Em 21 de junho, no 2025 SMM (4ª) Conferência de Sistemas de Acionamento Elétrico & Fórum da Indústria de Motores de Acionamento - Fórum de Sistemas de Acionamento Elétrico Automotivo, organizado conjuntamente pela SMM Information & Technology Co., Ltd., Hunan Hongwang New Material Technology Co., Ltd., Governo Popular do Distrito de Louxing e Zona Econômica e Tecnológica de Loudi de nível nacional, Jia Yuqi, vice-diretor do Instituto de Pesquisa do Centro de Inovação de Acionamento Elétrico de Zhejiang, compartilhou insights sobre "Características de Design de Motores de Acionamento no Contexto de Alta Tensão e Alta Frequência".
Contexto e Desafios
1.1 Contexto - Política/Indústria
A faixa de velocidade dos motores de acionamento de veículos elétricos (VEs) é ampla, e eles exigem acelerações e desacelerações frequentes durante a condução, tornando as condições de operação muito mais complexas do que as dos sistemas de controle de velocidade gerais. O sistema de acionamento elétrico é crucial para determinar o desempenho dinâmico dos VEs.
• Plano de Desenvolvimento de VEs 2025 do Departamento de Energia dos EUA (DOE);
• Crescente demanda dos consumidores por autonomia e desempenho;
• Melhores práticas das marcas automotivas locais em "ultrapassagens em curvas" na indústria automotiva global;
• Uma abordagem importante para alcançar "proteção ambiental de baixo carbono, pico de carbono, neutralidade de carbono, economia de energia e redução de emissões";
Isso exige que os sistemas de acionamento elétrico sejam mais leves, compactos, eficientes e confiáveis, com demandas crescentes por densidade de potência.
1.1 Contexto - Soluções/Componentes e Enrolamentos do Sistema de Acionamento Elétrico
Os inversores SiC oferecem altas frequências de comutação, baixas perdas e altas tensões de trabalho, contribuindo para o aumento da velocidade e densidade de potência do motor de acionamento;
Os enrolamentos de fio plano têm altos fatores de preenchimento de entalhes, baixa resistência CC e boa condutividade térmica, melhorando a eficiência e densidade de potência do motor em condições de operação de média a baixa velocidade;
1.1 Contexto - Soluções do Sistema de Acionamento Elétrico
Soluções mainstream para sistemas de acionamento elétrico em veículos de energia nova: inversor SiC + motor síncrono de ímã permanente enrolado com fio plano;
1.2 Dificuldades e Desafios Técnicos - Alta Tensão, Alta Frequência
A alta tensão leva ao aumento das perdas dielétricas nos materiais isolantes e a um maior risco de descarga parcial;
A alta frequência resulta no aumento das perdas de CA nos enrolamentos de fio plano e na distribuição desigual das perdas dentro dos entalhes, o que pode facilmente levar a pontos quentes locais;
Em condições de alta tensão e alta frequência, a distribuição desigual da tensão entre espiras nos enrolamentos é exacerbada pelos parâmetros parasitas de alta frequência, causando danos e falhas na isolação;
1.2 Dificuldades e Desafios Técnicos - Contramedidas
Considerar cuidadosamente a distribuição desigual das perdas, calor e tensão elétrica durante o estágio inicial de projeto;
Utilizar verniz isolante, materiais isolantes e fio esmaltado resistentes a altas temperaturas e alta coroa;
Contramedidas abrangentes devem ser tomadas de vários aspectos, incluindo novas topologias de motores, novas estruturas de enrolamento, novos materiais, novos processos e sistemas eficientes de gerenciamento térmico;
Considerações-Chave no Design de Motores de Acionamento em Condições de Alta Tensão
2 Considerações-Chave no Design de Motores de Acionamento em Condições de Alta Tensão
2.1 Design do Sistema de Isolamento - Materiais
Sob excitação de alta frequência e alta dv/dt, a isolação dos enrolamentos estará sujeita aos efeitos duplos de tensões elétricas e térmicas significativas. Dadas as demandas por alta densidade de potência e alta confiabilidade, a margem de segurança de isolamento do motor gradualmente se aproxima dos limites permitidos dos parâmetros do material. Portanto, é necessário realizar análises e avaliações de segurança do isolamento entre espiras nos motores durante a fase inicial de projeto. Para garantir as margens de segurança de isolamento e evitar danos e falhas prematuras, podem ser tomadas medidas como aumentar a espessura do isolamento, usar materiais de isolamento com classificações de resistência a temperaturas mais altas e materiais de isolamento resistentes a coroa para garantir a segurança do isolamento. Por exemplo, o fio PEEK resistente a coroa desenvolvido pela Furukawa Electric, no Japão, e usado no motor de acionamento iMMD da Honda pode alcançar uma tensão de início de descarga parcial (PDIV) mais alta e melhor condutividade térmica.
