CONSIDERAÇÕES TÉRMICAS PARA MOTORES DC SEM FERRO COM E SEM ESCOVA

INTRODUÇÃO E PRINCÍPIO

A conversão de energia elétrica em potência mecânica sempre gera perdas durante o processo. Essas perdas de energia são transformadas principalmente em energia térmica e tendem a ser maiores em magnitude quando a potência mecânica resultante é maior. A energia térmica gerada dentro de um motor elétrico cria um aumento de temperatura que resultará em uma transferência de calor do mais quente para mais frio (graças à condução e à convecção) e, eventualmente, transporta o calor para fora do motor.

Um dos maiores desafios para os fabricantes de motores elétricos é garantir que a temperatura interna instantânea do motor nunca exceda a temperatura máxima admissível de seus vários componentes. Dependendo do design do motor e dos materiais usados, os fenômenos térmicos determinarão o desempenho do motor.

Os projetistas normalmente consideram duas áreas de melhoria para aumentar o desempenho de um motor sem superaquecer e danificar seus componentes:

Minimizar as perdas: melhorar a eficiência da conversão de energia ao gerar menos calor para uma dada potência elétrica (possibilitando uma maior potência mecânica para a mesma geração de calor).

Melhorar a capacidade do motor de conduzir a energia térmica gerada ao ambiente circundante (dissipação de calor) de forma que a elevação da temperatura interna diminua, permitindo maior geração de energia térmica para a mesma elevação da temperatura interna.

Para ajudá-lo a compreender esse fenômeno, usaremos uma analogia de água enchendo uma banheira que está vazando simultaneamente.

O fluxo de água que sai da torneira corresponde à geração de energia térmica dentro do motor. Assim que a água se acumular na banheira, a pressão no fundo resultará em um vazamento que fará com que a água saia da banheira, o que corresponde à dissipação do calor. Quanto mais alto for o nível da água, maior será a pressão no fundo da banheira e, portanto, maior será o fluxo de vazamento de água.

Da mesma forma, a dissipação de calor de um motor é proporcional ao delta entre a temperatura interna do motor e a temperatura externa (ambiente). Mas, como o fluxo de água depende do diâmetro do orifício de saída, a dissipação de calor também depende da resistência térmica, que define “quão difícil” é tirar o calor do motor. Quanto menor a resistência térmica, mais fácil e rápido o calor será conduzido para fora do motor, o que significa uma maior potência de dissipação:

Uma banheira tem capacidade finita e transbordará se o nível da água ultrapassar um determinado ponto. Da mesma forma, os componentes de um motor têm uma determinada capacidade térmica, e, se a temperatura instantânea exceder um certo nível, isso pode danificar os componentes em segundos. O desempenho nominal do motor deve corresponder ao requisito de manter sua temperatura dentro da faixa de temperatura operacional admissível.

Normalmente, o componente mais crítico é a bobina, pois é aqui que ocorre o aquecimento por joule. No caso de temperatura excessiva, o revestimento de isolamento ao redor do fio de cobre acabaria derretendo, resultando em danos permanentes ao motor.

OPERAÇÃO EM ESTADO ESTACIONÁRIO

Motor DC com escova

Um motor DC com escova sem núcleo geralmente é projetado como uma bobina autossustentada girando no entreferro entre um ímã permanente e o alojamento, que são ambos parte do estator.

A potência de aquecimento em joule (W) produzida na bobina giratória está diretamente ligada à sua resistência elétrica R (Ω) e à corrente que flui através dela, I (A). Não há perdas de ferro porque o rotor não tem ferro.

Conforme a temperatura da bobina aumenta, o calor será transferido da bobina para o tubo (1) e, em seguida, do tubo para o ambiente (2), conforme mostrado na figura 2. Essas duas etapas sucessivas têm resistências térmicas diferentes (R1 e R2, respectivamente), uma vez que os materiais individuais têm condutividades térmicas díspares, e a forma, a massa e a área de superfície de cada parte também influenciam como o calor será transferido.

Uma questão de equilíbrio entre geração e dissipação…

Assumindo que a corrente elétrica I fluindo através da bobina não é excessiva, a temperatura da bobina aumentará e a dissipação de calor também aumentará até certo ponto (porque é proporcional a Tbobina - Tamb), em que a dissipação de calor compensará exatamente a geração de calor. Neste ponto, a energia térmica contida no motor é constante ao longo do tempo, fazendo com que a temperatura de seus componentes não varie mais.

