Pontos-chave para a seleção do rotor do motor de fluxo axial sob diferentes condições operacionais - motores de cubo, juntas de robôs, propulsão de drones

Introdução: Mudança de Paradigma de 'Cilindro' para 'Disco'

Quando as pessoas pensam em motores elétricos, a maioria imagina um cilindro longo onde o estator envolve o rotor e o campo magnético se propaga radialmente. No entanto, um motor que desafia esta forma convencional está a impulsionar uma nova revolução tecnológica – o motor de fluxo axial . Ele comprime o estator e o rotor em um disco quase plano, tão compacto quanto um biscoito recheado.

O núcleo desta revolução achatadora reside numa mudança fundamental na direção do caminho magnético. Num motor de fluxo radial tradicional, o campo magnético irradia para fora do eixo; em um motor de fluxo axial, o campo magnético corre paralelo ao eixo, com o estator e o rotor voltados um para o outro em um arranjo de disco. Esta mudança traz vantagens de desempenho surpreendentes:  com o mesmo uso de material, o torque de um motor de fluxo axial é proporcional ao cubo do diâmetro do rotor (enquanto para um motor radial tradicional é apenas o quadrado do diâmetro), alcançando um aumento na densidade de torque de 2 a 3 vezes e uma eficiência superior a 96%.  Ao mesmo tempo, seu comprimento axial é apenas 1/3 a 1/2 de um motor convencional, com volume reduzido em mais de 50% e peso reduzido em aproximadamente 40% –50% sob a mesma potência.

A chave para alcançar essa alta densidade de potência e densidade de torque em motores de fluxo axial está no design engenhoso da estrutura do rotor. Diferentes cenários de aplicação impõem requisitos de desempenho distintos, e a seleção da estrutura do circuito magnético do rotor, do material do ímã permanente e da topologia muitas vezes determina diretamente se o motor pode realizar plenamente suas vantagens. Este artigo começa com três cenários típicos de aplicação – motores de cubo, juntas de robôs e propulsão de drones – e analisa sistematicamente os pontos centrais da seleção do rotor.

1. Motores de cubo: compensação entre densidade de torque e ampla faixa de velocidade

Os motores de cubo são instalados dentro do aro da roda, onde o espaço é extremamente limitado – esta é a principal restrição do projeto. Eles devem fornecer simultaneamente alta densidade de torque (para partida e subida), uma ampla faixa de velocidade (desde rastejamento em baixa velocidade até cruzeiro em alta velocidade) e boa capacidade de dissipação de calor.

Em termos de seleção da estrutura do rotor, os motores de cubo geralmente usam  tipos de montagem em superfície e raios (internos) , cada um com diferentes prioridades de projeto. Os ímãs permanentes montados na superfície são fixados diretamente à superfície do núcleo do rotor, oferecendo uma estrutura simples, alta densidade de fluxo no entreferro e adequação para aplicações que buscam a máxima densidade de potência. No entanto, a rotação em alta velocidade de um rotor de grande diâmetro gera uma enorme força centrífuga, exigindo uma luva de retenção para fixar os ímãs montados na superfície. Isto exige materiais não magnéticos de alta resistência, e a própria luva aumenta o entreferro, reduzindo assim a produção.

Ímãs permanentes do tipo raio (internos) estão embutidos dentro do rotor. Através da concentração de fluxo, eles melhoram significativamente a densidade de torque e a capacidade de extensão de velocidade de enfraquecimento do fluxo. Por exemplo, o motor de cubo do tipo raio STAF-PMSM projetado pela Universidade de Jiangsu usa uma estrutura de rotor duplo para aumentar a área de excitação do entreferro, alcançando excitação de concentração de fluxo. Ele fornece um torque máximo de 280 N·m e uma potência máxima de 15 kW, tornando-o adequado para veículos de nova energia com tração distribuída nas rodas. Além disso, a estrutura interior protege eficazmente os ímanes permanentes da exposição direta a altas temperaturas e ao impacto mecânico, superando o risco de desprendimento do íman que os tipos montados na superfície enfrentam a altas velocidades.

O gerenciamento térmico é outro desafio central para motores de cubo. Sob operação de alta potência, as perdas eletromagnéticas são concentradas e as condições de resfriamento são ruins. Isso requer modelagem térmica precisa com base na análise de perdas para obter um resfriamento eficaz. Atualmente, o motor de fluxo axial de rotor único e estator duplo (AFIR) melhora a densidade de potência aumentando a carga elétrica com dois estatores, enquanto o motor de fluxo axial sem forquilha (YASA) elimina a forquilha do estator para reduzir a perda de ferro, diminuindo a carga térmica enquanto melhora a eficiência e a densidade de torque.

No geral, a seleção do rotor para motores de cubo deve equilibrar  densidade de torque, capacidade de extensão de velocidade e confiabilidade . Para requisitos de alto torque e baixa velocidade, são preferidas estruturas montadas em superfície ou do tipo raio, mas se for necessária uma ampla faixa de velocidade, o tipo raio é mais adequado devido à sua concentração de fluxo e capacidade de enfraquecimento do fluxo.

