O design do autor representa uma nova palavra no desenvolvimento de motores elétricosNa primeira década do século 20, 38% de todos os carros nos Estados Unidos eram movidos a eletricidade - e esse percentual caiu para quase zero com o crescimento do domínio do ICE na década de 1920. O desejo de hoje de economizar energia e reduzir emissões prejudiciais deu nova vida aos carros elétricos, mas seu alto custo e quilometragem limitada impedem as vendas.
A maioria das tentativas de solucionar esses problemas está relacionada à melhoria das baterias. Obviamente, a melhoria dos sistemas de armazenamento de energia, sejam baterias ou células de combustível, deve permanecer parte de qualquer estratégia para melhorar os veículos elétricos, mas existe um potencial de melhoria em outro componente fundamental dos carros: no motor. Nos últimos quatro anos, trabalhamos em um novo conceito para um motor de tração usado em veículos elétricos e caminhões. Nosso último desenvolvimento melhora muito a eficiência em comparação com os modelos convencionais - o suficiente para tornar os carros elétricos mais práticos e acessíveis.
No ano passado, provamos a eficiência do nosso motor em testes laboratoriais abrangentes e, embora ainda esteja longe de colocá-lo em um carro, temos todos os motivos para acreditar que ele também se mostrará lá. Nosso motor poderá aumentar a quilometragem de veículos elétricos modernos, mesmo se não fizermos nenhum progresso na tecnologia de baterias.
Para entender a complexidade de nossa tarefa, é necessário relembrar o básico do circuito de um motor elétrico (EM). Comparados ao ICE, os EMs são mais simples, pois possuem apenas alguns componentes críticos. Mecânica requer um alojamento. É chamado de estator porque não se move. Um rotor, um eixo rotativo e a criação de um torque são necessários. Para o motor funcionar, o estator e o rotor devem interagir usando magnetismo, transformando energia elétrica em energia mecânica.
Os conceitos de motores diferem precisamente no campo das interfaces magnéticas. Nos motores coletores DC, a corrente flui através das escovas deslizando ao longo do conjunto coletor. A corrente flui através do coletor e transfere energia para o enrolamento no rotor. O enrolamento é repelido por ímãs permanentes ou eletroímãs do estator. As escovas, deslizando ao longo do coletor, mudam periodicamente a direção da corrente, e os ímãs do rotor e do estator se repelem repetidamente, como resultado do qual o rotor gira. Em outras palavras, o movimento rotacional é fornecido por um campo magnético variável produzido pelo coletor que conecta as bobinas à fonte de corrente e muda ciclicamente a direção da corrente quando o rotor gira. No entanto, essa tecnologia limita o torque e sofre desgaste; não é mais usado em EMs de tração.
Os veículos elétricos modernos usam corrente alternada de um inversor. Aqui, um campo magnético rotativo dinâmico é criado no estator, e não no rotor. Isso nos permite simplificar o circuito do rotor, que geralmente é mais complexo que o estator, o que facilita todas as tarefas associadas ao desenvolvimento do EM.
Existem dois tipos de motores CA: assíncrono e síncrono. Vamos nos concentrar na sincronização, pois eles geralmente funcionam melhor e com mais eficiência.
Um sistema de refrigeração avançado conduz fluido diretamente através da bobina (esquerda) e não através da tampa do motor (direita)Motores síncronos também são de dois tipos. Mais popular é a máquina síncrona de ímã permanente (PMSM), que usa ímãs permanentes incorporados ao rotor. Para fazê-lo girar, um campo magnético rotativo é organizado no estator. Este campo é obtido devido ao enrolamento do estator conectado à fonte CA. Durante a operação, os pólos dos ímãs permanentes do rotor são capturados pelo campo magnético rotativo do estator, o que faz o rotor girar.
Esse esquema, usado no Chevrolet Volt and Bolt, no BMW i3, no Nissan Leaf e em muitos outros carros, pode atingir uma eficiência máxima de 97% no pico. Ímãs permanentes são geralmente feitos de terras raras; exemplos impressionantes são os ímãs de neodímio muito poderosos desenvolvidos em 1982 pela General Motors e pela Sumitomo.