2.1 Projeto do Sistema de Isolamento - Resfriamento
À medida que a densidade de potência do motor aumenta, a densidade de perdas inevitavelmente também aumenta. Combinado com os efeitos de proximidade e de pele em condições de alta frequência, isso pode facilmente levar a uma distribuição desigual da fonte de calor dentro das fendas do motor, resultando em superaquecimento localizado.
A vida útil dos materiais de isolamento do motor está intimamente relacionada à temperatura. Portanto, deve-se prestar atenção ao plano de gerenciamento térmico do motor e fortalecer o desenvolvimento de estruturas de resfriamento eficientes, como resfriamento de enrolamento nas fendas e resfriamento direto do enrolamento.
2.2 Sobretensão de Pulso - Causas e Modelos de Cálculo
Devido à incompatibilidade da impedância característica entre o inversor, os cabos de transmissão e o motor, de acordo com o princípio de reflexão de onda, as ondas de pulso PWM serão refletidas várias vezes entre o inversor e os enrolamentos do motor. A superposição das tensões refletidas e incidentes gerará tensões de oscilação de pulso nas extremidades dos enrolamentos do motor que são mais altas ou mais baixas do que a tensão do barramento, gerando assim tensões de pulso. A tensão de pico é o fator mais perigoso que causa descarga parcial no isolamento do motor.
2.2 Sobretensão de Pulso - Métodos de Supressão
Quando a frequência de comutação for inferior a esse valor, o fenômeno de superposição de duplo pulso não ocorrerá. Portanto, é necessário um projeto de correspondência de impedância para garantir que a frequência de comutação seja inferior a essa frequência.
2.3 Mapa de Eficiência de Motores em Diferentes Níveis de Tensão
Foi feita uma comparação da distribuição de eficiência de motores de tração em tensões de barramento de 400 V, 600 V e 800 V. À medida que a tensão do barramento aumenta, a área da região de alta eficiência do motor de tração se expande significativamente. Além disso, com o aumento da velocidade de ponta, a região de alta eficiência mostra uma tendência clara de se deslocar para a região de alta velocidade, o que atende à demanda por projetos de motores de alta velocidade. Portanto, o desenvolvimento de sistemas de acionamento elétrico de alta tensão para veículos de energia nova não apenas atende aos requisitos de carregamento rápido das baterias, mas também traz novas oportunidades para o projeto de alta eficiência e alta densidade dos motores de tração.
Considerações-Chave no Projeto de Motores de Tração em Condições de Alta Frequência
3.1 Perdas por Harmônicos de Corrente - Causas e Perigos
Os motores de tração para veículos de energia nova são normalmente acionados por inversores de fonte de tensão que utilizam a tecnologia de Modulação por Largura de Pulso de Vetor Espacial (SVPWM). Durante a ativação e desativação contínua de cada dispositivo no ciclo de comutação, são gerados harmônicos de corrente de alta frequência. Enquanto isso, o tempo morto e os tempos de ativação/desativação dos dispositivos podem causar distorção nas formas de onda de tensão e corrente de saída do inversor, introduzindo assim harmônicos de alta frequência. Esses harmônicos de tensão e corrente estão tipicamente localizados perto da frequência portadora e seus múltiplos, aumentando as perdas e reduzindo a eficiência.
3.1 Perdas por Harmônicos de Corrente - Métodos de Supressão
À medida que a frequência de comutação aumenta, o grau senoidal da forma de onda de corrente melhora e a frequência dos principais sub-harmônicos aumenta, mas a amplitude das correntes harmônicas diminui significativamente.
Portanto, o método de supressão das perdas por harmônicos de corrente é melhorar o grau senoidal da forma de onda de corrente, reduzir o conteúdo harmônico de cada ordem e, assim, reduzir as perdas por harmônicos de corrente. As principais medidas incluem aumentar a frequência de comutação do inversor, deslocar os entalhes/pólos, otimizar a estrutura do pólo magnético, selecionar a forma de enrolamento e selecionar a combinação entalhe-pólo, entre outras.
3.2 Perdas de CA de Alta Frequência nos Enrolamentos - Causas e Perigos
Quando a corrente alternada flui através de um condutor ou quando ele é colocado em um campo magnético alternado, são induzidos efeitos de corrente parasita, a saber, efeito pele e efeito de proximidade. O efeito pele faz com que a corrente tenha tendência a fluir pela superfície do condutor quando uma corrente alternada passa por ele, enquanto o efeito de proximidade faz com que a corrente em dois condutores adjacentes tenha tendência a fluir pelos lados devido à influência dos campos magnéticos uns dos outros. Ambos os efeitos reduzem a área condutora real do condutor e aumentam as perdas.
Quanto maior a frequência de operação do motor de acionamento, mais graves são as perdas de CA nos enrolamentos de fios planos. Além disso, os motores de acionamento para veículos de energia nova operam em várias condições e, em certos pontos de operação, a proporção de perdas de CA nos enrolamentos de fios planos é muito alta. Os impactos adversos são principalmente em três aspectos: redução da eficiência do motor, o que não é favorável para melhorar a densidade de potência do sistema de acionamento elétrico; aumento das exigências de dissipação de calor, o que impõe exigências mais elevadas à estrutura de resfriamento do motor e ao gerenciamento térmico; e distribuição desigual das perdas dentro das ranhuras, levando a pontos quentes locais e ameaçando a segurança de isolamento do motor.
