Os motores CA de fluxo radial oferecem alguns benefícios de desempenho e embalagem, mas também trazem alguns problemas térmicos e de fabricação.
A Parte 1 desta série examinou detalhadamente o motor de fluxo axial (AFM) e o comparou com o motor de fluxo radial (RFM), amplamente utilizado. A Parte 2 deste FAQ continuou a exploração de AFMs e RFMs. Esta parte final do FAQ analisa algumas questões do mundo real associadas à adoção de AFMs.
P: Que factor pode acelerar a adesão aos AFM?
A: Existem vários fatores. Primeiro, existem aplicações como os VEs que poderiam se beneficiar do desempenho e do empacotamento dos AFMs, como os VEs. Além disso, o projeto AFM é bastante auxiliado por novas ferramentas CAD/FEA para análise do campo EM e caminhos de fluxo, desempenho de materiais, tolerância a erros, desempenho térmico e outras considerações. Novas técnicas, incluindo o uso de metais motorizados para a fabricação de ímãs, oferecem nova flexibilidade de produção. Finalmente, existem novas formas de montar as peças necessárias e laminações das partes não enroladas do motor.
P: Os AFMs estão disponíveis em unidades prontas para uso com tamanho, potência e desempenho padronizados como os RFMs?
A: Não, não são, mas isso pode não ser um impedimento. Aplicações potenciais de alto volume, como EVs, exigirão projetos AFM personalizados que são altamente otimizados para atender à sua combinação única de requisitos, e terão o volume para suportar um projeto e fabricação personalizados. Muitas empresas estão trabalhando em abordagens inovadoras para o projeto de AFM, alegando (ou pelo menos esperando) oferecer um projeto superior do ponto de vista de desempenho, fabricação e custo.
P: Quem são alguns desses fornecedores de AFMs?
A: Existem muitas start-ups e pequenos fornecedores que estão realizando um trabalho significativo nesta área:
A Mercedes-Benz afirma que o AFM projetado por sua subsidiária YASA aumenta a densidade de potência em mais de 30% e oferece um benefício de alcance de 5% em relação aos RFMs que normalmente alimentam EVs do mercado de massa. Uma fábrica reaproveitada da Mercedes-Benz em Berlim construirá motores de fluxo axial para a plataforma elétrica AMG da montadora. O principal desafio será adaptar as várias etapas de fabricação de montagem, produção e soldagem ao novo design e aprender a manusear os materiais compósitos magnéticos macios que eles usam.
A Triaxial, uma subsidiária da Magmax BV, com sede na Bélgica, também desenvolveu AFMs voltados para EVs e aeronaves de mobilidade elétrica (e-táxis, aeronaves pequenas). Eles têm um design proprietário sem garfo que afirmam ser mais eficiente, mais leve e mais fácil de fabricar.
A Infinitum (Round Rock, TX) afirma que seu inovador AFM de 10 cavalos de potência usa 66% menos cobre, tem 50% do tamanho e peso e usa 10% menos energia do que um motor RFM comparável. Estas são afirmações impressionantes, é certo, para um motor de menor potência.
Além de oferecer software CAD para projeto de motores, a ECM PCB Stator Tech (Needham, MA) está desenvolvendo uma abordagem exclusiva para o estator. Em vez de usar bobinas enroladas, eles estão investigando AFMs com estatores usando placas de circuito impresso com núcleo de ar. Os estatores PCB da ECM substituem os enrolamentos de cobre encontrados em máquinas elétricas convencionais por um estator ultrafino, economizando espaço e permitindo mais flexibilidade no projeto, otimização e fabricação.
Observe que os fabricantes estabelecidos de RFM não estão ignorando os desafios levantados pelos AFMs. Por exemplo, a Magnetic Innovations afirma que as suas melhorias nos RFMs os tornam funcionalmente competitivos com os AFMs, ao mesmo tempo que utilizam processos de fabrico existentes de baixo custo.
P: Tesla é um grande usuário de motores; que tipo eles usam e são AFMs?