Motores elétricos síncronos síncronos com pólo [Máquinas síncronas com pólo saliente, SPSM)] usam eletroímãs em vez de constantes dentro do rotor. Os pólos são bobinas na forma de tubos direcionados para o exterior, como raios de uma roda. Esses eletroímãs no rotor são alimentados por uma fonte de corrente direta conectada a eles por meio de anéis coletores. Os anéis de contato, diferentemente do coletor, não alteram a direção da corrente. Os pólos norte e sul do rotor são estáticos e as escovas não se desgastam tão rapidamente. Como no PMSM, o rotor gira devido à rotação do campo magnético do estator.
Devido à necessidade de alimentar os eletroímãs do rotor por meio de anéis coletores, esses motores geralmente apresentam eficiências de pico ligeiramente mais baixas - na faixa de 94 a 96%. A vantagem sobre o PMSM é a capacidade de personalização do campo do rotor, que permite ao rotor gerar torque com mais eficiência em altas velocidades. A eficiência total quando usada para acelerar o carro aumenta. O único fabricante desses motores em carros produzidos em massa é a Renault, com seus modelos Zoe, Fluence e Kangoo.
Os carros elétricos devem ser construídos não apenas com componentes eficazes, mas também leves. A maneira mais óbvia de melhorar a relação potência / peso é reduzir o tamanho do motor. No entanto, essa máquina produzirá menos torque para a mesma velocidade de rotação. Portanto, para obter mais energia, é necessário girar o motor em velocidades mais altas. Os carros elétricos de hoje funcionam a 12.000 rpm; na próxima geração, haverá motores operando a 20.000 rpm; o trabalho já está em andamento nos motores que operam a uma velocidade de 30.000 rpm. O problema é que quanto maior a velocidade, mais difícil é a caixa de velocidades - a velocidade do motor é muito maior que a velocidade das rodas. A complexidade da caixa de velocidades resulta em grandes perdas de energia.
Uma tempestade ideal: na versão do autor (acima), a força de Lorentz e a indutância polarizada (cinza) são combinadas na força total máxima (azul) igual a 2. Em um motor convencional (abaixo), a soma de duas forças - forças de Lorentz e resistência magnética (cinza) dão a força total ( azul), atingindo um pico de apenas 1,76, com um ângulo de rotação do rotor de 0,94 rad. A diferença neste exemplo é de 14%A segunda abordagem para melhorar a relação potência / peso é aumentar a força do campo magnético, o que aumenta o torque. Esse é o significado de adicionar um núcleo de ferro à bobina - embora isso aumente o peso, também aumenta a densidade do fluxo magnético em duas ordens de magnitude. Portanto, quase todos os EMs modernos usam núcleos de ferro no estator e no rotor.
No entanto, há um sinal de menos. Quando a intensidade do campo aumenta para um determinado limite, o ferro perde a possibilidade de aumentar a densidade do fluxo. Essa saturação pode ser um pouco influenciada pela adição de aditivos e pela alteração do processo de fabricação do ferro, mas mesmo os materiais mais eficientes são limitados a 1,5 V * s / m
2 (volts por segundo por metro quadrado, ou Tesla, T). Somente materiais de ferro-cobalto a vácuo muito caros e raros podem atingir densidades de fluxo magnético de 2 T ou mais.
E, finalmente, a terceira maneira padrão de aumentar o torque é amplificar o campo amplificando a corrente que passa pelas bobinas. Novamente, existem limitações. Aumente a corrente e a perda de resistência aumentará, a eficiência diminuirá e aparecerá calor que pode danificar o motor. Para fios, você pode usar metal que conduz melhor corrente que o cobre. Também existem fios de prata, mas seu uso em tal dispositivo seria absurdamente caro.
A única maneira prática de aumentar a corrente é controlar o calor. Soluções avançadas de resfriamento conduzem fluido ao lado das bobinas, e não mais longe delas, fora do estator.