Portanto, deve-se prestar atenção suficiente durante a fase de desenvolvimento do motor.
3.2 Perdas de CA de Alta Frequência nos Enrolamentos - Métodos de Supressão
Os métodos de supressão das perdas de CA em enrolamentos de fios planos em altas frequências incluem principalmente:
Aumentar o tamanho da abertura da ranhura do estator (para reduzir as perdas do condutor causadas pelo campo magnético do induzido);
Aumentar a distância entre o condutor e a abertura da ranhura do estator (para reduzir as perdas do condutor causadas pelo campo magnético de fuga na ranhura sob o campo magnético do ímã permanente);
Reduzir o tamanho do condutor (para enfraquecer os efeitos do efeito pele e do efeito de proximidade);
Aumentar adequadamente o tamanho da ponte de isolamento magnético;
Transpor condutores entre ranhuras e camadas (para reduzir as perdas de corrente circulante quando o número de ramos paralelos é maior que um);
Utilizar fios Litz para os enrolamentos (transposição entre fios).
3.3 Eficiência do Motor em Diferentes Frequências de Comutação
Foi feita uma comparação das perdas em motores de acionamento em frequências de comutação de 10 kHz, 20 kHz e 50 kHz. À medida que a frequência de comutação aumenta, as perdas em cada parte do motor mostram uma tendência de diminuição. No entanto, quando a frequência de comutação aumenta até um certo valor, as perdas do motor deixarão de mudar significativamente. Portanto, dentro de um certo intervalo, uma frequência de comutação mais alta é benéfica para reduzir as perdas globais do motor, o que também facilita o projeto de motores de alta velocidade.
No entanto, à medida que a frequência de comutação aumenta, as perdas do inversor aumentarão correspondentemente. Consequentemente, a escolha da frequência de comutação exige um equilíbrio entre as perdas do motor e do inversor para alcançar as menores perdas totais em todo o sistema de acionamento elétrico.
Resumo
4.1 Requisitos
Requisitos de projeto principais para motores de acionamento em condições de alta tensão e alta frequência:
Ø Isolamento confiável: os pulsos PWM de alta frequência se refletem várias vezes entre o inversor e os enrolamentos do motor, causando superposição de tensão nas extremidades dos enrolamentos e representando uma ameaça à segurança do isolamento dos enrolamentos;
Ø Eficiência eletromagnética: a operação de alta frequência exacerba os efeitos de pele e as perdas harmônicas, exigindo uma modelagem eletromagnética precisa para otimizar a topologia do enrolamento de fios de cobre planos, a estrutura da abertura do entalhe e o projeto da barreira magnética, empregando vários métodos para melhorar abrangentemente a eficiência de conversão eletromagnética;
Ø Resfriamento eficaz: a alta densidade de potência leva a perdas concentradas e ao aumento da densidade de energia térmica. Tecnologias como canais de resfriamento impressos em 3D e resfriamento a água no entalhe podem ser combinadas para estabelecer um sistema de resfriamento multicanal, utilizando simulações de acoplamento de campos fluidos e térmicos para otimizar os caminhos de resfriamento e manter as temperaturas dos componentes do motor dentro de intervalos razoáveis.
4.2 Contradições
• Aumentar a tensão de alimentação expande significativamente a zona de alta eficiência do motor de acionamento, mas a tensão de pulso de alta dv/dt emitida pelo SiC aumenta simultaneamente a tensão de isolamento nos enrolamentos do motor, ameaçando a segurança do isolamento dos enrolamentos;
• Frequências de operação mais altas facilitam o aumento da velocidade de rotação e do número de pólos, bem como a melhoria da densidade de potência do motor de acionamento, atendendo às demandas do sistema por miniaturização e projeto leve. No entanto, isso também leva ao aumento das perdas nos enrolamentos de CA e das perdas mecânicas, com as primeiras exacerbando a distribuição térmica desigual dentro dos entalhes.
4.3 Equilíbrio
• Como um sistema multivariável, fortemente acoplado e não linear, resolver uma questão técnica no projeto do motor inevitavelmente introduz outra. O projeto de motores é um processo de busca de equilíbrio entre contradições, que exige concessões entre melhoria de desempenho, supressão de perdas, estrutura de resfriamento, gerenciamento térmico e segurança de isolamento;
• Ir além da inércia do pensamento de produto único para considerar os problemas de forma mais macroscópica, desde a melhoria de todo o sistema de propulsão elétrica até o aumento da eficiência e densidade de potência globais do veículo.
Além disso, apresentou a visão geral, posicionamento, objetivos de construção, planos estratégicos, robô humanoide e economia de baixa altitude do Centro de Inovação de Propulsão Elétrica de Zhejiang.
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