Revolucionando rotores

Aug 01, 2023

A construção de rotores eficientes para mobilidade elétrica começa com a primeira gota de material fundido

A demanda por motores de indução está crescendo. A escassez de terras raras, as alterações climáticas, a eletrificação da mobilidade e outras tendências estão a impulsionar esta procura. No entanto, o motor de indução industrial comum apresenta pontos fracos.

Com sua tecnologia de fundição laminar, o fabricante alemão de rotores Wieland eTraction Systems aumenta o desempenho em motores assíncronos. Embora mantenham as vantagens conhecidas dos motores assíncronos, estes agora tipos de rotores de alumínio e cobre oferecem benefícios significativos em eficiência e segurança.

Cada rotor consiste em múltiplas laminações de aço elétrico perfuradas individualmente que são empilhadas em uma gaiola fundida circundante. Esta gaiola é normalmente fabricada com fundição sob pressão de alta pressão. Com tempos de ciclo de um a dois minutos, esse processo pode ser altamente automatizado. Mas do ponto de vista da fundição, os rotores são estruturas muito complexas.

Depois de colocar as pilhas de laminação na ferramenta, a câmara de fundição é preenchida com metal fundido. Um pistão força o metal líquido para dentro da ferramenta de fundição em alta velocidade. Uma vez no molde, o alumínio ou o cobre fundido solidificam rapidamente. A tecnologia industrial requer, portanto, tempos de enchimento curtos, inferiores a 0,1 segundos, com vazões superiores a 50 m/s.

Para conseguir isso, a indústria está usando portões pontuais. A desvantagem: esses portões não preenchem todos os slots da pilha de uma só vez. O fundido flui primeiro através das ranhuras diretamente na porta, depois para o anel oposto e, finalmente, preenche as ranhuras restantes pela parte traseira com o chamado preenchimento posterior. Como resultado, o ar, os gases de processo e as frentes de fusão contaminadas com óleo e óxido não conseguem escapar.

Durante a transição do estado líquido para o sólido, ocorre uma diminuição de volume, chamada contração de solidificação. Para compensar esse encolhimento, o pistão continua a pressionar, mesmo após o molde ter sido preenchido até sua capacidade total. A combinação de gás aprisionado e retração resulta em uma alta porosidade total. Os rotores fundidos atingem até 10% de porosidade, bem acima da tolerância de 5%.

Cada poro reduz a área condutora, causa desequilíbrio e impacta negativamente nas propriedades mecânicas do rotor. Quando os poros estão centrados na transição da ranhura para o anel final, devem ser esperadas altas densidades de corrente e tensão mecânica máxima das forças centrífugas.

Para reduzir esses possíveis pontos problemáticos, muitas fundições limitam a geometria e reduzem o número, o comprimento e a largura das ranhuras. Processos alternativos de fabricação, como usinagem ou soldagem, têm limitações semelhantes. Isto significa que todo o potencial da tecnologia de motores assíncronos permaneceu inexplorado durante muito tempo.

O processo de fundição por compressão laminar desenvolvido pela Wieland eTraction Systems é projetado para fundir rotores com porosidade zero - os chamados rotores de porosidade zero (ZPR). O sistema de gating patenteado garante o preenchimento simultâneo de todas as ranhuras e novas geometrias. Em contraste com o enchimento turbulento convencional, o processo de enchimento é ascendente e laminar. Os requisitos de mão de obra são apenas ligeiramente diferentes da fundição convencional, permitindo uma produção econômica.

Com vazões mais baixas, o material fundido permanece líquido na comporta por mais tempo e, portanto, facilita a realimentação. O gerenciamento térmico ativo controla o progresso da solidificação desde o núcleo laminar até áreas não críticas. Como todas as ranhuras são preenchidas ao mesmo tempo no processo de fundição por compressão laminar, as frentes de fusão contaminadas são direcionadas para o transbordamento.

O processo de fundição por compressão laminar resulta em um aumento típico de 3-5% na condutividade elétrica, ajudando a reduzir significativamente a flutuação de torque característica e minimizando o ruído emitido.

O Instituto de Conformação de Metal da Universidade de Aachen escaneou diferentes estruturas de poros usando tomografia computadorizada. Além disso, foi simulado o comportamento mecânico do material em limites extremos. Os resultados indicam que um aumento de velocidade de aproximadamente 12,5% é tecnicamente possível com um rotor livre de porosidade. Testes de explosão reais confirmaram esse comportamento.