Todas essas etapas ajudam a melhorar a relação peso / potência. Nos carros de corrida elétricos, onde o custo não importa, os motores podem atingir 0,15 kg por quilowatt, o que é comparável ao melhor ICE da Fórmula 1.
Eu e os alunos
desenvolvemos e criamos esses motores elétricos de alto desempenho para o carro que
participou da Fórmula para estudantes há três anos. Criamos motores em
nosso laboratório no Instituto Eletrotécnico do Instituto de Tecnologia Karlsruhe. A cada ano, a equipe criava uma nova máquina com motor, caixa de câmbio e eletrônica de potência aprimorados. O carro tem quatro motores, um por roda. Cada um tem apenas 8 cm de diâmetro, 12 cm de comprimento e 4,1 kg de peso e produz 30 kW de forma contínua e 50 kW em seu pico. Em 2016, nossa equipe
venceu o campeonato mundial .
Portanto, isso realmente pode ser feito se o custo não o incomodar. A principal questão é se é possível usar essas tecnologias de melhoria de eficiência na produção em massa, em uma máquina que você poderia comprar? Criamos esse motor, então a resposta para a pergunta é sim.
Começamos com uma ideia simples. Os motores elétricos funcionam bem tanto no papel dos motores quanto no papel dos geradores, embora essa simetria não seja particularmente necessária para veículos elétricos. Um carro precisa de um motor que funcione melhor como motor do que como gerador - este último é usado apenas para carregar baterias durante a frenagem regenerativa.
Para entender essa idéia, considere a operação do motor PMSM. Nesse motor, duas forças criam movimento. Em primeiro lugar, a força resultante dos ímãs permanentes no rotor. Quando a corrente flui através das bobinas de cobre do estator, elas criam um campo magnético. Com o tempo, a corrente passa de uma bobina para outra e faz com que o campo magnético gire. O campo do estator rotativo atrai os ímãs permanentes do rotor e o rotor começa a se mover. Este princípio é baseado na força de Lorentz, que afeta o movimento de uma partícula carregada em um campo magnético.
Mas os EMs modernos recebem parte da energia da resistência magnética - a força que atrai um bloco de ferro a um ímã. O campo do estator rotativo atrai ímãs permanentes e o ferro do rotor. A força e a resistência magnética de Lorentz trabalham lado a lado e - dependendo do circuito do motor - são aproximadamente iguais entre si. Ambas as forças são aproximadamente iguais a zero quando os campos magnéticos do rotor e do estator estão alinhados. Com um aumento no ângulo entre eles, o motor gera energia mecânica.
Em um motor síncrono, os campos do estator e do rotor trabalham juntos, sem os atrasos que existem nas máquinas assíncronas. O campo do estator está em um determinado ângulo em relação ao campo do rotor, que pode ser ajustado durante a operação para obter a máxima eficiência. O ângulo ideal para a criação de torque em uma determinada corrente pode ser calculado com antecedência. Em seguida, ele se ajusta, conforme a corrente muda, ao sistema eletrônico de potência que fornece corrente alternada ao enrolamento do estator.
Mas aqui está o problema: quando o campo do estator se move em relação à posição do rotor, a força de Lorentz e a resistência magnética aumentam ou diminuem. A força de Lorentz aumenta em um sinusóide, atingindo um pico de 90 graus a partir do ponto de referência (a partir do ponto em que os campos do estator e do rotor estão alinhados). A força da resistência maníaca muda ciclicamente duas vezes mais rápido, portanto, atinge um pico a 45 graus.
Como as forças atingem o pico em pontos diferentes, a potência máxima do motor é menor que a soma de suas partes. Suponha que, para um determinado motor em um determinado momento de trabalho, o ângulo ideal para a força total máxima seja de 54 graus. Nesse caso, esse pico será 14% menor que o pico total das duas forças. Este é o melhor compromisso possível desse esquema.
