Comparados aos motores de fluxo radial, os motores de fluxo axial apresentam muitas vantagens no projeto de veículos elétricos. Por exemplo, os motores de fluxo axial podem alterar o projeto do trem de força, movendo o motor do eixo para a parte interna das rodas.
1. Eixo de poder
Motores de fluxo axialestão recebendo cada vez mais atenção (ganham tração). Por muitos anos, esse tipo de motor tem sido usado em aplicações estacionárias, como elevadores e máquinas agrícolas, mas, na última década, muitos desenvolvedores têm trabalhado para aprimorar essa tecnologia e aplicá-la a motocicletas elétricas, cápsulas de aeroporto, caminhões de carga, veículos elétricos e até mesmo aviões.
Os motores de fluxo radial tradicionais utilizam ímãs permanentes ou motores de indução, que fizeram progressos significativos na otimização de peso e custo. No entanto, enfrentam muitas dificuldades para continuar seu desenvolvimento. O fluxo axial, um tipo de motor completamente diferente, pode ser uma boa alternativa.
Em comparação com motores radiais, a área de superfície magnética efetiva dos motores de ímã permanente de fluxo axial é a superfície do rotor do motor, não o diâmetro externo. Portanto, em um determinado volume de motor, os motores de ímã permanente de fluxo axial geralmente podem fornecer maior torque.
Motores de fluxo axialSão mais compactos; em comparação com motores radiais, o comprimento axial do motor é muito menor. Para motores com rodas internas, este é frequentemente um fator crucial. A estrutura compacta dos motores axiais garante maior densidade de potência e torque do que motores radiais similares, eliminando assim a necessidade de velocidades de operação extremamente altas.
A eficiência dos motores de fluxo axial também é muito alta, geralmente ultrapassando 96%. Isso se deve ao caminho de fluxo unidimensional mais curto, cuja eficiência é comparável ou até superior à dos melhores motores de fluxo radial 2D do mercado.
O comprimento do motor é menor, geralmente de 5 a 8 vezes menor, e o peso também é reduzido de 2 a 5 vezes. Esses dois fatores mudaram a escolha dos projetistas de plataformas para veículos elétricos.
2. Tecnologia de fluxo axial
Existem duas topologias principais paramotores de fluxo axial: rotor duplo e estator único (às vezes chamadas de máquinas estilo toro) e rotor único e estator duplo.
Atualmente, a maioria dos motores de ímã permanente utiliza topologia de fluxo radial. O circuito de fluxo magnético começa com um ímã permanente no rotor, passa pelo primeiro dente do estator e flui radialmente ao longo do estator. Em seguida, passa pelo segundo dente para atingir o segundo aço magnético no rotor. Em uma topologia de fluxo axial de rotor duplo, o circuito de fluxo começa no primeiro ímã, passa axialmente pelos dentes do estator e atinge imediatamente o segundo ímã.
Isso significa que o caminho do fluxo é muito mais curto do que o dos motores de fluxo radial, resultando em volumes menores do motor, maior densidade de potência e eficiência na mesma potência.
Um motor radial, onde o fluxo magnético passa pelo primeiro dente e retorna ao dente seguinte através do estator, alcançando o ímã. O fluxo magnético segue um caminho bidimensional.
O caminho do fluxo magnético de uma máquina de fluxo magnético axial é unidimensional, portanto, pode-se utilizar aço elétrico com grãos orientados. Este aço facilita a passagem do fluxo, melhorando assim a eficiência.
Os motores de fluxo radial tradicionalmente utilizam enrolamentos distribuídos, com até metade das extremidades dos enrolamentos inoperantes. O excesso de bobina resulta em peso, custo, resistência elétrica e maior perda de calor adicionais, forçando os projetistas a aprimorar o projeto dos enrolamentos.
As extremidades da bobina demotores de fluxo axialsão muito menores, e alguns projetos utilizam enrolamentos concentrados ou segmentados, que são totalmente eficazes. Para máquinas radiais com estator segmentado, a ruptura do caminho do fluxo magnético no estator pode trazer perdas adicionais, mas para motores de fluxo axial, isso não é um problema. O projeto do enrolamento da bobina é a chave para diferenciar o nível de fornecedores.
3. Desenvolvimento
Os motores de fluxo axial enfrentam sérios desafios em termos de projeto e produção. Apesar de suas vantagens tecnológicas, seus custos são muito superiores aos dos motores radiais. O conhecimento sobre motores radiais é bastante amplo, e métodos de fabricação e equipamentos mecânicos também estão prontamente disponíveis.
