Engenharia de motores elétricos sem terras raras para um futuro sustentável

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O que é terra-rara?

As terras raras vêm da tabela periódica. Elas são um grupo de 17 elementos metálicos, incluindo os 15 lantanídeos, além do escândio e do ítrio. Apesar de seu nome, esses elementos não são realmente raros em abundância, mas raramente são encontrados em depósitos concentrados e economicamente viáveis.

Embora sejam chamados de elementos de terras raras, esses materiais não são de fato raros na crosta terrestre. O que são os torna “raros” é a dificuldade de minerar, separar e refinar em formas utilizáveis. O processo de extração é complexo, consome muita energia e exige muito do meio ambiente. Nas últimas décadas, a China dominou e ampliou essa capacidade de refino, o que lhe permitiu dominar mais de 70% da produção global de terras raras e quase toda a capacidade de processamento. Esse domínio deu à China uma influência significativa sobre os preços e a estabilidade do suprimento, criando efetivamente uma posição estratégica no mercado de terras raras. monopólio que afeta os setores de veículos elétricos, turbinas eólicas e eletrônicos de consumo em todo o mundo.

Fonte: U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries, janeiro de 2024

Por que os materiais de terras raras são importantes?

A maioria dos motores elétricos modernos que visam à alta eficiência e à densidade de potência depende de ímãs de terras raras devido à sua excepcional força magnética. Entretanto, recentemente tensões geopolíticas e mudanças de política entre as nações revelaram uma vulnerabilidade crítica: alto desempenho significa pouco se o cadeia de suprimentos entrar em colapso. A dependência de materiais de terras raras não só acarreta o risco de atrasos na produção, mas também pode aumentar os custos à medida que os fabricantes se esforçam para reprojetar as cadeias de suprimentos ou obter ímãs alternativos capazes de oferecer desempenho comparável.

Fonte: U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries, janeiro de 2024 / Eggert, R., Wadia, C., Anderson, C., Bauer, D., Fields, F., Meinert, L., & Taylor, P. (2016). Rare earths: market disruption, innovation, and global supply chains (Terras raras: perturbação do mercado, inovação e cadeias de suprimentos globais). Revisão Anual de Meio Ambiente e Recursos, 41(1), 199-222.

Os preços de dois materiais críticos de terras raras – Neodímio e Disprósio – tornaram-se cada vez mais voláteis devido à forte cadeia de suprimentos monopolizada. Seguindo os desenvolvimentos recentes, fica claro que essa instabilidade torna difícil para os fabricantes preverem a margem de lucro de cada motor elétrico produzido. Essa incerteza pode ter sérias consequências financeiras, especialmente para empresas que produzem motores em grandes volumes todos os meses.

Então, qual é a solução?

Está claro que devemos usar ímãs livres de terras raras ou remover totalmente os ímãs de nossos projetos de motores. Nesta seção, exploraremos como projetar motores elétricos alternativos que não dependam de materiais de terras raras.

Antes de explorar esses projetos, é importante entender os princípios fundamentais dos motores elétricos, pois a solução desse desafio começa com a compreensão de onde o torque realmente vem. Em um motor elétrico síncrono, há duas fontes principais de torque: torque mútuo (ímã) e torque de relutância.

1. Torque mútuo

No coração de todo motor elétrico está o campo eletromagnético rotativo gerado no estator. O núcleo de aço laminado do estator e os enrolamentos de cobre organizados são energizados por uma fonte de tensão ou corrente, produzindo esse campo.

Se o fornecimento for DCComo mostrado na imagem à esquerda, um campo eletromagnético estacionário de 4 polos é criado com essa configuração. Através de interação do dipolo magnéticoOs ímãs permanentes no rotor podem se alinhar ou “travar” com esse campo, mas não ocorre rotação contínua, pois tanto o campo quanto os ímãs permanecem em posições fixas.

Quando a alimentação é alterada de CC para CA (seja da rede ou de um inversor trifásico), o campo eletromagnético começa a girar. Ao colocar ímãs no rotor com o mesmo número de polos que o estator (por exemplo, quatro polos, como mostrado na animação), o campo magnético no rotor pode sincronizar com o campo giratório do estator, e essa interação produz torque.

Na tecnologia atual de motores elétricos, Ímãs de neodímio-ferro-boro (NdFeB), que contêm elementos de terras raras, são comumente usados para obter alto torque e densidade de potência.

Vamos usar um projeto de referência para avaliar o desempenho desses ímãs em um motor elétrico. A PMSM de quatro polos e 1,2 kW foi projetado para este estudo. Com esses ímãs, a interação magnética gera aproximadamente 11,18 Nm de torque a 3000 rpm para o motor projetado.

