Avanço em Motores Elétricos: IPMSM Multilaminar com Alta Eficiência
No cenário em rápida evolução da mobilidade elétrica, onde desempenho, eficiência e conforto são primordiais, um novo estudo de pesquisa introduziu um avanço significativo na tecnologia de motores síncronos de ímanes permanentes (PMSM). Uma equipa de investigadores da Escola de Engenharia Elétrica e de Informação da Universidade de Ciência e Tecnologia de Anhui desenvolveu e otimizou um novo motor síncrono de ímanes permanentes embutidos de múltiplas camadas, especificamente concebido para aplicações de enrolamento em hairpin em veículos elétricos (EVs). Este design inovador promete oferecer maior densidade de potência, eficiência melhorada e redução notável da ondulação de binário e do binário de detenção – três fatores críticos que influenciam diretamente a experiência de condução e o desempenho geral dos EVs modernos.
A investigação, liderada pelo Doutor Han Lin, Professor Associado e Supervisor de Mestrado, juntamente com os estudantes de pós-graduação YuHang Zhang, ZhongGen Wang e TianLong Deng, foi publicada no Journal of Chongqing University of Technology (Natural Science). O seu trabalho apresenta uma abordagem abrangente ao design de motores que integra modelação eletromagnética avançada, análise de elementos finitos e técnicas de otimização sofisticadas para expandir os limites do que é possível em sistemas de acionamento elétrico compactos e de alto desempenho.
À medida que a indústria automóvel global continua a sua transição para a eletrificação, a procura por motores elétricos mais eficientes e potentes nunca foi tão grande. Os motores tradicionais, embora fiáveis, enfrentam frequentemente limitações em termos de densidade de potência, gestão térmica e desempenho acústico. A tecnologia de enrolamento em hairpin emergiu como uma solução promissora para alguns destes desafios, oferecendo fatores de preenchimento de ranhuras mais elevados, redução de perdas AC e melhor dissipação de calor em comparação com os enrolamentos convencionais de fio redondo. No entanto, mesmo com as vantagens do enrolamento em hairpin, o design do rotor e da sua estrutura magnética permanece uma área crítica para inovação.
A equipa de investigação concentrou-se na arquitetura do rotor, explorando especificamente configurações de ímanes de múltiplas camadas dentro de um layout de íman permanente interior (IPM). Ao contrário dos designs convencionais de camada única ou dupla, o motor proposto apresenta uma estrutura de ímanes de três camadas que combina ímanes permanentes em forma de U, V e I numa configuração única UV-I. Este arranjo complexo permite um maior controlo sobre a distribuição do fluxo magnético dentro do motor, permitindo aos engenheiros afinar características de desempenho como a produção de binário, a capacidade de enfraquecimento de fluxo e o conteúdo harmónico.
Um dos principais desafios nos motores elétricos de alta velocidade é a presença de ondulação de binário e binário de detenção, que pode levar a vibrações, ruído e redução do conforto de condução. Estes efeitos indesejáveis são particularmente pronunciados nos motores de ímanes permanentes interiores devido à interação entre os dentes do estator e os polos magnéticos do rotor. Para resolver isto, os investigadores implementaram uma estratégia de otimização em várias etapas que começa com a segmentação e inclinação do rotor.
A inclinação segmentada é uma técnica bem conhecida usada para reduzir harmónicos eletromagnéticos através da introdução de um desalinhamento controlado entre segmentos do rotor. Neste estudo, a equipa adotou um design de inclinação segmentada linear com três segmentos e um ângulo de inclinação de 5 graus. Esta etapa inicial de otimização produziu resultados notáveis: o binário de detenção foi reduzido em impressionantes 97,01%, enquanto a ondulação de binário caiu de 9,91% para 3,18%. Embora tenha havido um ligeiro aumento na distorção harmónica total (THD) da densidade de fluxo do entreferro, a melhoria geral na suavidade e redução de ruído justificou o compromisso.
Com o desempenho de base significativamente melhorado através da inclinação, os investigadores procederam à comparação de quatro configurações diferentes de ímanes de múltiplas camadas: UU-I, UU, UV e UV-I. Cada design foi avaliado com base em indicadores-chave de desempenho, como binário médio, ondulação de binário, THD da força eletromotriz (FEM) traseira e densidade de fluxo magnético do entreferro. Entre os quatro, a configuração UV-I destacou-se como a mais equilibrada e eficaz. Ofereceu um binário médio de 129,19 N·m com uma ondulação de binário de apenas 3,18%, mantendo um binário de detenção relativamente baixo de 244,11 mN·m. A forma de onda da FEM traseira exibiu características sinusoidais excelentes com um THD de apenas 2,88%, indicando distorção harmónica mínima e operação mais suave.
