Arrefecimento 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 uma potência elevada. O arrefecimento determina durante quanto tempo a unidade motriz consegue manter o binário e a potência sem ultrapassar os limites dos enrolamentos, ímanes, rotor, rolamentos, lubrificante, inversor ou vedantes.
De onde provém 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 correntes de Foucault à medida que o seu campo magnético muda. Podem desenvolver-se correntes de Foucault nos ímanes permanentes e noutras peças condutoras do rotor, enquanto uma gaiola de indução ou um rotor de excitação elétrica tem as suas próprias perdas resistivas.
Os rolamentos, vedantes, engrenagens, bombas de óleo, agitação do óleo e resistência aerodinâmica acrescentam perdas mecânicas. O inversor gera separadamente calor nos semicondutores e componentes passivos, muitas vezes junto ao motor numa unidade motriz integrada.
A distribuição das perdas varia ao longo do mapa de velocidade e binário. Uma corrente elevada faz com que o calor dos enrolamentos predomine em muitos pontos de baixa velocidade e binário elevado. As perdas no ferro e nos ímanes, as perdas aerodinâmicas, de comutação e mecânicas tornam-se mais importantes à medida que aumentam a frequência elétrica e a velocidade de rotação.
A 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 arrefecimento tem de rejeitar o calor tão depressa quanto a unidade motriz o produz, sob condições definidas de líquido de refrigeração, temperatura do ar e velocidade.
Quando as temperaturas estimadas se aproximam de um limite, o software de controlo reduz a corrente ou a potência. Esta limitação térmica protege o isolamento dos enrolamentos, a coercividade dos ímanes, as estruturas do rotor, a eletrónica de potência, o lubrificante e os rolamentos. Por conseguinte, dois veículos elétricos com a mesma potência de pico em quilowatts podem comportar-se de forma diferente durante acelerações repetidas, a alta velocidade constante, em subidas, ao rebocar, em pista ou com tempo quente.
Os sensores de temperatura não conseguem abranger todos os pontos quentes. Os controladores combinam as medições com modelos térmicos que estimam as temperaturas dos enrolamentos, rotor, ímanes e junções dos semicondutores. Um modelo conservador deixa desempenho por utilizar; um modelo otimista cria o risco de envelhecimento acelerado ou avaria.
Arrefecimento por ar e da carcaça
O arrefecimento por ar remove calor da carcaça do motor através de um fluxo de ar natural ou impulsionado por uma ventoinha. É simples e dispensa tubagens de líquido, mas a capacidade de transferência de calor do ar é limitada. É mais adequado a máquinas de menor potência, motores auxiliares ou ciclos de utilização com carga contínua moderada do que a uma unidade de tração compacta e de alta potência.
O passo seguinte habitual é uma camisa de água e glicol em torno da carcaça do estator. O líquido de refrigeração circula por canais fundidos ou maquinados e transfere o calor para um radiador ou para outro circuito térmico do veículo. Esta solução consolidada mantém o fluido condutor fora da cavidade elétrica.
O seu ponto fraco é o percurso térmico. O calor do cobre tem de atravessar o isolamento, o material de impregnação, as laminações do estator, as interfaces da carcaça e a parede da camisa. Melhorar o contacto e a condutividade dos materiais pode ajudar, mas a camisa exterior continua fisicamente separada dos pontos quentes dos enrolamentos.
Arrefecimento por óleo junto à fonte de calor
Um óleo eletricamente compatível pode ser pulverizado sobre as cabeças dos enrolamentos, conduzido por canais do estator, circulado por um veio oco ou utilizado para arrefecer o rotor e os rolamentos. Uma unidade motriz pode usar o mesmo fluido base para a lubrificação das engrenagens e o arrefecimento do motor, recorrendo a bombas, jatos, recuperação, filtragem e a um permutador de calor entre o líquido de refrigeração 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 arrefecimento do rotor por óleo é particularmente útil quando o rotor produz uma quantidade significativa de calor ou quando a temperatura dos ímanes é crítica.