Semelhante à banheira que perde exatamente a mesma quantidade de água por segundo que a torneira está adicionando ao mesmo tempo, a bobina se estabilizará em uma determinada temperatura, já que o nível de água se estabiliza em uma determinada altura na banheira. Caso a temperatura da bobina esteja ligeiramente acima desse valor estabilizado, a potência de dissipação ligeiramente maior permitirá que a temperatura volte ao valor estabilizado. O estado estacionário é, então, alcançado.

É possível calcular a temperatura constante da bobina em função da corrente elétrica I (A), da resistência elétrica R (Ω), das resistências térmicas R1 e R2 (K/W) (somadas por serem consecutivas) e a temperatura ambiente Tamb (K), uma vez que a dissipação de calor é equilibrada com a criação de calor em estado estacionário:

A resistência elétrica aumenta conforme a temperatura aumenta…

Considerando que a resistência elétrica (R) da bobina, na verdade, depende de sua temperatura instantânea, e que a temperatura da bobina agora é muito maior do que a temperatura ambiente, é importante considerar a resistência elétrica real da bobina em uma dada temperatura.

Como exemplo, considerando uma elevação de temperatura da bobina de 100 °C (Tbobina-Tamb), ta fórmula acima mostra que a resistência da bobina é 39% maior a 122 °C em comparação com sua resistência a 22 °C (R22), que é um aumento drástico e não pode ser negligenciado nos cálculos térmicos.

Devido a esse fenômeno, a potência de aquecimento em joule R*I2 é, portanto, maior em altas temperaturas (assumindo que a corrente ainda é a mesma), e levará a bobina a atingir seu estado estacionário final a uma temperatura que pode ser calculada da seguinte forma:

A Tabela 1 mostra que, depois de um tempo (dependendo da constante de tempo térmica), a temperatura da bobina está aumentando cada vez mais lentamente até atingir sua temperatura de estado estacionário final.

Vamos considerar que a corrente elétrica I seria agora mais alta (devido a uma carga de torque mais pesada, por exemplo), a bobina se estabilizaria em uma temperatura mais alta do que antes. A temperatura estabilizada mais alta aceitável da bobina não deve exceder a temperatura máxima admissível da bobina, especificada pelo fabricante do fio de cobre (por exemplo, 125 °C). Consequentemente, isso define um valor máximo de corrente elétrica que pode ser calculado com a fórmula anterior e que é geralmente referido como “corrente nominal” ou “corrente máxima contínua” nas especificações do motor. Como o torque e a corrente são proporcionais (se não houver saturação), também define o “torque nominal” ou “torque máximo contínuo”.

MOTOR DC SEM ESCOVA

Os motores sem escovas usam o mesmo princípio de funcionamento dos motores com escova (força de Laplace aplicada a um elétron em movimento em um campo magnético), exceto que a bobina é fixada no estator e o ímã permanente gira com o eixo. A comutação de fase é operada eletronicamente.

Uma fonte de aquecimento adicional dentro do motor…

Ter um campo magnético em movimento em relação ao estator que contém laminações de ferro (para fechar o campo magnético dentro do motor) resulta em um fenômeno denominado “perdas de ferro” que consiste em ter uma corrente elétrica induzida na pilha de laminação do estator. Essa corrente provoca o aquecimento gerado dentro do estator, que se soma ao aquecimento joule já gerado na bobina (como nos motores com escova). Como as perdas de ferro são proporcionais à velocidade do motor, elas podem ser desprezadas em baixa velocidade, mas tendem a se tornar maiores do que as perdas de joule em alta velocidade. Devido a isso, o torque deve ser mantido mais baixo em alta velocidade.

Voltando à analogia da água, a banheira seria abastecida por duas fontes de água, uma sendo as perdas de joule e a outra sendo as perdas de ferro.

Pelo projeto mecânico, os motores sem escovas podem atingir velocidades muito maiores do que os motores com escova, pois sua velocidade não é limitada pelo sistema de comutação mecânica da escova/coletor.

A divisão entre as duas fontes de aquecimento pode ser vista como uma compensação entre perdas de joule em alto torque (baixa velocidade) e perdas de ferro em alta velocidade (baixo torque), mas o desafio térmico permanece o mesmo: manter a temperatura da bobina abaixo de sua temperatura máxima admissível.