Tendo identificado a estrutura UV-I como o candidato ideal, a próxima fase da investigação concentrou-se no aperfeiçoamento das dimensões dos segmentos individuais do íman. Foi aqui que a equipa empregou o método Taguchi, uma técnica poderosa de otimização estatística amplamente utilizada no design de engenharia para identificar os parâmetros mais influentes e determinar as suas configurações ótimas com um número mínimo de experiências.
Seis parâmetros geométricos-chave foram selecionados para otimização: a largura e o comprimento total do íman em forma de U, a largura e o comprimento total do íman em forma de V, e a largura e o comprimento total do íman em forma de I. Cada parâmetro foi atribuído a cinco níveis diferentes, resultando num total de 25 combinações experimentais baseadas numa matriz ortogonal. Foram realizadas simulações de elementos finitos para cada combinação para avaliar o binário médio e a ondulação de binário.
Os resultados da análise Taguchi revelaram que o comprimento do íman em forma de V (D) teve o impacto mais significativo no binário médio, contribuindo com 56,65% para a variação total. Seguiu-se o comprimento do íman em forma de U (B) com 20,45% e a largura do íman em forma de I (E) com 14,53%. Para a ondulação de binário, a largura do íman em forma de I (E) emergiu como o fator mais influente, representando 43,13% da variação, seguida pelo comprimento total do íman em forma de I (F) com 31,48%.
Com base nestas perceções, os investigadores selecionaram a combinação ótima de níveis de parâmetros: A(5), B(5), C(4), D(4), E(3), F(5). Esta configuração corresponde a valores dimensionais específicos que maximizam o binário médio enquanto minimizam a ondulação de binário. Após aplicar esta geometria otimizada, o desempenho do motor melhorou ainda mais: o binário médio aumentou para 131,28 N·m, a ondulação de binário caiu abaixo de 2% para 1,78%, e a amplitude fundamental da FEM traseira subiu de 274,09 V para 279,35 V. No entanto, foi observado um efeito secundário inesperado – o binário de detenção aumentou ligeiramente de 244,11 mN·m para 259,78 mN·m. Isto indicou que, embora a otimização geométrica tenha melhorado com sucesso a produção de binário e a suavidade, introduziu um novo desafio em termos de forças magnéticas de detenção.
Para resolver este problema, a equipa recorreu a uma técnica de magnetização avançada conhecida como magnetização de matriz Halbach. Uma matriz Halbach é um arranjo especial de ímanes permanentes que concentra o campo magnético num lado enquanto o cancela no outro. No contexto de motores elétricos, a magnetização Halbach parcial pode ser usada para moldar a distribuição do fluxo do entreferro, reduzindo harmónicos e minimizando o binário de detenção sem sacrificar a densidade de binário.
Os investigadores aplicaram a magnetização Halbach seletivamente a diferentes camadas do rotor de múltiplas camadas. Testaram quatro configurações: magnetizando o íman em forma de I, o íman em forma de V, o segmento inclinado do íman em forma de U, e o segmento horizontal do íman em forma de U. Cada uma foi avaliada sob um ângulo de magnetização inicial fixo de 35 graus, com o comprimento do segmento magnetizado variado parametricamente para encontrar a configuração ótima.
Os resultados foram reveladores. Embora todas as configurações tenham mostrado algum grau de redução do binário de detenção, o íman em forma de V demonstrou o desempenho mais consistente e eficaz. À medida que o comprimento do segmento magnetizado Halbach aumentava, a supressão do binário de detenção melhorava de forma constante. Mais importante, ao contrário do segmento inclinado do íman em forma de U – que causou um aumento significativo na ondulação de binário – o íman em forma de V manteve uma baixa ondulação de binário durante todo o processo de otimização.
Encorajados por estas descobertas, a equipa concentrou-se exclusivamente na otimização da magnetização Halbach do íman em forma de V. Realizaram uma segunda ronda de varrimento paramétrico, desta vez variando tanto o ângulo de magnetização (de 25° a 45°) como o comprimento do segmento magnetizado (de 4 mm a 16 mm). O objetivo era encontrar um equilíbrio entre a máxima redução do binário de detenção e o impacto mínimo na ondulação de binário e no binário médio.
