À medida que a produção global de carros e caminhões elétricos cresce a cada dia, a indústria automobilística enfrenta um desafio crucial: desenvolver motores de tração que igualem ou superem o desempenho, a confiabilidade e a leveza dos melhores motores comerciais atuais, mas sem recorrer a elementos de terras raras. Esses materiais, como o neodímio e o disprósio, trazem custos ambientais elevados e riscos na cadeia de suprimentos, já que a China domina quase totalmente seu mercado. Nesse contexto, um avanço em ciência de materiais pela General Electric Aerospace (GE Aerospace) está chamando a atenção: um material magnético bifásico que poderia redefinir os motores de relutância síncrona e quebrar o monopólio das terras raras.
Para entender o potencial desse material, é necessário começar pelos fundamentos dos motores de relutância síncrona. Como todos os motores elétricos, eles são compostos por um estator e um rotor. O estator gera um campo magnético rotativo que magnetiza e atua sobre o rotor, geralmente fabricado com aço elétrico, uma liga ferro-magnética. O rotor gira graças a um fenômeno conhecido como relutância, que faz com que materiais ferro-magnéticos se alinhem com as linhas de força do campo magnético. À medida que o campo magnético do estator gira, o rotor magnetizado se alinha constantemente com ele, gerando torque.
O problema chave nos designs tradicionais está nas estruturas do rotor chamadas “ponteiras” e “pilares”, que conectam suas seções magnéticas. Nos rotores convencionais, esses componentes são feitos do mesmo material ferro-magnético que o resto do rotor, por isso se magnetizam. Essa magnetização causa interferências entre as linhas de fluxo magnético, reduzindo a eficiência e limitando a potência do motor. Para minimizar esse problema, os engenheiros projetaram ponteiras e pilares estreitos, mas isso enfraquece a resistência mecânica do rotor, restringindo sua velocidade de rotação e, consequentemente, a potência do motor.
É aqui que o material bifásico marca a diferença. Sua propriedade mais destacada é que, ao ser exposto a um campo magnético forte, diferentes regiões do material adquirem graus de magnetização extremamente contrastantes: ou estão completamente desmagnetizadas, ou estão altamente magnetizadas. Isso permite que as ponteiras e pilares do rotor não se magnetizem, ao mesmo tempo que podem ser mais largos e robustos. Dessa forma, eliminam-se as interferências magnéticas sem comprometer a resistência mecânica, superando uma limitação fundamental dos designs tradicionais.
Os resultados dos testes realizados pela GE Aerospace são reveladores. Em um experimento, um motor experimental com rotor bifásico alcançou uma potência de 23 kW a 14.000 rotações por minuto, enquanto um motor com rotor tradicional, idêntico em todos os outros aspectos, só conseguiu 3,7 kW nas mesmas condições. Além disso, o motor experimental alcançou uma eficiência de pico de 94%, comparável à dos melhores motores utilizados em veículos elétricos comerciais atuais.
“Acredito que esse material mudará o jogo”, afirma Ayman El-Refaie, membro da IEEE e professor de engenharia elétrica e computacional na Universidade Marquette, em Milwaukee, Wisconsin, que iniciou o projeto de material bifásico na General Electric em 2005. Sua empolgação baseia-se não apenas nos resultados atuais, mas também no potencial do material além do motor de relutância síncrona.
Os benefícios do material bifásico não se limitam a um único tipo de motor. Pesquisas realizadas na Universidade Marquette, na Universidade de Gyeongsang, na Coreia do Sul, e na Universidade Técnica de Ufa, na Rússia, já demonstraram que ele oferece vantagens em motores síncronos de ímãs permanentes e em geradores. “Os benefícios não se restringem aos motores de ímãs permanentes internos (IPM)”, explica El-Refaie. “Ele traz vantagens em outros tipos de máquinas por diferentes razões”.
Apesar dessas perspectivas promissoras, ainda existem desafios significativos no caminho para a comercialização. Uma desvantagem atual do material é sua densidade de fluxo de saturação máxima de 1,5 Tesla, significativamente menor que o limite do aço elétrico convencional, que alcança 2 Tesla. A densidade de fluxo é uma medida da capacidade de um material de ser magnetizado, e um aumento dessa propriedade é alvo de desenvolvimentos futuros.
Os obstáculos maiores, no entanto, estão na produção. Frank Johnson, membro sênior da equipe de pesquisa do material bifásico da General Electric e hoje diretor técnico da Niron Magnetics, explica: “A busca por produtores de aço dispostos e capazes de fabricar as lâminas metálicas laminadas para a produção de rotores bifásicos é um obstáculo importante. As ligas que desenvolvemos têm componentes de baixo custo, o que cria um paradoxo: se torna um caso comercial difícil, a menos que haja uma produção muito grande e investimentos significativos em equipamentos”.
Atualmente, nenhuma empresa oferece materiais magnéticos bifásicos aptos para máquinas de alta potência. Além da General Electric Aerospace, a única outra empresa conhecida que trabalha nesse campo é a Proterial, ex Hitachi Metals. A GE Aerospace se recusou a permitir que seus pesquisadores falem sobre o tema em entrevistas, então não está claro se licenciará ou fabricará o material por conta própria.
Apesar desses desafios, o impacto potencial do material bifásico seria transformador se ele puder ser produzido em larga escala. A redução da dependência das terras raras não apenas mitigaria os riscos na cadeia de suprimentos, mas também diminuiria os custos ambientais associados à sua extração e processamento, que incluem contaminação e degradação do ecossistema. Além disso, seu baixo custo intrínseco, uma vez alcançada a produção em massa, poderia tornar os motores elétricos mais acessíveis, impulsionando a adoção de veículos elétricos em todo o mundo.
A indústria automobilística elétrica está constantemente em busca de soluções sustentáveis e resilientes. À medida que a demanda por veículos elétricos cresce, a pressão para inovar em tecnologias de motores intensifica-se. Os materiais bifásicos representam uma alternativa promissora, pois combinam alto desempenho com menor dependência de recursos estratégicos e problemáticos.
O sucesso dessa tecnologia dependerá da colaboração entre cientistas de materiais, engenheiros de motores e produtores de aço. Desenvolver a infraestrutura de produção necessária, desde a fabricação de ligas até a laminação de lâminas, exigirá investimentos significativos, mas os benefícios a longo prazo podrían ser incalculáveis. A adoção massiva de materiais bifásicos não apenas revolucionaria os motores de veículos elétricos, mas também poderia melhorar a eficiência de geradores e outras máquinas, contribuindo para uma maior sustentabilidade em múltiplos setores.
Finalmente, a verdadeira prova do material bifásico será sua capacidade de passar do laboratório para as linhas de produção. Se superar os obstáculos de fabricação e se integrar com sucesso em motores comerciais, poderia marcar o início de uma nova era na eletrificação do transporte, onde desempenho, sustentabilidade e segurança na cadeia de suprimentos andam juntos.
Autor: Glenn Zorpette
Afiliação: IEEE Spectrum
DOI: 10.1109/MSPEC.2024.2300123