Em comparação com os motores de fluxo radial, os motores de fluxo axial apresentam muitas vantagens no projeto de veículos elétricos. Por exemplo, os motores de fluxo axial permitem alterar o projeto do conjunto motopropulsor, movendo o motor do eixo para a parte interna das rodas.
1. Eixo de potência
Motores de fluxo axialestão recebendo cada vez mais atenção (ganham força). Por muitos anos, esse tipo de motor foi 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 apresentaram avanços 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 fluxo axial com ímãs permanentes é a superfície do rotor do motor, e não o diâmetro externo. Portanto, em um determinado volume de motor, os motores de fluxo axial com ímãs permanentes geralmente podem fornecer maior torque.
Motores de fluxo axialSão mais compactos; comparados aos motores radiais, o comprimento axial do motor é muito menor. Para motores de roda interna, 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 superior a 96%. Isso se deve ao percurso de fluxo unidimensional mais curto, que é comparável ou até mesmo superior em eficiência em comparação com os 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 alteraram a escolha dos projetistas de plataformas para veículos elétricos.
2. Tecnologia de fluxo axial
Existem duas topologias principais paramotores de fluxo axial: rotor duplo com estator único (às vezes chamadas de máquinas do tipo toroide) e rotor único com estator duplo.
Atualmente, a maioria dos motores de ímã permanente utiliza a topologia de fluxo radial. O circuito de fluxo magnético começa com um ímã permanente no rotor, passa pelo primeiro dente do estator e, em seguida, flui radialmente ao longo do estator. Depois, passa pelo segundo dente para alcançar o segundo núcleo magnético no rotor. Em uma topologia de fluxo axial com rotor duplo, o circuito de fluxo começa no primeiro ímã, passa axialmente pelos dentes do estator e alcança imediatamente o segundo ímã.
Isso significa que o percurso do fluxo é muito mais curto do que o dos motores de fluxo radial, resultando em volumes de motor menores, maior densidade de potência e eficiência com a mesma potência.
Em um motor radial, 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 percurso do fluxo magnético em uma máquina de fluxo magnético axial é unidimensional, portanto, pode-se utilizar aço elétrico com grãos orientados. Esse aço facilita a passagem do fluxo, melhorando assim a eficiência.
Os motores de fluxo radial tradicionalmente utilizam enrolamentos distribuídos, com até metade das extremidades do enrolamento sem função. Essa saliência da bobina resulta em peso adicional, custo, resistência elétrica e maior perda de calor, forçando os projetistas a aprimorarem o projeto do enrolamento.
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 acarretar perdas adicionais, mas para motores de fluxo axial, isso não representa um problema. O projeto do enrolamento da bobina é fundamental para diferenciar a qualidade dos fornecedores.
3. Desenvolvimento
Os motores de fluxo axial enfrentam alguns desafios sérios em termos de projeto e produção, e apesar de suas vantagens tecnológicas, seus custos são muito mais elevados do que os dos motores radiais. Existe um conhecimento bastante aprofundado sobre motores radiais, e os métodos de fabricação e os equipamentos mecânicos também são facilmente acessíveis.
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, pois o enrolamento está localizado profundamente dentro do estator e entre os dois discos do rotor, tornando a dissipação de calor muito difícil.
Os motores de fluxo axial também são difíceis de fabricar por vários motivos. A máquina de rotor duplo, que utiliza uma topologia de rotor duplo com culatras (ou seja, removendo a culatra de ferro do estator, mas mantendo os dentes de ferro), supera alguns desses problemas sem aumentar o diâmetro do motor e o tamanho do ímã.
No entanto, a remoção do garfo traz novos desafios, como a fixação e o posicionamento de dentes individuais sem a conexão mecânica do garfo. O resfriamento também representa 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 meio de um anel de eixo, de modo que as forças se cancelam mutuamente. Isso significa que o rolamento interno não suporta essas forças e sua única função é manter o estator na posição central entre os dois discos do rotor.
Os motores de rotor único com duplo estator 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 dos motores de fluxo radial tradicionais, 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 robustez de diferentes modelos é fundamental.motores 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, 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 projetada para ser ligeiramente "superdimensionada". Felizmente, o motor de fluxo axial tem uma massa de rotor menor e pode suportar cargas dinâmicas no 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 de motores axiais. A menor largura permite encapsular o motor e a caixa de engrenagens no próprio 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 a eficiência do mesmo. Devido à eliminação de transmissões, diferenciais e eixos de transmissão, a complexidade do sistema também foi reduzida.