A análise mostrou uma tendência clara: à medida que o ângulo de magnetização aumentava, também aumentava a eficácia da supressão do binário de detenção. No entanto, isto teve um custo – a ondulação de binário também aumentou, e o binário médio começou a declinar. Com um ângulo de magnetização de 45° e um comprimento de segmento de 9 mm, o binário de detenção atingiu o seu ponto mais baixo, reduzido em 45,08% em comparação com o estado pós-otimização Taguchi. No entanto, a ondulação de binário subiu acima de 2%, e o binário médio caiu 4,59%.
Procurando uma solução mais equilibrada, os investigadores identificaram um ponto ideal com um ângulo de magnetização de 30° e um comprimento de segmento de 9 mm. Nesta configuração, o binário de detenção foi reduzido em 25,43%, a ondulação de binário permaneceu excecionalmente baixa em 1,72%, e o binário médio diminuiu apenas 2,26% para 128,31 N·m. Esta configuração representou o compromisso ideal, oferecendo uma redução substancial de ruído e vibração sem comprometer as métricas de desempenho central do motor.
O motor otimizado final demonstrou características globais impressionantes. Sob carga total com uma corrente de 400 A, o mapa de eficiência revelou uma eficiência máxima de 96,74%, com uma ampla zona de alta eficiência cobrindo uma vasta gama de condições operacionais. O motor atingiu uma potência nominal de 134,35 kW a 10 000 rpm e uma potência de pico de 298 kW, com uma velocidade máxima de 22 000 rpm. Estes números destacam a capacidade do motor para oferecer tanto desempenho sustentado como alta resposta dinâmica – qualidades essenciais para os EVs modernos.
Para validar a superioridade do seu design, os investigadores compararam-no com um IPMSM em forma de V de dupla camada com enrolamento em hairpin previamente publicado, sob especificações semelhantes (8 polos, 48 ranhuras, dimensões físicas comparáveis). Os resultados foram impressionantes: o motor UV-I de múltiplas camadas recentemente desenvolvido superou o design de referência em quase todas as categorias. Atingiu um binário nominal mais elevado (128,31 N·m vs. 82,9 N·m), maior potência de pico, maior velocidade máxima (22 000 rpm vs. 12 000 rpm) e eficiência superior. Esta análise comparativa sublinha os benefícios tangíveis da arquitetura de íman de múltiplas camadas combinada com técnicas de otimização avançadas.
Do ponto de vista de fabrico e prático, o design proposto mantém compatibilidade com os processos de produção de enrolamento em hairpin existentes, garantindo escalabilidade e rentabilidade. O uso de inclinação segmentada e magnetização Halbach seletiva introduz complexidade adicional, mas os investigadores argumentam que os ganhos de desempenho justificam o esforço de engenharia adicional, especialmente para aplicações premium de EVs onde o refinamento e a eficiência são pontos de venda-chave.
Além disso, o estudo contribui com perceções valiosas sobre o papel das formas individuais dos ímanes dentro de rotores de múltiplas camadas. Confirma que os ímanes em forma de V oferecem a influência mais equilibrada no desempenho do motor, melhorando tanto a produção de binário como a controlabilidade do fluxo. O íman em forma de I, embora reduza os níveis de binário e fluxo, desempenha um papel crucial na supressão de harmónicos e na melhoria da qualidade da forma de onda. O íman em forma de U, embora potente no aumento do binário, tende a aumentar a ondulação e a distorção, exigindo um ajuste cuidadoso para evitar efeitos secundários negativos.
Esta investigação exemplifica o tipo de engenharia multidisciplinar necessária para avançar a tecnologia de propulsão elétrica. Ao combinar teoria eletromagnética, modelação computacional, otimização estatística e estratégias de magnetização avançadas, a equipa criou um motor que não só cumpre como excede os exigentes requisitos dos veículos elétricos de próxima geração. A integração do enrolamento em hairpin com um rotor de múltiplas camadas meticulosamente otimizado representa um passo significativo em frente na busca de maior eficiência, menor ruído e maior densidade de potência.
À medida que os fabricantes de automóveis continuam a empurrar os limites do desempenho dos EVs, inovações como esta desempenharão um papel crucial na moldagem do futuro dos transportes sustentáveis. O trabalho realizado por Han Lin, YuHang Zhang, ZhongGen Wang e TianLong Deng na Universidade de Ciência e Tecnologia de Anhui demonstra que mesmo dentro do quadro bem estabelecido dos motores de ímanes permanentes, permanece amplo espaço para melhorias revolucionárias através de design ponderado e otimização rigorosa.
Publicado no Journal of Chongqing University of Technology (Natural Science), Vol. 38, No. 7, 2024. DOI: 10.3969/j.issn.1674-8425(z).2024.07.029