Um dos principais desafios dos motores de fluxo axial é manter um entreferro uniforme entre o rotor e o estator, visto que a força magnética é muito maior do que a dos motores radiais, dificultando a manutenção de um entreferro uniforme. O motor de fluxo axial de rotor duplo também apresenta problemas de dissipação de calor, visto que o enrolamento está localizado profundamente dentro do estator e entre os dois discos do rotor, dificultando muito a dissipação de calor.
Motores de fluxo axial também são difíceis de fabricar por vários motivos. A máquina de rotor duplo, que utiliza uma topologia de jugos (ou seja, removendo o jugo de ferro do estator, mas mantendo os dentes de ferro), supera alguns desses problemas sem expandir o diâmetro do motor e o ímã.
No entanto, a remoção do garfo traz novos desafios, como fixar e posicionar dentes individuais sem uma conexão mecânica do garfo. O resfriamento também é um desafio maior.
Também é difícil produzir o rotor e manter o entreferro, pois o disco do rotor atrai o rotor. A vantagem é que os discos do rotor são conectados diretamente por um anel de eixo, de modo que as forças se anulam. Isso significa que o mancal interno não suporta essas forças e sua única função é manter o estator na posição intermediária entre os dois discos do rotor.
Motores de rotor único com estator duplo não enfrentam os desafios dos motores circulares, mas o projeto do estator é muito mais complexo e difícil de automatizar, além de apresentar custos elevados. Ao contrário de qualquer motor de fluxo radial tradicional, os processos de fabricação e os equipamentos mecânicos para motores axiais surgiram apenas recentemente.
4. Aplicação de veículos elétricos
A confiabilidade é crucial na indústria automotiva e comprovar a confiabilidade e a robustez de diferentesmotores de fluxo axialConvencer os fabricantes de que esses motores são adequados para produção em massa sempre foi um desafio. Isso levou os fornecedores de motores axiais a realizarem extensos programas de validação por conta própria, com cada fornecedor demonstrando que a confiabilidade de seus motores não difere da dos motores de fluxo radial tradicionais.
O único componente que pode se desgastar em ummotor de fluxo axialsão os mancais. O comprimento do fluxo magnético axial é relativamente curto e a posição dos mancais é mais próxima, geralmente projetados para serem ligeiramente "superdimensionados". Felizmente, o motor de fluxo axial tem uma massa de rotor menor e pode suportar cargas dinâmicas de eixo do rotor mais baixas. Portanto, a força real aplicada aos mancais é muito menor do que a do motor de fluxo radial.
O eixo eletrônico é uma das primeiras aplicações dos motores axiais. A largura mais fina permite encapsular o motor e a caixa de engrenagens no eixo. Em aplicações híbridas, o menor comprimento axial do motor, por sua vez, reduz o comprimento total do sistema de transmissão.
O próximo passo é instalar o motor axial na roda. Dessa forma, a potência pode ser transmitida diretamente do motor para as rodas, melhorando sua eficiência. A eliminação de transmissões, diferenciais e eixos cardã também reduziu a complexidade do sistema.
No entanto, parece que as configurações padrão ainda não surgiram. Cada fabricante de equipamentos originais está pesquisando configurações específicas, visto que os diferentes tamanhos e formatos dos motores axiais podem alterar o design dos veículos elétricos. Comparados aos motores radiais, os motores axiais têm uma densidade de potência maior, o que significa que motores axiais menores podem ser usados. Isso oferece novas opções de design para plataformas de veículos, como o posicionamento das baterias.
4.1 Armadura segmentada
A topologia de motor YASA (Yokeless and Segmented Armature) é um exemplo de topologia de rotor duplo e estator único, que reduz a complexidade de fabricação e é adequada para produção em massa automatizada. Esses motores têm uma densidade de potência de até 10 kW/kg em velocidades de 2.000 a 9.000 rpm.
Utilizando um controlador dedicado, é possível fornecer uma corrente de 200 kVA para o motor. O controlador tem um volume de aproximadamente 5 litros e pesa 5,8 kg, incluindo gerenciamento térmico com resfriamento a óleo dielétrico, sendo adequado para motores de fluxo axial, bem como motores de indução e fluxo radial.
Isso permite que fabricantes de equipamentos originais de veículos elétricos e desenvolvedores de primeira linha escolham com flexibilidade o motor apropriado com base na aplicação e no espaço disponível. O tamanho e o peso menores tornam o veículo mais leve e possuem mais baterias, aumentando assim a autonomia.
