Revolucionando rotores

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

A demanda por motores de indução está crescendo. A escassez de terras raras, as mudanças climáticas, a eletrificação da mobilidade e outras tendências estão impulsionando essa demanda. No entanto, o motor de indução industrial comum tem pontos fracos.

Com sua tecnologia de fundição sob pressão laminar, o fabricante alemão de rotores Wieland eTraction Systems aumenta o desempenho em motores assíncronos. Mantendo as vantagens conhecidas dos motores assíncronos, esses 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 ao redor. Esta gaiola é normalmente fabricada usando 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, portanto, requer tempos de enchimento curtos de menos de 0,1 segundos com vazões de mais de 50 m/s.

Para conseguir isso, a indústria está usando portões de ponto. A desvantagem: esses portões não preenchem todos os slots da pilha de uma só vez. A massa fundida flui primeiro pelas ranhuras diretamente no portão, depois para o anel oposto e, finalmente, preenche as ranhuras restantes pela parte traseira com o chamado enchimento de retorno. Como resultado, o ar, os gases do processo e as frentes de fusão contaminadas com óleo e óxido não podem escapar.

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

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, altas densidades de corrente e estresse mecânico máximo das forças centrífugas devem ser esperados.

Para reduzir esses possíveis pontos problemáticos, muitas fundições limitam a geometria e reduzem o número, o comprimento e a largura dos slots. Processos alternativos de fabricação, como usinagem ou soldagem, têm limitações semelhantes. Isso significa que todo o potencial da tecnologia de motores assíncronos permaneceu inexplorado por 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 todos os slots 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 do núcleo laminar para áreas não críticas. Uma vez que 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 do torque característico e minimizando o ruído emitido.

O Institute for Metal Forming 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 reais de rajada confirmaram esse comportamento.