Resfriamento dos motores elétricos nos veículos elétricos
Um motor de tração de um veículo elétrico pode ser altamente eficiente e, ainda assim, gerar vários quilowatts de calor quando fornece potência elevada. O resfriamento determina por quanto tempo a unidade de propulsão consegue manter o torque e a potência sem ultrapassar os limites dos enrolamentos, ímãs, rotor, rolamentos, lubrificante, inversor ou vedações.
De onde vem o calor
A corrente que atravessa os enrolamentos do estator provoca perdas no cobre proporcionais ao quadrado da corrente e à resistência dos enrolamentos. O aço elétrico acrescenta perdas por histerese e por correntes parasitas à medida que seu campo magnético muda. Correntes parasitas podem surgir nos ímãs permanentes e em outras peças condutoras do rotor, enquanto uma gaiola de indução ou um rotor eletricamente excitado tem suas próprias perdas resistivas.
Rolamentos, vedações, engrenagens, bombas de óleo, agitação do óleo e resistência do ar acrescentam perdas mecânicas. O inversor gera separadamente calor nos semicondutores e componentes passivos, muitas vezes ao lado do motor em uma unidade de propulsão integrada.
A distribuição das perdas varia ao longo do mapa de rotação e torque. Uma corrente elevada faz com que o calor dos enrolamentos predomine em muitos pontos de baixa rotação e alto torque. As perdas no ferro e nos ímãs, as perdas aerodinâmicas, de chaveamento e mecânicas se tornam mais importantes à medida que aumentam a frequência elétrica e a velocidade de rotação.
Potência de pico não é potência contínua
A massa térmica do motor consegue absorver uma breve descarga de calor, permitindo a potência de pico durante a aceleração. Para fornecer potência contínua, o sistema de resfriamento precisa rejeitar o calor com a mesma rapidez com que a unidade de propulsão o produz, sob condições definidas de líquido de arrefecimento, temperatura do ar e velocidade.
Quando as temperaturas estimadas se aproximam de um limite, o software de controle reduz a corrente ou a potência. Essa limitação térmica protege o isolamento dos enrolamentos, a coercividade dos ímãs, as estruturas do rotor, a eletrônica de potência, o lubrificante e os rolamentos. Assim, dois veículos elétricos com a mesma potência de pico em quilowatts podem se comportar de maneiras diferentes durante acelerações repetidas, em alta velocidade constante, em subidas, ao rebocar, em pista ou sob clima quente.
Os sensores de temperatura não conseguem cobrir todos os pontos quentes. Os controladores combinam as medições com modelos térmicos que estimam as temperaturas dos enrolamentos, rotor, ímãs e junções dos semicondutores. Um modelo conservador deixa desempenho sem uso; um modelo otimista traz o risco de envelhecimento acelerado ou falha.
Resfriamento a ar e da carcaça
O resfriamento a ar remove calor da carcaça do motor por meio de um fluxo de ar natural ou impulsionado por uma ventoinha. É simples e dispensa tubulações de líquido, mas a capacidade do ar de transferir calor é limitada. É mais adequado a máquinas de menor potência, motores auxiliares ou ciclos de uso com carga contínua moderada do que a uma unidade de tração compacta e de alta potência.
O próximo passo habitual é uma camisa de água e glicol ao redor da carcaça do estator. O líquido de arrefecimento circula por canais fundidos ou usinados e transfere o calor para um radiador ou outro circuito térmico do veículo. Essa solução consolidada mantém o fluido condutor fora da cavidade elétrica.
Seu ponto fraco é o percurso térmico. O calor do cobre precisa atravessar o isolamento, o material de impregnação, as laminações do estator, as interfaces da carcaça e a parede da camisa. Melhorar o contato e a condutividade dos materiais pode ajudar, mas a camisa externa continua fisicamente separada dos pontos quentes dos enrolamentos.
Resfriamento por óleo perto da fonte de calor
Um óleo eletricamente compatível pode ser pulverizado sobre as cabeças dos enrolamentos, direcionado por canais do estator, circulado por um eixo oco ou usado para resfriar o rotor e os rolamentos. Uma unidade de propulsão pode usar o mesmo fluido-base para lubrificar as engrenagens e resfriar o motor, com bombas, jatos, retorno, filtragem e um trocador de calor entre o líquido de arrefecimento e o óleo para controlar o circuito.
O óleo próximo do cobre encurta o percurso térmico e pode aumentar a densidade de corrente contínua admissível. O resfriamento do rotor por óleo é especialmente útil quando o rotor produz uma quantidade significativa de calor ou quando a temperatura dos ímãs é crítica.
O resfriamento direto por óleo também introduz resistência viscosa, consumo das bombas e exigências de aeração, filtragem, vedação e compatibilidade dos materiais. O fluxo precisa alcançar todas as regiões quentes sem inundar peças que provoquem perdas excessivas por agitação. As propriedades elétricas do óleo e seu envelhecimento precisam permanecer aceitáveis ao longo de toda a vida útil.