Queremos nos livrar dos ímãs de terras raras. Vários tipos de ímãs alternativos não contêm materiais de terras raras, como ferrite, alumínio-níquel-cobalto (AlNiCo), e ímãs compostos sem samário. Essas opções são mais econômicas e fáceis de obter, mas sua força magnética é significativamente mais fraca em comparação com neodímio ou à base de disprósio ímãs. Como resultado, eles não podem gerar sozinhos a mesma densidade de fluxo magnético ou níveis de torque em um motor elétrico.

Por que os ímãs sem terras raras não conseguem oferecer o mesmo desempenho?

Quando examinamos a equação de torque de um motor elétrico, dois fatores principais se destacam: o ligação de fluxo produzida pelos ímãs do rotor e pelo corrente nos enrolamentos do estator. Quando esses valores são multiplicados pelo número de polos e outras constantes, eles determinam o torque. Para uma corrente fixa e um projeto de motor, somente a ligação de fluxo do ímã influencia diretamente o componente de torque.

A ligação de fluxo representa o fluxo magnético total que passa pelos enrolamentos do estator e é diretamente proporcional à força magnética do material do rotor, geralmente descrito por sua remanência. Um valor de remanência mais alto significa um campo magnético mais forte e, portanto, maior ligação de fluxo, o que leva a uma maior produção de torque.

Um dos tipos mais comuns de ímãs de terras raras, NdFeB N30, tem um remanência de cerca de 1,125 T com intensidade de campo magnético zero. A ligação de fluxo resultante depende do tamanho e da posição do ímã.

Agora, vamos considerar uma configuração idêntica usando um ímã ímã de ferrite sem terras raras, tais como Y33H, que tem um remanência de 0,43 T. Em teoria, isso significa que a saída de torque seria de aproximadamente 2,6 vezes menor para o ímã de ferrite. Entretanto, essa diferença pode ser menor na prática devido a efeitos de desmagnetização do campo magnético do estator. Os ímãs de ferrite geralmente são mais suscetíveis à desmagnetização do que os ímãs de NdFeB, portanto, espera-se que a taxa de torque real seja inferior a 2,6.

Quando simulamos o mesmo motor usando ímãs Y33H, observamos que a versão de ferrite produz um torque médio de 5,68 Nm, que é cerca de metade do valor da versão NdFeB.

Portanto, essa análise mostra que a simples substituição dos ímãs de NdFeB por ímãs de ferrite não resolve o problema de desempenho. É por isso que precisamos usar o segundo componente de torque:

Torque de relutância

A maioria das pessoas já se deparou com esse fenômeno pelo menos uma vez: quando você suspende uma pequena agulha de ferro e move um ímã ao redor dela, a agulha tende a se alinhar com o ímã. Isso ocorre porque a agulha naturalmente busca o caminho de menor relutância magnética entre o núcleo de ferro e o campo magnético e cria uma força na agulha. Esse efeito é conhecido como torque de relutânciae sua magnitude depende do diferença na relutância magnética entre os direto (d) e quadratura (q) eixos de uma estrutura. Para um motor elétrico:

Aqui, duas agulhas de ferro adjacentes seguem o campo eletromagnético rotativo no estator, resultando em aproximadamente 3 Nm de torque de relutância. No entanto, como visto na simulação, esse torque é relativamente baixo e ruidoso devido ao formato atual do rotor. Para obter um torque maior e menor ruído, a geometria do rotor deve ser reprojetada para criar um caminho magnético mais otimizado.

Para reduzir a ondulação de torque e aumentar a saída de torque do mesmo motor, barreiras de fluxo-também conhecidas como bolsas de ar-são introduzidos no interior do rotor.

Esses bolsões de ar criam uma diferença de relutância magnética entre o eixo d e eixo q. Em teoria, ter mais ou maior bolsas de ar aumentam o torque de relutância, pois quanto maior a diferença na relutância magnética entre os dois eixos, maior a contribuição do torque. Porém, mais barreiras de fluxo podem resultar em tolerâncias de fabricação apertadas entre as barreiras e a borda externa do rotor.

Com isso novo projeto de rotor, o motor opera com menor ruído de torque e fornece aproximadamente 20% mais torque.

Agora, a próxima pergunta é: Por que não combinar os dois componentes de torque? para obter um desempenho ainda maior? Ao colocar ímãs retangulares de ferrite dentro das barreiras de fluxo, podemos formar o que é conhecido como Motor síncrono de relutância assistido por ferrite (Fas-SynRM)-um projeto que combina os pontos fortes da relutância e do torque do ímã.

Com essa configuração, o FaSynRM produz um torque médio de 7,8 Nm. No entanto, ainda há um 3,38 Nm de diferença do projeto de NdFe. Essa diferença representa o principal gargalo para o setor, pois esses ímãs ainda não conseguem atingir o mesmo desempenho dos projetos de NdFe.