No entanto, parece que ainda não surgiram configurações padrão. Cada fabricante de equipamento original está pesquisando configurações específicas, já 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 utilizados. Isso proporciona 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 2000 a 9000 rpm.
Utilizando um controlador dedicado, ele pode fornecer uma corrente de 200 kVA para o motor. O controlador tem um volume de aproximadamente 5 litros e pesa 5,8 quilogramas, incluindo gerenciamento térmico com resfriamento por óleo dielétrico, sendo adequado para motores de fluxo axial, bem como para motores de indução e de fluxo radial.
Isso permite que os fabricantes de equipamentos originais (OEMs) de veículos elétricos e os desenvolvedores de primeiro nível escolham, de forma flexível, o motor mais adequado com base na aplicação e no espaço disponível. O tamanho e o peso reduzidos tornam o veículo mais leve e permitem a utilização de 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 mais comum para esse tipo de veículo é o de fluxo axial CC com escovas, enquanto o novo produto é um motor CA sem escovas, totalmente selado.
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 pode usar controladores de motor CA trifásicos padrão para motores radiais. Isso ajuda a reduzir custos, pois o controlador controla a corrente de torque, e não a velocidade. O controlador requer uma frequência de 12 kHz ou superior, que é a frequência mais comum para esses dispositivos.
A frequência mais alta resulta da menor indutância do enrolamento, de 20 µH. A frequência pode controlar a corrente para minimizar a ondulação e garantir um sinal senoidal o mais suave possível. Do ponto de vista dinâmico, essa é uma ótima maneira de obter um controle mais suave do motor, permitindo mudanças rápidas de torque.
Este projeto adota um enrolamento distribuído de dupla camada, de modo que o fluxo magnético flui do rotor para outro rotor através do estator, com um percurso muito curto e maior eficiência.
A principal vantagem deste 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 em sistemas elétricos convencionais de 48 V e simplifica os trabalhos de manutenção.
As especificações da motocicleta de quatro rodas L7e no Regulamento Quadro Europeu 2002/24/CE estipulam que o peso dos veículos utilizados para o transporte de mercadorias não deve exceder 600 quilogramas, excluindo o peso das baterias. Esses veículos podem transportar no máximo 200 quilogramas de passageiros, no máximo 1000 quilogramas de carga e no máximo 15 quilowatts de potência do motor. O método de enrolamento distribuído pode fornecer um torque de 75-100 Nm, com uma potência máxima de saída de 20-25 kW e uma potência contínua de 15 kW.
O desafio do fluxo axial reside na forma 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 polares. Dessa forma, há uma área de superfície maior entre o cobre e a carcaça, e o calor pode ser transferido para o exterior e dissipado por um sistema de refrigeração líquida padrão.
A utilização de múltiplos polos magnéticos é fundamental para a obtenção de formas de onda sinusoidais, que ajudam a reduzir os harmônicos. Esses harmônicos se manifestam como aquecimento dos ímãs e do núcleo, e os componentes de cobre não conseguem dissipar o calor. Quando o calor se acumula nos ímãs e nos núcleos de ferro, a eficiência diminui, razão pela qual a otimização da forma de onda e do caminho do calor é crucial para o desempenho do motor.
O projeto do motor foi otimizado para reduzir custos e viabilizar a produção em massa automatizada. Um anel de carcaça extrudado dispensa processamento mecânico complexo e pode reduzir custos de material. A bobina pode ser enrolada diretamente e um processo de colagem é utilizado durante o enrolamento para manter o formato correto da montagem.
O ponto crucial é que a bobina é feita de fio comercial padrão, enquanto o núcleo de ferro é laminado com aço padrão para transformadores, que precisa apenas 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; ele pode ter formatos mais simples e ser mais fácil de fabricar. Reduzir o tamanho do aço magnético e garantir sua facilidade de fabricação tem um impacto significativo na redução de custos.
O projeto deste motor de fluxo axial também pode ser personalizado de acordo com as necessidades do cliente. Os clientes podem solicitar o desenvolvimento de versões personalizadas a partir do projeto básico. Em seguida, essas versões são fabricadas em uma linha de produção experimental para verificação inicial da produção, podendo ser replicadas em outras fábricas.
A personalização se deve principalmente ao fato de que o desempenho do veículo depende não apenas do projeto do motor de fluxo magnético axial, mas também da qualidade da estrutura do veículo, do conjunto de baterias e do BMS (Sistema de Gerenciamento de Bateria).
Data da publicação: 28/09/2023