O arrefecimento direto por óleo também introduz resistência viscosa, consumo das bombas e requisitos de arejamento, filtragem, vedação e compatibilidade dos materiais. O fluxo tem de chegar a todas as zonas quentes sem inundar peças que provoquem perdas excessivas por agitação. As propriedades elétricas do óleo e o seu envelhecimento têm de permanecer aceitáveis ao longo de toda a vida útil.
Arrefecimento direto dos enrolamentos e das ranhuras
O arrefecimento direto dos enrolamentos coloca um permutador de calor ou um canal de líquido de refrigeração em contacto imediato com o condutor, ou muito próximo dele. Os conceitos incluem permutadores de calor nas ranhuras, óleo em canais de ranhura selados, elementos de arrefecimento condutores junto ao enrolamento e condutores ocos que transportam internamente o líquido de refrigeração.
Estas abordagens contornam parte da resistência térmica do isolamento e do núcleo do estator. A investigação e os protótipos revelam um forte potencial para aumentar a densidade de corrente e a densidade de potência do motor, mas alargam o âmbito da engenharia: o isolamento elétrico, a perda de pressão, o equilíbrio do fluxo, a corrosão, a deteção de fugas, as uniões, as tolerâncias de fabrico e a reparação passam todos a fazer parte do projeto do enrolamento.
Os condutores ocos proporcionam o percurso mais curto entre o calor do cobre e o líquido de refrigeração, mas sacrificam parte da secção condutora e exigem ligações de fluido fiáveis a cada percurso paralelo. Devem ser considerados uma arquitetura avançada, não uma característica habitual dos atuais veículos elétricos de passageiros.
Arrefecimento do rotor e do veio
Um rotor de indução gera perdas na gaiola, um rotor de excitação elétrica gera perdas no enrolamento de campo e os ímanes permanentes podem precisar de proteção contra o calor e as perdas por correntes de Foucault. O arrefecimento pode chegar ao rotor através de óleo no entreferro, jatos internos, um veio oco ou por condução através do veio e dos rolamentos.
Introduzir líquido de refrigeração num conjunto rotativo acrescenta requisitos relativos ao comportamento centrífugo do fluxo, vedantes rotativos, equilibragem, pressão e fadiga. O benefício térmico tem de justificar esses custos mecânicos e de fiabilidade.
Gestão térmica integrada da unidade motriz
O motor, inversor, caixa de velocidades e diferencial funcionam melhor a temperaturas diferentes e utilizam 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 permutador de calor liga 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 forma diferente dos enrolamentos do motor, enquanto o inversor pode necessitar de uma temperatura do líquido de refrigeração inferior à da carcaça do motor. Bombas, válvulas, derivações 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 arrefecimento consome energia. Ao comparar projetos, é necessário incluir o consumo das bombas e ventoinhas, bem como o arrasto do óleo. O arrefecimento máximo em permanência raramente é a solução mais eficiente; um caudal variável deve proporcionar a rejeição de calor exigida pelo ciclo de utilização nesse momento.
Fiabilidade e manutenção
O arrefecimento avançado transfere parte do risco da temperatura para as tubagens e os materiais. Os engenheiros têm de considerar a vida útil dos vedantes, a porosidade das mangueiras e peças fundidas, a corrosão galvânica, a condutividade do líquido de refrigeração, a oxidação do óleo, a obstrução dos filtros, os detritos, o desgaste das bombas, a proteção contra congelamento, os danos por colisão e a deteção de fugas.
Um motor com arrefecimento 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 ensaios de durabilidade têm de abranger ciclos de pressão e temperatura, vibração, excesso de velocidade, contaminação e a interação química entre o fluido, o isolamento, os adesivos, os ímanes e os vedantes.
O que os condutores podem deduzir
A maioria das especificações dos veículos elétricos não publica o caudal do líquido de refrigeração, a temperatura dos enrolamentos nem uma potência contínua do motor. Os ensaios repetíveis de aceleração, o comportamento a alta velocidade constante, os limites de reboque e as recomendações para utilização em pista podem revelar parte da estratégia térmica, mas não permitem isolar o arrefecimento 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 a temperaturas definidas do líquido de refrigeração e do ambiente, a velocidade máxima do motor, o método de arrefecimento e se a classificação se aplica apenas ao motor ou à unidade motriz completa.
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