Nesse ponto, a otimização torna-se essencial. Usando Ansys optiSLang, podemos refinar a geometria do rotor para chegar a 11,18 Nm de torque sem alterar o estator. Na prática, os usuários podem simplesmente substituir seus Rotores de NdFe com rotores otimizados sem terras raras e manter um desempenho idêntico.

Como o Ansys otimizar os motores sem terras raras para obter o mesmo desempenho dos ímãs de NdFe?

Esses motores precisam ser cuidadosamente otimizados para atingir seu potencial máximo de desempenho. Cada aspecto da geometria do motor, desde o tamanho do ímã até as menores variações de espessura do rotor, deve ser selecionado com precisão. Ao fazer o ajuste fino desses detalhes, tanto o torque de relutância e o torque do ímã podem ser utilizados em seu pico, permitindo que o motor forneça a maior eficiência e rendimento possíveis sem depender de materiais de terras raras.

Até o momento, os resultados e as simulações foram realizados em Ansys Maxwell, uma ferramenta de simulação eletromagnética de alta fidelidade e de uso geral. No entanto, a Ansys também oferece uma ferramenta mais especializada para análise de motores elétricos chamada Motor-CAD. O Motor-CAD fornece solucionadores de FEA baseados em modelos adaptados para diferentes tipos de motores elétricos. Quando acoplados a optiSLangusando suas interfaces de otimização fáceis de usar, ele se torna uma solução ideal para otimizar o Fas-SynRM para atingir um torque alvo de 11,18 Nm.

OptiSLang executa várias iterações no Motor-CAD, coleta os resultados e cria uma fluxo de trabalho de otimização ucantam seus algoritmos internos. Com base nesses conjuntos de dados, a ferramenta gera um projeto otimizado de motor elétrico que atenda à meta de desempenho especificada – neste caso, 11,18 Nm a 3000 rpm.

fonte: Ansys

Depois de otimizar o FaSynRM design em optiSLang por mais de 500 simulações FEA e 10.000 iterações analíticas, o motor foi refinado para fornecer pelo menos 11,18 Nm de torque a 3000 rpm.

O mesmo fluxo de trabalho de otimização também pode ser aplicado a maximizar a eficiência ou reduzir a ondulação de torque. Neste estudo, apenas o torque em 3000 rpm foi otimizado para atingir o mesmo nível de potência que o projeto de NdFe.

E se os ímãs forem totalmente removidos do design?

Para os tipos de motores sem ímãs, as opções para atingir a mesma densidade de torque dos projetos de NdFeB são limitadas. Os dois principais candidatos são Motores síncronos com excitação elétrica (EESM) e Motores de indução (IM). Neste blog, vamos nos concentrar nos EESM para destacar o potencial de crescimento desse tipo de motor.

Os motores de indução, embora relativamente baratos e apoiados por um longo histórico de fabricação madura, não podem substituir diretamente o rotor de um projeto de NdFe sem alterar o diâmetro externo ou comprimento axial do motor. Essa limitação ocorre porque um motor de indução depende do força de Lorentz para gerar torque, e esse torque geralmente não é suficiente para alcançar a mesma torque e densidade de potência como motores síncronos. (N. Hashemnia e B. Asaei, “Comparative study of using different electric motors in the electric vehicles” (Estudo comparativo do uso de diferentes motores elétricos em veículos elétricos). 2008 18ª Conferência Internacional sobre Máquinas Elétricas, Vilamoura, Portugal, 2008, pp. 1-5, doi: 10.1109/ICELMACH.2008.4800157).

O EESM opera de forma semelhante ao PMSM. A principal diferença é que, no EESM, uma fonte de excitação externa, que cria um torque de alinhamento com o campo magnético rotativo do estator, gera o campo magnético no rotor. Para essa comparação, as dimensões do estator são mantidas constantes para atingir a meta de um substituição direta do rotor entre os tipos de motores.

Em um EESM, o campo eletromagnético é gerado usando um par de escovas e anéis deslizantes montados no eixo, que fornecem corrente para o bobinas de enrolamento ao redor dos polos do rotor. A topologia do rotor em um EESM é bem diferente da de um PMSM, pois deve incluir ranhuras para acomodar o bobinas enroladas. Dois fatores críticos de projeto são número de voltas que pode caber nas ranhuras do rotor, respeitando as tolerâncias de fabricação, e o corrente máxima que pode ser fornecida a essas bobinas sem superaquecer ou danificar o motor.

Ao usar Software CAD para motoresEsse tipo de motor pode ser facilmente projetado e preparado para configurações experimentais. A ferramenta inclui recursos exclusivos que ajudam os usuários a criar projetos de bobinas de rotor de forma mais rápida e eficiente.