Se pudéssemos refazer esse motor para que as duas forças atingissem o máximo em um ponto do ciclo, a potência do motor aumentaria 14% gratuitamente. Você perderia apenas a eficiência operacional como gerador. Mas nós, como será mostrado abaixo, encontramos uma maneira de restaurar essa capacidade, para que o motor restaure melhor a energia durante a frenagem.
O desenvolvimento de um campo motor perfeitamente nivelado não é uma tarefa fácil. O problema é a combinação de PMSM e SPSM no novo esquema híbrido. O resultado é um motor síncrono híbrido com um eixo de compensação de resistência magnética. De fato, este motor usa fios e ímãs permanentes para criar um campo magnético no rotor.
Outros tentaram trabalhar nessa direção e depois rejeitaram essa idéia - mas queriam usar ímãs permanentes apenas para amplificar o campo eletromagnético. Nossa inovação é usar ímãs apenas para dar ao campo uma forma precisa, a fim de otimizar o alinhamento das duas forças - a força de Lorentz e a força da resistência magnética.
O principal problema no desenvolvimento foi encontrar um projeto de rotor que pudesse mudar a forma do campo, mantendo-se forte o suficiente para girar em alta velocidade sem quebrar. No centro do nosso circuito, há uma estrutura de rotor multicamada que carrega enrolamento de cobre em um núcleo de ferro. Colamos ímãs permanentes nos pólos do núcleo; picos adicionais os impedem de voar. Para manter tudo no lugar, usamos pinos de titânio fortes e leves, passados pelos polos eletromagnéticos do rotor, puxados por porcas aos anéis de aço inoxidável.
Também encontramos uma maneira de contornar a desvantagem do motor original, reduzindo o torque durante a operação do gerador. Agora podemos mudar a direção do campo no rotor para que a geração durante a frenagem regenerativa funcione tão eficientemente quanto o modo do motor.
Conseguimos isso alterando a direção da corrente no enrolamento do rotor durante a operação no modo gerador. Funciona da seguinte maneira. Imagine a aparência original do rotor. Se você caminhar ao longo de seu perímetro, encontrará uma certa sequência de pólos norte e sul de fontes eletromagnéticas (E) e magnéticas permanentes (P): NE, NP, SE, SP. Essa sequência é repetida quantas vezes houver pares de polos no motor. Ao mudar a direção da corrente no enrolamento, alteramos a orientação dos polos eletromagnéticos, e somente eles, como resultado, a sequência se transforma em SE, NP, NE, SP.
Tendo estudado essas duas seqüências, você verá que a segunda é semelhante à primeira, retrocedendo. Isso significa que o rotor pode ser usado no modo motor (primeira sequência) ou no modo gerador (segundo), quando a corrente no rotor inverte a direção. Assim, nossa máquina trabalha com mais eficiência do que os motores convencionais, tanto como motor quanto como gerador. Em nosso protótipo, mudar a direção da corrente não leva mais que 70 ms, o que é rápido o suficiente para carros.
No ano passado, construímos um protótipo de motor em uma bancada e o submetemos a testes rigorosos. Os resultados são claros: com os mesmos componentes eletrônicos de potência, parâmetros do estator e outras limitações de um motor convencional, a máquina é capaz de fornecer quase 6% a mais de torque e 2% a mais de eficiência no pico. No ciclo de direção, os resultados são ainda melhores: requer 4,4% menos energia. Isso significa que um carro viajando com uma única carga de 100 km teria percorrido 104,4 km com este motor. Os quilômetros extras que conseguimos quase por nada, porque em nosso esquema existem apenas algumas peças adicionais, visivelmente menos caras que as baterias adicionais.
Entramos em contato com vários fabricantes de equipamentos, e eles acharam nosso conceito interessante, embora ainda demore muito para você ver um desses motores assimétricos em um carro de produção. Mas, como resultado, isso se tornará um novo padrão, pois a extração de todos os benefícios possíveis da energia que você possui é uma prioridade para as montadoras e para toda a sociedade.