Motores de ímãs permanentes de fluxo axial

Axial-flux motors estão surgindo como uma das tecnologias de motor elétrico mais importantes para VE de alto desempenho. Em comparação com os motores radiais convencionais, eles podem entregar torque e potência muito altos em um conjunto muito mais fino. Isso os torna especialmente atraentes para carros esportivos e VE de desempenho, em que espaço, peso, estabilidade térmica e acelerações repetidas importam tanto quanto a potência de pico.

Um motor de ímãs permanentes de fluxo axial, frequentemente abreviado para motor AFPM, usa o mesmo princípio eletromagnético básico de um Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM) convencional, mas organiza o circuito magnético de forma diferente. Em vez de construir o motor como um cilindro longo, um motor de fluxo axial tem formato mais parecido com um disco fino.

Uma forma simples de visualizar a diferença é esta: um motor de fluxo radial funciona como um cilindro, enquanto um motor de fluxo axial funciona como um par de discos magnéticos voltados um para o outro.

Como Funciona

Em um Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM) convencional, o caminho principal do fluxo magnético corre perpendicularmente ao eixo de rotação. Em um motor de fluxo axial, o caminho principal do fluxo corre paralelo ao eixo. O resultado é um motor com formato de disco fino, em vez de um cilindro longo.

Layout do rotor e do estator: Os componentes centrais de um motor AFPM são discos planos. O layout mais comum no uso automotivo de alto desempenho é a configuração em H, também chamada de topologia yokeless-and-segmented-armature (YASA). Dois discos de rotor com ímãs permanentes ficam em cada lado de um disco central do estator, “sanduichando-o” pela esquerda e pela direita.

Circuito magnético: Os ímãs permanentes nos dois discos do rotor ficam de frente para o estator dos dois lados ao mesmo tempo. O fluxo magnético passa diretamente de um rotor, atravessa o enrolamento do estator e entra no rotor oposto. Isso cria um caminho magnético curto e com baixas perdas. Não há ferro de retorno convencional atrás dos ímãs, razão pela qual essa topologia é chamada de "yokeless".

Enrolamento do estator: O estator é formado por segmentos enrolados individualmente, dispostos em um anel ao redor do eixo. Cada segmento é uma bobina separada. Isso simplifica o enrolamento, a refrigeração e a montagem em comparação com um estator radial contínuo, mas também exige fabricação precisa e controle rigoroso de tolerâncias.

Comutação e controle: Como qualquer motor síncrono, um motor AFPM requer comutação eletrônica. Um inversor de alto desempenho fornece corrente alternada trifásica às bobinas do estator. O feedback de posição de um resolver ou encoder permite o controle orientado pelo campo para manter o campo do estator alinhado com os ímãs do rotor.

Produção de torque: Como ambas as faces do rotor contribuem para o torque simultaneamente e os ímãs ficam próximos ao diâmetro externo do disco, o braço de alavanca efetivo é grande para uma dada massa do motor. Esta é a principal razão pela qual motores AFPM podem atingir densidade de torque muito alta.

Por que Isso Importa em VE

Para os fabricantes de VE, o principal atrativo dos motores de fluxo axial não é apenas a alta potência de pico. O formato fino do motor pode facilitar o empacotamento de todo o trem de força, especialmente em carros de desempenho com múltiplos motores. Ele também permite aos engenheiros posicionar mais material magnético ativo mais distante do eixo de rotação, aumentando o torque sem alongar o motor.

Para os motoristas, o benefício aparece como forte desempenho de arrancada, resposta rápida de torque e melhor repetibilidade durante condução intensa. Assim, a tecnologia provavelmente surgirá primeiro em VE de desempenho caros, antes de se tornar comum em modelos de grande volume.

Motores de fluxo axial são especialmente úteis quando um fabricante deseja combinar alta potência com empacotamento compacto. É por isso que a tecnologia é atraente para VE de desempenho, carros esportivos elétricos, hipercarros híbridos e aplicações em que o comprimento do trem de força é limitado.

Motores de Fluxo Axial vs Motores de Fluxo Radial

Vantagens

Alta densidade de torque e potência: Um motor AFPM pode entregar mais torque por quilograma e por litro do que um PMSM de fluxo radial com potência comparável. O caminho magnético curto e o grande diâmetro ativo permitem que o motor produza torque forte em um conjunto muito compacto. No Mercedes-AMG GT 4-Door Coupé, os motores de fluxo axial têm apenas alguns centímetros de largura, mas cada motor pode entregar várias centenas de quilowatts, dependendo da aplicação.

Alto potencial de potência contínua: Com o design certo de refrigeração direta, um motor AFPM pode sustentar uma alta fração de sua potência de pico por mais tempo do que muitas máquinas compactas de fluxo radial. Isso torna a tecnologia muito adequada a aplicações que exigem aceleração repetida em plena carga, como uso em pista, onde um motor convencional pode precisar reduzir a saída à medida que as temperaturas aumentam.

Empacotamento compacto: O formato de disco fino libera espaço ao longo do eixo de tração. Isso é útil para trens de força em que dois motores compartilham um eixo comum, ou em que o motor precisa caber entre o pack da bateria e as rodas sem aumentar o entre-eixos.