Além disso, com sua solucionador de FEA integradocada enrolamento do estator e do rotor pode ser simulado usando diferentes métodos de resfriamento como ventilador de ar, camisa de água ou resfriamento a óleo. Isso permite avaliar e refinar o projeto para torná-lo competitivo com PMSM de NdFe sistemas.

A principal diferença entre um EESM e um PMSM é a presença de escovas e anéis no EESM. Esses componentes transferem corrente contínua para os enrolamentos do rotor por meio do contato físico entre as escovas e os anéis. Dois anéis – um positivo e um negativo – são montados no eixo, enquanto duas escovas (e, em alguns casos, mais, para aumentar a confiabilidade) fazem contato com eles. Embora as escovas sejam projetadas para minimizar o atrito e manter um contato suave, e materiais como o carbono sejam usados para aumentar a durabilidade, essas peças ainda exigem manutenção periódica. Normalmente, a manutenção é necessária a cada dez anos, ou até vinte anos com composições de escovas mais novas, mas elas continuam sendo componentes que sofrem desgaste com o tempo.

Fonte: MunirAcademy

Para superar essa limitação, novas tecnologias agora permitem excitação CC sem escovas dos enrolamentos do rotor (H. Chen, J. Tang, Y. Liu, B. Jiang e L. Boscaglia, “Electromagnetic Performance Investigation of a Brushless Electrically Excited Synchronous Machine for Long-Distance Heavy-Duty Electric Vehicles”, em IEEE Transactions on Transportation Electrification (Transações IEEE sobre eletrificação de transportes), vol. 11, no. 1, pp. 225-235, fevereiro de 2025). Essa abordagem simplifica a fabricação e aumenta a confiabilidade, embora ainda precise de mais desenvolvimento antes de poder ser adotada para produção em larga escala e operação de longo prazo. Dependendo da aplicação, os sistemas modernos de escovas e anéis com vida útil prolongada ainda podem ser a opção mais prática quando combinados com a otimização adequada para manter a eficiência do motor.

Comparação de custos

Como os mesmos materiais de estator, aço e enrolamento são usados em todos os três projetos, seus custos permanecem idênticos. Embora as dimensões do rotor sejam as mesmas, pequenas variações na geometria criam pequenas diferenças em custos de laminação do rotor.

A partir de hoje, Ímãs N30 custo aproximado 60 USD por quilograma, enquanto Ímãs de ferrite Y33 custo sobre 1 USD por quilogramatornando-os mais ou menos 60 vezes mais baratos. Mesmo que o FaSynRM utiliza um volume maior de ímã, o custo total do ímã permanece muito abaixo do custo do projeto NdFe. No EESM, o AWG 16 é usado para o enrolamento do rotor. Seu preço é de cerca de 16 dólares por quilograma.

Quando calculamos o custos de materiais ativosdescobrimos que os ímãs de NdFe contribuem com cerca de 30 por cento do preço total de um PMSM. Em contrapartida, os ímãs de ferrite custam apenas 0,64 USD, elevando o total para Custo do motor FaSynRM para cerca de 68.19 USD, que é 33% mais barato do que o projeto NdFe. O EESM, devido aos enrolamentos adicionais do rotor, é um pouco mais caro do que o FaSynRM, mas ainda é cerca de 20% mais barato do que o motor NdFe.

Essa análise de custo mostra que, além de resolver os problemas da cadeia de suprimentos associados aos ímãs de terras raras, esses projetos alternativos também reduzem significativamente os custos de produção, tornando-os muito mais econômicos para a fabricação em massa. Todos esses aprimoramentos são obtidos simplesmente com substituindo o rotor de um motor existente por um projeto sem terras raras com a otimização correta.

Conclusão

Com base nas simulações e nos projetos discutidos acima, fica claro que ímãs de NdFe podem ser substituídos por ímãs de ferrite ou completamente removido com o uso de bobinas enroladas no rotor. Para conseguir isso, no entanto, é necessário um processo de otimização cuidadoso e abrangente para atingir o potencial de desempenho total. É exatamente nesse ponto que podemos ajudá-lo, orientando-o durante esse processo e ajudando-o a reduzir os custos do protótipo e da produção em massa.

Se estiver pensando em substituir o projeto do seu motor de terras raras, seja para veículos elétricos, bombas, ventiladores ou aplicações industriais – sinta-se à vontade para entrar em contato conosco. Podemos fornecer uma projeto eletromagnético, térmico e mecânico totalmente otimizado totalmente otimizado e adaptado às suas necessidades, garantindo uma transição perfeita do seu motor existente. Dessa forma, você pode reduzir os custos por motor e, ao mesmo tempo, alcançam maior eficiência e desempenho.

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