Resfriamento da carcaça do motor EV: um guia do comprador para design, materiais e tolerâncias

Um motor de tração de 150 kW que fornece 142 kW no eixo despeja os 8 kW restantes na forma de calor em uma pilha de estatores menor que uma caixa de sapatos. As análises da indústria atribuem 30 a 40 por cento das falhas dos motores de ímanes permanentes ao aumento excessivo da temperatura, e quase todo esse calor tem de sair através de um componente: a carcaça. É por isso que o resfriamento da carcaça do motor EV passou de um detalhe de estágio final para uma disciplina que decide se um motor atinge sua meta de densidade de potência ou desclassifica na bancada de testes.

Este guia aborda as arquiteturas de resfriamento que direcionam o calor através da carcaça, as compensações de material e espessura da parede por trás delas e as especificações mensuráveis que um comprador deve definir antes de liberar os desenhos para um fornecedor de carcaças.

Por que o resfriamento da carcaça do motor EV começa na própria carcaça

A carcaça é o maior dissipador de calor conectado ao estator, portanto, sua geometria, espessura de parede e qualidade de usinagem definem o limite máximo da quantidade de calor que o motor pode liberar.

O calor gerado nos enrolamentos de cobre e no rotor deve atravessar uma cadeia de interfaces antes de atingir o refrigerante: o isolamento do enrolamento, a pilha de laminação, o ajuste por pressão entre a pilha e o furo da caixa, a parede da caixa e, finalmente, a superfície do canal. Camadas de verniz, ar aprisionado e óxido são maus condutores, portanto cada interface adiciona resistência térmica. Um furo mal usinado ou um ajuste de pressão irregular podem reter o calor, não importa quão generosamente a camisa de resfriamento seja dimensionada.

A caixa também possui suportes de montagem, interfaces de blindagem final, ressaltos de sensores e vedações. Os recursos de resfriamento devem coexistir com todos eles, e é por isso que o resfriamento de carcaças é inseparável da fabricação de carcaças: cada canal, aleta e porta devem ser formados, usinados e testados quanto a vazamentos na produção, e não apenas desenhados em CAD.

Dentro de uma caixa revestida: camisas de água e canais de resfriamento

A maioria dos motores de tração EV de produção resfriam indiretamente: uma mistura de água e glicol circula através de uma camisa integrada na parede da carcaça.

O líquido refrigerante entra pelas portas da carcaça, percorre os canais que envolvem o estator e sai em direção ao radiador. Os canais axiais correm paralelos ao eixo e são mais simples de usinar, enquanto os canais espirais envolvem o furo para uniformizar o perfil de temperatura circunferencial. Pesquisas publicadas sobre caixas de canal duplo mostram que os dois podem ser combinados, de modo que um circuito prioriza a zona mais quente próxima à saliência do enrolamento enquanto um segundo carrega a carga base.

Roteamento axial versus espiral na prática

Para um fornecedor de habitação, a jaqueta decide a rota do processo. As caixas de alumínio fundido formam canais durante a fundição; carcaças fabricadas e usinadas são construídas a partir de bolsas usinadas, tampas e portas soldadas. De qualquer forma, cada jaqueta se torna um pequeno recipiente de pressão que deve passar por testes de prova sem derramar glicol na pilha de laminação. Motores de menor potência no mesmo veículo, como acionamentos de sopradores e bombas, ainda dependem do resfriamento de ar em carcaças com aletas ou ventiladas, o que também mantém a demanda por recursos de carcaça que favorecem o fluxo de ar.

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Como o resfriamento direto do óleo altera os requisitos de resfriamento da carcaça do motor EV

O resfriamento direto do óleo move o líquido refrigerante para os enrolamentos e rotor, mas não remove a carcaça do caminho térmico.

Nas unidades de acionamento resfriadas a óleo, o fluido dielétrico é pulverizado ou inundado sobre os enrolamentos finais e as superfícies do rotor, capturando o calor onde ele é gerado. Esse óleo passa então por um trocador de calor, onde um circuito água-glicol absorve a energia e a transporta para o radiador. A carcaça ainda hospeda o circuito secundário, ainda veda o óleo dentro da câmara do motor e ainda define o caminho de condução do núcleo do estator para fora.

Para os compradores, isso altera a lista de especificações. As juntas e vedações da carcaça devem reter o óleo na temperatura operacional, os materiais e revestimentos devem tolerar longa exposição aos fluidos de transmissão e a qualidade da usinagem do furo é ainda mais importante do que o normal, porque o resfriamento do óleo desvia apenas parte do caminho térmico. Com os estatores de fio plano aumentando o preenchimento das ranhuras e as perdas, muitos novos programas executam os dois sistemas ao mesmo tempo: óleo na fonte, uma camisa na parede da caixa.

Decisões de material e espessura de parede no resfriamento da carcaça do motor EV

A escolha do material fixa a condutividade térmica da caixa e a espessura da parede decide quanto espaço resta para os canais, portanto os dois devem ser escolhidos em conjunto.