Resfriamento direto dos enrolamentos e das ranhuras
O resfriamento direto dos enrolamentos coloca um trocador de calor ou um canal de líquido de arrefecimento em contato imediato com o condutor, ou muito perto dele. Os conceitos incluem trocadores de calor nas ranhuras, óleo em canais de ranhura vedados, elementos de resfriamento condutores ao lado do enrolamento e condutores ocos que transportam internamente o líquido de arrefecimento.
Essas abordagens contornam parte da resistência térmica do isolamento e do núcleo do estator. Pesquisas e protótipos mostram grande potencial para aumentar a densidade de corrente e a densidade de potência do motor, mas ampliam o escopo da engenharia: isolamento elétrico, queda de pressão, equilíbrio do fluxo, corrosão, detecção de vazamentos, junções, tolerâncias de fabricação e reparo passam a fazer parte do projeto do enrolamento.
Os condutores ocos oferecem o percurso mais curto entre o calor do cobre e o líquido de arrefecimento, mas sacrificam parte da seção condutora e exigem conexões de fluido confiáveis para cada percurso paralelo. Eles devem ser considerados uma arquitetura avançada, não um recurso comum dos atuais veículos elétricos de passageiros.
Resfriamento do rotor e do eixo
Um rotor de indução gera perdas na gaiola, um rotor eletricamente excitado gera perdas no enrolamento de campo e os ímãs permanentes podem precisar de proteção contra o calor e as perdas por correntes parasitas. O resfriamento pode chegar ao rotor por meio de óleo no entreferro, jatos internos, um eixo oco ou por condução através do eixo e dos rolamentos.
Levar líquido de arrefecimento a um conjunto rotativo acrescenta requisitos relacionados ao comportamento centrífugo do fluxo, vedações rotativas, balanceamento, pressão e fadiga. O benefício térmico precisa justificar esses custos mecânicos e de confiabilidade.
Gerenciamento térmico integrado da unidade de propulsão
O motor, o inversor, a caixa de redução e o diferencial funcionam melhor em temperaturas diferentes e usam fluidos distintos. Um eixo elétrico compacto pode combinar um circuito de água e glicol para a carcaça do estator e o inversor com um circuito de óleo para as engrenagens, rolamentos, rotor e enrolamentos. Um trocador de calor conecta os circuitos sem misturar os fluidos.
A integração encurta os cabos e reduz o espaço necessário, mas também interliga as fontes de calor. O óleo quente pode afetar a eficiência das engrenagens de maneira diferente dos enrolamentos do motor, enquanto o inversor pode precisar de uma temperatura do líquido de arrefecimento inferior à da carcaça do motor. Bombas, válvulas, desvios e software encaminham o calor de acordo com as necessidades durante o aquecimento, a condução, o carregamento e as solicitações elevadas.
O próprio sistema de resfriamento consome energia. Ao comparar projetos, é preciso incluir o consumo das bombas e ventoinhas, bem como o arrasto do óleo. O resfriamento máximo o tempo todo raramente é a solução mais eficiente; uma vazão variável deve fornecer a rejeição de calor exigida pelo ciclo de uso naquele momento.
Confiabilidade e manutenção
O resfriamento avançado transfere parte do risco da temperatura para as tubulações e os materiais. Os engenheiros precisam considerar a vida útil das vedações, a porosidade das mangueiras e peças fundidas, a corrosão galvânica, a condutividade do líquido de arrefecimento, a oxidação do óleo, a obstrução dos filtros, os detritos, o desgaste das bombas, a proteção contra congelamento, os danos por colisão e a detecção de vazamentos.
Um motor com resfriamento direto pode produzir mais potência contínua com menos material ativo, mas a manutenção pode ser mais complexa se o enrolamento, o rotor e o circuito de óleo formarem um conjunto inseparável. Os testes de durabilidade precisam abranger ciclos de pressão e temperatura, vibração, rotação excessiva, contaminação e a interação química entre o fluido, o isolamento, os adesivos, os ímãs e as vedações.
O que os motoristas podem deduzir
A maioria das especificações dos veículos elétricos não publica a vazão do líquido de arrefecimento, a temperatura dos enrolamentos nem uma potência contínua do motor. Testes repetíveis de aceleração, o comportamento em alta velocidade constante, os limites de reboque e as orientações para uso em pista podem revelar parte da estratégia térmica, mas não permitem isolar o resfriamento do motor dos limites da bateria e do inversor.
Os dados mais relevantes do fabricante indicariam a duração da potência de pico, a potência contínua em temperaturas definidas do líquido de arrefecimento e do ambiente, a rotação máxima do motor, o método de resfriamento e se a classificação se aplica apenas ao motor ou à unidade de propulsão completa.
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