Impacto da resistência térmica no desempenho

Conforme mencionado anteriormente, consideramos duas resistências térmicas diferentes para o calor viajar da bobina para o ambiente externo. R1 é intrínseco ao projeto do motor. No entanto, Rth2 depende do projeto do motor e dos arredores do motor. De fato, a criação de um contato entre o motor e outro corpo com alta condutividade térmica ajudará o motor a dissipar seu calor e operar em uma temperatura mais fria.

  • Envolvendo o corpo do motor (tubo/luva adicional…)
  • Adicionar um fluxo de ar ao redor do corpo do motor para promover a convecção
  • Montagem da face frontal do motor no corpo metálico

Dependendo da configuração e, mais importante, da condutividade térmica do material, os elementos ao redor podem ajudar ou impedir que o motor dissipe seu calor para o ambiente externo.

Na maioria dos casos, um motor é instalado em peças metálicas, geralmente montadas de sua face frontal em um suporte ou estrutura de metal. A condutividade térmica favorável do metal ajudará a drenar o calor do motor (como exibido na figura 5), o que fornecerá melhor resfriamento do que ter o motor rodeado apenas por ar.

Consequentemente, é apropriado modificar o valor da resistência térmica R2 para refletir essa melhor capacidade de resfriamento, dependendo da configuração de montagem do motor na aplicação (material, tamanho, área de superfície, capacidade térmica do elemento externo, todos impactam o R2 real a ser considerado).

O equivalente à analogia da banheira seria ter um diâmetro de saída maior, para drenar a água em um ritmo mais rápido sem a necessidade de ter um nível de água (pressão) maior dentro da banheira.

Isso teoricamente depende de cada aplicação, mas uma estimativa justa é considerar metade do valor de R2no cálculo térmico (quanto menor o valor, melhor o resfriamento), o que subsequentemente resulta em um torque nominal mais alto (torque máximo contínuo) para a mesma temperatura máxima da bobina Tbobina (o torque é proporcional à corrente elétrica I).

Projetistas e fabricantes de motores como a Portescap se envolvem com os clientes no início de seu processo de desenvolvimento para avaliar a capacidade de dissipação de um motor ou conjunto de motor/caixa de engrenagens, uma vez instalado em uma determinada aplicação, para melhor avaliar as condições de trabalho e aproveitar todo o potencial do sistema de motorização.

OPERAÇÃO TEMPORÁRIA

Torque de pico

Algumas aplicações requerem alto torque apenas por um curto período. Ferramentas elétricas industriais, como parafusadeiras, requerem velocidade durante a fase de aparafusamento e um torque máximo durante a fase de aperto, que dura cerca de um segundo ou menos.

É aceitável alimentar um motor com corrente elétrica que ultrapasse a corrente contínua máxima do motor, desde que a temperatura da bobina não ultrapasse sua temperatura máxima admissível, o que significa que a duração dessa operação deve ser limitada.

Considerando uma banheira vazia, abríamos repentinamente a torneira com um fluxo de água muito forte. Como geralmente consideramos um pico de torque por uma curta duração (alguns segundos), podemos normalmente negligenciar a dissipação de calor (que tem uma constante de tempo mais longa) e considerar o sistema como adiabático.

O nível da água subiria rapidamente e a banheira seria enchida em segundos. Da mesma forma, a temperatura da bobina atingiria sua temperatura máxima admissível em segundos. A fórmula a seguir fornece a temperatura da bobina ao longo do tempo quando a dissipação de calor é negligenciada (tempo curto):

 

Isso mostra que a capacidade térmica da bobina também é importante. Uma maior capacidade térmica permitirá resistir a uma corrente de pico por mais tempo (ou a uma corrente de pico mais alta pela mesma duração). Na verdade, quanto maior uma banheira, mais tempo leva para ser preenchida.

Motores sem escovas sem ranhura são motores particularmente adequados para torques de pico curtos:

  • O design do estator sem ranhuras possibilita atingir alto torque com alta corrente, normalmente 10 vezes o torque máximo contínuo do motor com corrente 10 vezes mais alta (designs diferentes, com ranhuras, têm o torque limitado ao máximo devido à saturação magnética, tornando tal corrente inútil em termos de resultado de torque).
  • Projetos de bobinas sem ranhura podem acumular uma grande quantidade de energia térmica graças à sua maior capacidade térmica
  • É útil ter uma equipe de engenharia que se envolve com os clientes interessados em torques de pico para definir a melhor solução, de acordo com os desafios específicos de cada aplicação.