5. Aplicação de motocicletas elétricas
Para motocicletas e quadriciclos elétricos, algumas empresas desenvolveram motores de fluxo axial CA. O projeto comumente usado para esse tipo de veículo é o de fluxo axial CC com escovas, enquanto o novo produto é um projeto CA totalmente selado e sem escovas.
As bobinas dos motores CC e CA permanecem estacionárias, mas os rotores duplos utilizam ímãs permanentes em vez de armaduras rotativas. A vantagem desse método é que ele não requer reversão mecânica.
O projeto axial CA também permite o uso de controladores de motor CA trifásicos padrão para motores radiais. Isso ajuda a reduzir custos, pois o controlador controla a corrente de torque, não a velocidade. O controlador requer uma frequência de 12 kHz ou superior, que é a frequência predominante desses dispositivos.
A frequência mais alta provém da indutância mais baixa do enrolamento, de 20 µH. A frequência pode controlar a corrente para minimizar a ondulação e garantir um sinal senoidal o mais suave possível. De uma perspectiva dinâmica, esta é uma ótima maneira de obter um controle mais suave do motor, permitindo mudanças rápidas de torque.
Este projeto adota um enrolamento distribuído de camada dupla, de modo que o fluxo magnético flui do rotor para outro rotor através do estator, com um caminho muito curto e maior eficiência.
A chave para este projeto é que ele pode operar com uma tensão máxima de 60 V e não é adequado para sistemas de tensão mais alta. Portanto, pode ser usado em motocicletas elétricas e veículos de quatro rodas da classe L7e, como o Renault Twizy.
A tensão máxima de 60 V permite que o motor seja integrado aos principais sistemas elétricos de 48 V e simplifica o trabalho de manutenção.
As especificações para motocicletas de quatro rodas L7e do Regulamento-Quadro Europeu 2002/24/CE estipulam que o peso dos veículos utilizados no transporte de mercadorias não pode exceder 600 kg, excluindo o peso das baterias. Esses veículos podem transportar no máximo 200 kg de passageiros, no máximo 1.000 kg de carga e no máximo 15 quilowatts de potência do motor. O método de enrolamento distribuído pode fornecer um torque de 75 a 100 Nm, com uma potência de pico de 20 a 25 kW e uma potência contínua de 15 kW.
O desafio do fluxo axial reside em como os enrolamentos de cobre dissipam o calor, o que é difícil porque o calor precisa passar pelo rotor. O enrolamento distribuído é a chave para resolver esse problema, pois possui um grande número de ranhuras nos polos. Dessa forma, há uma área de superfície maior entre o cobre e a carcaça, e o calor pode ser transferido para o exterior e descarregado por um sistema de resfriamento a líquido padrão.
Múltiplos polos magnéticos são essenciais para a utilização de formas de onda senoidais, o que ajuda a reduzir os harmônicos. Esses harmônicos se manifestam como aquecimento dos ímãs e do núcleo, enquanto os componentes de cobre não conseguem dissipar o calor. Quando o calor se acumula nos ímãs e núcleos de ferro, a eficiência diminui, e é por isso que otimizar a forma de onda e o caminho do calor é crucial para o desempenho do motor.
O design do motor foi otimizado para reduzir custos e alcançar a produção em massa automatizada. Um anel de carcaça extrudado não requer processamento mecânico complexo e pode reduzir os custos de material. A bobina pode ser enrolada diretamente e um processo de colagem é usado durante o enrolamento para manter o formato correto do conjunto.
O ponto principal é que a bobina é feita de fio padrão disponível comercialmente, enquanto o núcleo de ferro é laminado com aço padrão de transformadores, disponível no mercado, que simplesmente precisa ser cortado no formato desejado. Outros projetos de motores exigem o uso de materiais magnéticos macios na laminação do núcleo, o que pode ser mais caro.
O uso de enrolamentos distribuídos significa que o aço magnético não precisa ser segmentado; eles podem ter formatos mais simples e ser mais fáceis de fabricar. Reduzir o tamanho do aço magnético e garantir sua facilidade de fabricação tem um impacto significativo na redução de custos.
O design deste motor de fluxo axial também pode ser personalizado de acordo com as necessidades do cliente. Os clientes têm versões personalizadas desenvolvidas com base no design básico. Em seguida, são fabricadas em uma linha de produção experimental para verificação antecipada da produção, podendo ser replicadas em outras fábricas.
A personalização ocorre principalmente porque o desempenho do veículo depende não apenas do design do motor de fluxo magnético axial, mas também da qualidade da estrutura do veículo, da bateria e do BMS.
Horário da publicação: 28/09/2023
