Como resfriar motores de VE: ganho de eficiência de 31% no design de PMSM

A expansão dos veículos elétricos está acelerando rapidamente. Esse movimento traz um grande desafio de engenharia para o centro das atenções. O gerenciamento térmico em motores síncronos com ímãs permanentes tornou-se crítico. As transmissões modernas geram calor intenso. Esse calor se concentra no estator e nos enrolamentos. Se não for controlado, ele degrada o isolamento e reduz o desempenho magnético. A confiabilidade cai quando as temperaturas sobem demais.

Os métodos tradicionais de resfriamento muitas vezes ficam aquém. O resfriamento a ar não tem capacidade para aplicações de alta potência. O resfriamento líquido indireto introduz resistência térmica. Camadas de material separam a fonte de calor do fluido refrigerante. Os engenheiros precisavam de uma solução melhor. Eles desenvolveram sistemas combinados de resfriamento direto e indireto. Essa abordagem usa jatos internos de óleo nos enrolamentos. Ela também utiliza canais externos na carcaça do estator. O objetivo é suprimir pontos quentes sem perder eficiência.

A otimização exige equilibrar objetivos conflitantes. É preciso minimizar as temperaturas dos componentes. Ao mesmo tempo, deve-se reduzir a potência hidráulica da bomba. Um estudo recente explorou esse equilíbrio usando dinâmica dos fluidos computacional avançada. Os pesquisadores analisaram um PMSM de alta carga operando a 10.000 rpm. Eles examinaram três variáveis principais. Entre elas estavam o diâmetro do bocal, a vazão do fluido refrigerante e a temperatura de entrada do óleo.

Os resultados revelaram trocas interessantes. Aumentar o diâmetro do bocal de 1,1 mm para 1,7 mm reduziu a queda de pressão em quase 31%. As mudanças de temperatura foram mínimas durante esse ajuste. Vazões maiores de fluido refrigerante ofereceram outros benefícios. Elevar a vazão de 10 para 20 litros por minuto baixou a temperatura dos enrolamentos em mais de 15 K. No entanto, a resistência hidráulica aumentou em mais de 213%. Reduzir a temperatura de entrada do óleo melhorou a proteção, mas aumentou a potência de bombeamento relacionada à viscosidade.

Para encontrar o melhor compromisso, os pesquisadores usaram uma rede neural artificial. Eles acoplaram isso ao algoritmo NSGA-II e ao framework de decisão TOPSIS. O projeto ideal apresentou um diâmetro de bocal de 1,7 mm. A vazão foi definida em 16,59 litros por minuto. A temperatura de entrada permaneceu em 15°C. Essa configuração conseguiu uma redução de 31% na potência ideal de bombeamento hidráulico. As temperaturas dos componentes ficaram comparáveis às linhas de base de alta vazão.

A divisão natural do fluxo entre os ramos foi de aproximadamente 54% e 46%. Essas descobertas demonstram que a otimização inteligente melhora o desempenho termo-hidráulico. Os motores de VE podem se tornar mais compactos e energeticamente eficientes. A confiabilidade permanece intacta. Trabalhos futuros validarão esses modelos sob ciclos de condução transitórios. Efeitos do domínio rotacional serão incorporados para refinar ainda mais as estratégias.