O alumínio fundido continua sendo o padrão para caixas de tração de alto volume porque conduz o calor várias vezes melhor que o aço e funde camisas complexas de maneira barata. Carcaças de aço e inoxidável ganham seu lugar onde dominam a resistência, estabilidade dimensional, resistência à corrosão ou volumes de série moderados. A penalidade de condutividade é real, mas administrável, porque em um projeto encamisado, o filme de convecção na interface do líquido refrigerante e a resistência de contato no encaixe do estator geralmente contribuem com tanta resistência quanto a condução através da própria parede.

Compensando a menor condutividade com geometria

Quando um programa especifica aço ou aço inoxidável 304, por exemplo, onde a química do refrigerante, a exposição à lavagem ou a longa vida útil tornam a resistência à corrosão decisiva, os projetistas compensam com a geometria em vez de aceitar a perda:

• Paredes mais finas entre o furo da caixa e o fundo do canal, dentro dos limites de pressão
• Mais área de contato do canal através de roteamento em espiral ou de um segundo circuito
• Interferência de ajuste por pressão controlada para que a pilha de laminação se assente com contato uniforme
• Compostos de interface termicamente condutores em cada junta metal-metal

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A espessura da parede puxa na direção oposta. As carcaças de tubos de aço de parede pesada deixam material generoso para canais profundos e altas pressões de prova, o que se adapta a transmissões de EV industriais e ciclos de trabalho fora de estrada, mas cada milímetro extra de parede adiciona resistência à condução. O fundo do canal deve ficar tão próximo do furo quanto a resistência permitir.

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Para uma análise mais aprofundada dos projetos resistentes à corrosão, consulte nosso guia de carcaça de motor inoxidável .

O que os compradores devem bloquear antes de encomendar uma caixa refrigerada

O desempenho do resfriamento é decidido no desenho muito antes do corte do primeiro chip, portanto, os compradores devem congelar uma pequena lista de especificações mensuráveis com o fornecedor.

Em seguida, peça evidências em vez de garantias. Um fabricante de carcaças competente deve entregar quatro coisas sem hesitação:

1. Certificados de materiais e relatórios de espessura de revestimento
2. Registros de teste de vazamento para as jaquetas, vinculados aos números de série da unidade
3. Relatórios CMM cobrindo diâmetro do furo, circularidade e espessura do fundo do canal
4. Primeira inspeção do artigo alinhada aos dados reais de ajuste do seu estator

É aqui que um fabricante integrado ganha o seu sustento. Jiangsu Yufeng elétrico Co., Ltd. passou quatro décadas produzindo carcaças de motores de aço, aço inoxidável, paredes pesadas e tubos de aço, com estampagem, soldagem, usinagem e tratamento de superfície sob o mesmo teto, uma equipe de engenharia com média de mais de 20 anos de experiência e capacidade anual acima de cinco milhões de unidades. Para programas que necessitam de carcaças resfriadas desenvolvidas junto com o motor, essa integração vertical encurta o ciclo entre uma alteração no projeto e uma amostra testada quanto a vazamentos.

Carcaças de motor resfriadas: perguntas frequentes

Uma caixa de aço ou aço inoxidável pode resfriar um motor EV tão bem quanto o alumínio?

Sim, quando o design de refrigeração compensa. O aço conduz cerca de um terço do alumínio, portanto as carcaças de aço contam com paredes de canal mais finas, maior área de canal e ajustes de pressão mais apertados. Em projetos encamisados, a resistência à convecção e ao contato geralmente domina de qualquer maneira, portanto, uma capa de aço bem usinada pode combinar com uma de alumínio medíocre.

O resfriamento direto do óleo está tornando a camisa da carcaça obsoleta?

Não. O resfriamento do óleo captura calor nos enrolamentos e no rotor, mas o óleo ainda despeja esse calor em um circuito de água-glicol através de um trocador de calor. A maioria dos programas de alta densidade de potência combina ambos os métodos: óleo na fonte, uma camisa na parede da caixa.

Quanto calor uma carcaça de motor EV com camisa de água pode remover?

Depende da taxa de fluxo do líquido refrigerante, da área do canal e da qualidade da interface, e não apenas do material da carcaça. Os circuitos líquidos dissipam o calor até 50 vezes mais eficazmente do que o ar na mesma superfície, razão pela qual as caixas encamisadas dominam acima de alguns quilowatts de perda contínua.

O que devo enviar primeiro a um fornecedor de habitação ao iniciar um projeto de refrigeração de VE?

Comece com o diâmetro externo do estator e a estratégia de ajuste, valores de perda contínua, tipo de refrigerante e taxa de fluxo, queda de pressão disponível e requisitos ambientais. Com esses números, um fornecedor pode propor o layout do canal, a espessura da parede e um plano de teste antes de cotar.