Ciclo de trabalho periódico

Em alguns casos, o requisito de torque da aplicação é um determinado perfil de torque que se repete ao longo do tempo. Até certo ponto, o torque mais alto durante o ciclo pode exceder o torque máximo contínuo do motor, dependendo do perfil de torque e da duração de cada etapa do ciclo.

Se a duração de um ciclo (período de repetição) for significativamente menor do que a constante de tempo térmica, geralmente consideramos um valor de torque contínuo equivalente (ou valor atual) que pode ser calculado como uma média quadrática (RMS, raiz quadrada da média) devido ao joule o aquecimento é proporcional a I2.

Uma vez definida a corrente RMS, podemos considerá-la como um valor contínuo ao longo do tempo, e simplesmente ter certeza de que não é maior que o torque máximo contínuo do motor.

Como um lembrete, o impacto da resistência térmica mencionada anteriormente (dependendo do ambiente do motor na aplicação) também desempenha seu papel aqui, uma vez que estamos assimilando esse caso a uma operação em regime permanente (ainda supondo que o período do ciclo de trabalho seja menor do que a constante de tempo térmica).

MOTOR DC SEM ESCOVA COM RESFRIAMENTO DE FLUXO DE AR ATIVO

Como o gerenciamento de calor é fundamental para o desempenho de um motor, os engenheiros encontraram maneiras alternativas de melhorar ainda mais a maneira como os motores lidam com o calor. Uma maneira de fazer isso é projetar estatores com um caminho de ar integrado, de modo que o fluxo de ar possa transportar o calor para longe do motor. Isso se concentraria na enorme convecção de calor dentro do motor, em vez de nos projetos que dependem principalmente da condução de calor. Esse dissipador de calor adicional pode ser visto como uma resistência térmica reduzida, pois ajuda a drenar o calor do motor.

Em alguns casos, o fluxo de ar pode ser conduzido por uma fonte externa, como um sistema de ar comprimido. Mas, quando o motor está incorporado em um dispositivo portátil ou em qualquer ambiente sem ar comprimido disponível, é possível integrar um ventilador no eixo do motor, que conduzirá o fluxo de ar através do corpo do motor enquanto ele está operando. Nesse caso, quanto maior a velocidade do motor (portanto, a velocidade do ventilador), mais forte será o fluxo de ar e menor será a resistência térmica. Em outras palavras, a capacidade de torque de tais motores pode ser surpreendentemente maior em alta velocidade do que em baixa velocidade, uma vez que a dissipação de calor é significantemente melhorada quando o ventilador funciona mais rápido. Isso é verdade até certo ponto, porque o ventilador que aciona o ar aplica um torque de carga ao motor, o que eventualmente cria geração adicional de calor quando a velocidade é muito alta.

CONCLUSÃO

O desempenho de motores elétricos depende de muitos aspectos, um deles é o gerenciamento de calor. Os motores podem ser aprimorados para enfrentar muitos desafios, de acordo com o ciclo de trabalho de cada aplicação, ambiente e fatores críticos de sucesso (seja entregando o maior torque, maior velocidade, melhor eficiência energética para prolongar a vida da bateria ou operando na temperatura mais baixa possível…). É melhor procurar um parceiro que forneça suporte estendido para entender os desafios dos clientes e impulsionar o sucesso, escolhendo a solução mais adequada para cada aplicação.

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Figura 1
Figura 1: analogia da água de transferência de calor em um motor
Figura 2
Figura 2: Dissipação de calor em um motor DC com escova sem núcleo
Tabela 1
Tabela 1: A temperatura da bobina se estabiliza em uma determinada temperatura quando a corrente é constante ao longo do tempo.
Figura 3
Figura 3: Exemplo de construção de um motor DC sem escova
Figura 4
Figura 4: Analogia da água de transferência de calor em um motor DC sem escova com fonte de calor dupla
Figura 5: Dissipação de calor através de elementos externos em contato com o corpo do motor
Figura 6
Figura 6: Analogia da água de dissipação de calor aumentada devido à resistência térmica mais baixa. Como o nível da água é mais baixo aqui, podemos usar mais torque (mais geração de calor) antes que o nível atinja sua temperatura máxima admissível.
Figura 7
Figura 7: uma corrente muito alta é considerada por um curto período, a tal ponto que desprezamos a dissipação.