A: A maioria dos EVs Tesla usa um motor síncrono CA de ímã permanente refrigerado a líquido, com acionamento de frequência variável para a parte traseira, e um motor de indução CA, também refrigerado a líquido e com acionamento de frequência variável para a tração dianteira. Nenhum dos motores é um AFM, embora eles estejam explorando seu uso.
Os AFMs podem permitir que o motor seja montado no próprio conjunto da roda, o que apresenta algumas vantagens de design e produção, mas isso também aumenta o peso não suspenso, o que degrada o manuseio do veículo, o conforto de condução e outros aspectos de controle.
P: Finalmente, qual é o acionamento elétrico de um AFM comparado a um RFM?
A: A mesma eletrônica do inversor de frequência variável (VFD) é usada, mas os algoritmos do inversor são ligeiramente reajustados para combinar com as diferenças de desempenho. Os primeiros VFDs eram todos analógicos, mas em grande parte se tornaram obsoletos por causa dos digitais controlados por processador. O VFD cria digitalmente uma onda senoidal a partir de um fluxo de pulsos de frequência mais alta e modulação por largura de pulso (PWM) (Figura 1). O VFD também modula a aceleração e a desaceleração nas sequências de inicialização e desligamento para minimizar a corrente de partida, surtos, vibração e possíveis danos por choque ao motor ou à sua carga.
O VFD define, controla e altera a frequência desta onda senoidal de acordo com o que o motor está sendo solicitado a fazer. Um amplificador no VFD aumenta esse sinal senoidal para a tensão e a corrente necessárias para alimentar o motor. A frequência portadora de um VFD é a frequência da comutação PWM e normalmente varia de 2 kHz a 20 kHz.
Esta saída PWM de alta frequência é então usada para criar a onda senoidal de frequência mais baixa e fornece a saída de frequência variável ao motor; essa frequência normalmente varia de 0 Hz a 400 Hz. O tamanho físico e a embalagem de um VFD de uso geral para aplicações industriais fixas variam de uma caixa pequena a um gabinete grande, dependendo da tensão, corrente e nível de potência necessários (Figura 2).
Em contraste, o inversor VFD para uma aplicação especial, como um motor ou motores EV, será um projeto personalizado com atributos e desempenho que correspondem perfeitamente ao RFM ou AFM específico usado, bem como aos muitos mandatos de segurança automotiva e ambiente operacional. Além disso, a embalagem será projetada para se adequar ao espaço e localização disponíveis no veículo, bem como para lidar com os problemas térmicos e temperaturas extremas de um veículo.
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Referências Externas
Universidade Estadual de Iowa, “Características do Motor”
YASA, “Fluxo axial: O futuro da propulsão de veículos elétricos de desempenho”
Engenharia de E-Mobilidade, “Motores de fluxo axial”
Stanford Magnets, “Uma visão geral do motor de fluxo axial e do ímã do motor de fluxo axial”
Magnet Academy, National Mag Lab, “Davenport Motor – 1834”
Eaton, “Por que a densidade de torque é importante para o projeto da máquina”
horizonte Equipar, “Projeto de motor elétrico: fluxo radial vs. axial e transversal”
Triaxial BV, “Motor de Fluxo Axial vs Motor de Fluxo Radial: Um Foco na Orientação do Campo Magnético”
Triaxial BV, “Por que nem todos os motores de veículos elétricos têm fluxo axial (ainda)?”
Inovações Magnéticas, “O que é um motor de ímã permanente de fluxo radial?”
Armazenáveis, “Qual motor elétrico o Tesla usa?”
Tesla, “Subsistemas: Tipos e especificações de motores”
European Journal of Electrical Engineering, junho de 2014, “Modelagem magnética de motores de ímã permanente de fluxo radial e axial para motores de acionamento direto automotivos. Especificações e comparação”
Laboratório Nacional de Oak Ridge, “Uma comparação de máquinas de fluxo radial e axial de rotor externo para aplicação em veículos elétricos”
Kilowatt Classroom LLC, “Fundamentos da unidade de frequência variável”
VFDS.org, “Unidades de frequência variável”