Menor inércia do rotor: Um rotor em formato de disco pode ter menor inércia rotacional do que um rotor cilíndrico longo. O motor pode responder rapidamente aos comandos de torque, contribuindo para resposta precisa ao acelerador e entrega de potência mais exata.

Eficiência potencialmente alta: O caminho curto do fluxo magnético pode reduzir algumas perdas, e o layout compacto dos enrolamentos pode ajudar a reduzir o uso de cobre. No entanto, a eficiência real depende do projeto completo do motor, do inversor, do sistema de refrigeração e do ponto de operação. Motores de fluxo axial não são automaticamente mais eficientes em todas as situações de condução.

Limitações

Materiais de terras raras: Como a maioria dos motores de ímãs permanentes de alto desempenho, um motor AFPM usa ímãs de terras raras como neodímio-ferro-boro (NdFeB) ou samário-cobalto (SmCo). Esses ímãs são caros, e a cadeia de suprimentos é concentrada em um número limitado de países.

Complexidade mecânica: A configuração H com dois rotores aplica grandes forças axiais ao estator pelos dois lados. A carcaça do motor precisa absorver essas forças sem permitir que o entreferro entre rotor e estator mude. Isso eleva o nível exigido de projeto de rolamentos, rigidez da carcaça, precisão de montagem e tolerâncias de fabricação.

Caminho térmico através do disco do estator: Um motor de fluxo radial pode resfriar o estator por meio de uma jaqueta de água ao redor da parte externa da carcaça. Em um motor AFPM, o estator fica “sanduichado” entre dois rotores, então a refrigeração precisa chegar diretamente às bobinas do estator. Projetos de alto desempenho normalmente usam refrigeração direta a óleo, pulverizado sobre ou através das bobinas segmentadas, o que adiciona tubulações, bombas, requisitos de vedação e complexidade de gerenciamento térmico.

Custo e escalabilidade: Motores AFPM ainda são menos maduros em produção em massa do que motores convencionais de fluxo radial. O estator segmentado, o controle preciso do entreferro, o posicionamento dos ímãs e o sistema de refrigeração direta podem aumentar o custo, especialmente antes que os volumes de produção cresçam.

Novos processos de fabricação: Estampar discos de rotor, alinhar os ímãs, bobinar o estator segmentado e controlar entreferros muito pequenos exigem técnicas de produção que tradicionalmente não faziam parte da fabricação convencional de motores elétricos. A Mercedes-Benz informou que cerca de 65 das aproximadamente 100 etapas de produção usadas para construir seus motores de fluxo axial na planta de Berlin-Marienfelde são novas, com muitas descritas como world firsts.

Arrasto ao rolar livremente: Como todos os motores de ímãs permanentes, um motor AFPM pode produzir arrasto quando o rotor está girando sem energia, porque os ímãs continuam a induzir tensão nas bobinas do estator. Alguns VE reduzem essa perda desconectando mecanicamente o motor quando ele não é necessário, especialmente em um eixo secundário.

Uso em Veículos Elétricos de Produção

O Mercedes-AMG GT 4-Door Coupé é um dos primeiros carros elétricos a bateria de produção em série a usar motores de fluxo axial como seus principais motores de tração. O carro usa três motores de fluxo axial desenvolvidos pela YASA: um no eixo dianteiro e dois no eixo traseiro, integrados em uma Rear High-Performance Electric Drive Unit e uma unidade de tração dianteira. Na variante GT 63, a potência máxima do sistema é de até 860 kW.

A YASA é uma especialista britânica em motores elétricos adquirida pela Mercedes-Benz em julho de 2021. Sua tecnologia de fluxo axial foi desenvolvida para futuros VE de desempenho da Mercedes-AMG, nos quais alta densidade de potência, empacotamento compacto e desempenho repetível são objetivos centrais de projeto.

Outros fabricantes de alto desempenho também demonstraram interesse em projetos de fluxo axial. A Ferrari indicou a tecnologia de motor de fluxo axial para seu programa Elettrica, enquanto a Koenigsegg usa o motor Quark, compacto e de fluxo axial, no Gemera. Essas aplicações mostram onde a tecnologia faz mais sentido atualmente: veículos caros e focados em desempenho, nos quais tamanho compacto e alta potência justificam a complexidade adicional.

Resumo

Motores de fluxo axial oferecem uma forma diferente de empacotar um motor de tração elétrica. Ao organizar o fluxo magnético ao longo do eixo de rotação, em vez de através dele, eles podem entregar torque e potência muito altos em um conjunto fino, em formato de disco.

A tecnologia não é uma substituta universal para motores de fluxo radial. Ela traz desafios em refrigeração, fabricação, custo, controle de entreferro e uso de ímãs de terras raras. No entanto, para VE de alto desempenho, as vantagens são significativas. Motores de fluxo axial permitem aos engenheiros concentrar mais potência em menos espaço, melhorar a resposta de torque e suportar condução repetida sob alta carga.

Por essa razão, motores de fluxo axial provavelmente se tornarão uma tecnologia importante na próxima geração de carros elétricos de desempenho antes de se espalharem gradualmente para segmentos mais amplos de VE à medida que a produção escala e os custos caem.

Saiba mais

Assista a este vídeo da Munro Live para uma análise mais profunda do design e da fabricação de motores de fluxo axial.