, porém, permaneceu o mesmo: o magnetismo. Um ímã consiste sempre de um polo norte e um polo sul. Polos diferentes se atraem, polos iguais se repelem. Por um lado, existem ímãs permanentes, que são baseados na interação de partículas elementares. De outro, campos magnéticos também surgem toda a vez que uma carga elétrica é movimentada. Para amplificar o eletromagnetismo, o condutor de corrente num motor elétrico é arranjado para formar uma bobina. Os eletroímãs, assim como - dependendo do design do motor - os ímãs permanentes são dispostos em dois componentes. A parte estacionária é chamada estator, a que gira é o rotor. Ligando e desligando periodicamente a corrente elétrica cria forças atrativas e repulsivas, que provocam a rotação do rotor.

Nem todo o tipo de motor elétrico é adequado para movimentar um veículo. A Porsche usa a chamada máquina síncrona de excitação permanente (PSM). Comparada ao design mais utilizado - a máquina assíncrona (ASM), de menor custo - a PSM proporciona um rendimento contínuo, porque aquece com menor facilidade e, assim, não tem que ser desligada. A PSM da Porsche é alimentada e gerenciada através de controle eletrônico com corrente alternada de três fases: a velocidade do motor é determinada pela frequência com que a corrente alternada oscila ao redor do ponto zero de mais para menos. Nos motores do Taycan, o inversor de pulso estabelece a frequência do campo rotativo no estator, regulando assim a rotação do rotor.

O rotor contém ímãs permanentes de alta qualidade fabricados com ligas de neodímio-ferro-boro, que são magnetizadas permanentemente durante o processo de fabricação através de um forte campo magnético direcional. Os ímãs permanentes também permitem um alto grau de recuperação de energia durante a frenagem. Quando não acelerado, o motor elétrico entra em modo regenerativo, e os ímãs induzem voltagem e corrente na bobina do estator. O desempenho de recuperação do motor elétrico da Porsche está entre os melhores entre a concorrência.

“Veneno” está nos detalhes

Tecnologia levada ao limite: o DNA da Porsche se reflete num item especial dos motores do Taycan, conhecido como enrolamento por grampo. Nesse tipo de enrolamento, as bobinas do estator são constituídas por fios que não são redondos, mas têm seção retangular. E, diferentemente dos processos de enrolamento clássicos, em que o fio de cobre é alimentado continuamente por um carretel, a tecnologia dos grampos consiste no que é chamado de processo de montagem baseado no formato.

O fio de cobre com seção retangular é dividido em pedaços individuais e dobrado em forma de U - semelhante a um grampo de cabelo. Esses "grampos" individuais são inseridos nas lâminas do estator onde o enrolamento é montado de forma que as superfícies da seção transversal retangular ficam uma em cima da outra. Esta é a vantagem decisiva proporcionada pela tecnologia do grampo: ela permite que os fios sejam agrupados de forma mais densa, acrescentando dessa maneira mais cobre ao estator.

Enquanto os métodos de enrolamento convencionais têm um fator de preenchimento de cobre - como é chamado - de aproximadamente 50 por cento, a tecnologia usada pela Porsche possui um fator de preenchimento de quase 70 por cento. Isso aumenta a potência e o torque com o mesmo espaço de instalação. As pontas dos "grampos" são unidas por solda a laser, criando a bobina. Outra vantagem importante é que o contato homogêneo entre os fios de cobre adjacentes melhora a transferência de calor. Um estator com grampos pode ser resfriado com muito mais eficiência.

Mais força com a mesma energia

Motores elétricos convertem em propulsão mais de 90 por cento da energia. Mas, assim como nos motores a combustão, as perdas se convertem em calor, que tem que ser dissipado. Por isso, os motores elétricos do Taycan têm uma camisa d'água para resfriamento.

Para controlar com precisão um motor síncrono com excitação permanente, a eletrônica de potência precisa saber a posição angular exata do rotor. É para isso que serve o resolver. Ele é um disco rotor feito de material condutor de campo, uma bobina excitadora e duas bobinas receptoras. A bobina excitadora gera um campo magnético, transmitido através do codificador para as bobinas receptoras. Isso induz uma corrente nas bobinas receptoras, cuja posição de fase se modifica na proporção da posição do rotor. O sistema de controle pode usar essa informação para calcular a posição angular exata do rotor.

Esse sistema de controle, conhecido como inversor de pulso, é o ápice da expertise da Porsche. Ele é responsável por converter a corrente contínua de 800 volts em corrente alternada e fornecê-la para os dois motores elétricos.

A Porsche foi a primeira fabricante a implementar um nível de voltagem de 800 volts. Desenvolvida originalmente para o carro de corridas Porsche 919 Hybrid, essa voltagem reduz peso e espaço de instalação na produção em série graças a fios mais finos, permitindo também tempos de carga menores.

Os motores elétricos atingem até 16.000 rotações por minuto. Para otimizar o uso dessa amplitude de rotações para atingir as características da Porsche de dinamismo, eficiência e alta velocidade, as unidades propulsoras dianteira e traseira têm, cada uma, sua própria transmissão. O Taycan é o primeiro carro esporte elétrico a ter uma transmissão com duas marchas selecionáveis no eixo traseiro. A primeira delas tem uma relação de redução muito curta. No eixo dianteiro, uma caixa planetária transmite a força para as rodas.

Elas se combinam para dar ao Taycan Turbo S seus super poderes. No eixo dianteiro, a redução transforma os 440 Nm gerados pelo motor elétrico para cerca de 3.000 Nm nas rodas. Cerca de 610 Nm do motor do eixo traseiro são multiplicados na primeira marcha para aproximadamente 9.000 Nm de torque. O objetivo da segunda marcha é assegurar reservas de eficiência e potência em alta velocidade.

Nota do tradutor: o Taycan não possui uma marcha à ré: em vez de engrenagens, são os motores elétricos quegiram em sentido contrário ao normal para fazer o carro recuar. Mais uma vantagem dos carros elétricos – menos engrenagens, menos peso, menor necessidade de espaço para os mecanismos.

Publicado em 29/03/2021