2. Articulações do Robô: Requisitos Duplos de Baixa Inércia e Controle de Precisão

As juntas robóticas exigem características distintas dos motores de cubo. Em grandes articulações, como quadris, cinturas e pernas, a alta saída de torque e extrema leveza são os principais requisitos – em comparação com os motores radiais tradicionais, os motores de fluxo axial nesses cenários podem reduzir a ocupação do espaço em 30% a 60% e o peso em mais de 30%, com alguns projetos atingindo 60% a 70%. Em pequenas articulações, como pulsos e dedos, a precisão e a baixa inércia tornam-se prioridades maiores.

A relação torque/inércia  é um parâmetro chave de projeto para motores articulados de robôs. A pesquisa mostra que o torque de um motor de fluxo axial é proporcional ao cubo do diâmetro do rotor, o que significa que uma saída de torque extremamente alta em baixa velocidade pode ser alcançada no espaço compacto de uma junta achatada, enquanto a estrutura de disco fino pode ser incorporada diretamente na junta e simplifica a dissipação de calor.

Para a seleção do rotor, as juntas robóticas dão prioridade a estruturas montadas em superfície ou matrizes Halbach. A estrutura montada na superfície, com baixa perda do rotor e baixo momento de inércia, permite  uma resposta dinâmica mais rápida  – o tempo de resposta da aceleração pode ser reduzido de 15 ms para 5–8 ms, o que é crucial para movimentos do robô que exigem partida/parada rápida e posicionamento preciso. Uma matriz Halbach, através de um padrão de direção de magnetização específico, aumenta o campo magnético de um lado e quase o cancela do outro, permitindo a eliminação do núcleo do rotor e reduzindo ainda mais a inércia e as perdas do rotor.

O projeto do circuito magnético e a seleção do material do ímã permanente também exigem controle preciso. Os motores de fluxo axial usam um layout magnético anular, que encurta o comprimento do caminho magnético e aumenta a densidade de torque em comparação com o layout radial dos motores de fluxo radial tradicionais. Além disso, como as juntas robóticas geralmente incluem redutores ou até mesmo esquemas de acionamento quase direto (QDD), são necessárias maior coercividade e estabilidade térmica. Quando o custo permite, os graus de alta coercividade com terras raras pesadas, como disprósio e térbio, podem prevenir eficazmente a desmagnetização de campos magnéticos reversos durante a operação.

Para juntas em miniatura na faixa de 16 a 18 mm, os motores de fluxo axial do tipo PCB apresentam vantagens exclusivas. Usando gravação em vez de enrolamentos de cobre tradicionais, eles oferecem alta consistência de fabricação, baixa perda de ferro e extrema leveza.

3. Propulsão de Drones: Desafios Extremos de Densidade de Potência e Resistência à Desmagnetização Térmica

Os sistemas de propulsão dos drones enfrentam uma contradição fundamental:  cada grama extra de peso reduz o tempo de voo e cada grau de aumento de temperatura reduz a potência . Os dados mostram que, para um motor de fluxo axial com uma relação empuxo/peso superior a 25:1, reduzir a massa em 1 kg pode aumentar o alcance em cerca de 10 km. Portanto, a leveza e a alta densidade de potência são os principais critérios de projeto para motores de propulsão de drones.

Em termos de densidade de potência, os motores de fluxo axial apresentam vantagens esmagadoras na propulsão de drones. Sua densidade de potência volumétrica pode chegar a  14,9 kW/kg , excedendo em muito a dos motores radiais tradicionais. As densidades de potência medidas variam de  5,8 a 21 kW/kg , com densidades de torque de  15 a 25 Nm/kg . O mais recente sistema de propulsão de fluxo axial da série T 'Yufeng' atinge uma densidade de potência contínua de 10 Nm/kg e uma densidade de torque de pico de 20 Nm/kg, tornando-o adequado para propulsão direta em aeronaves avançadas, como eVTOL tripulado e drones de asa composta.

Além da densidade de potência, os motores de propulsão dos drones também enfrentam o risco de desmagnetização em ambientes de alta temperatura. Durante o vôo, os motores operam em alta potência por longos períodos, causando rápido aumento de temperatura nos enrolamentos e nos ímãs permanentes. Se as missões forem realizadas no calor do verão ou em áreas desérticas, a combinação da temperatura ambiente e do autoaquecimento cria graves desafios de desmagnetização para os ímãs permanentes.

A seleção do material do ímã permanente afeta diretamente a confiabilidade em altas temperaturas dos motores drone.  Entre os materiais magnéticos permanentes comuns, o neodímio-ferro-boro (NdFeB) oferece o mais alto desempenho magnético, mas os graus padrão (série N) têm uma temperatura operacional máxima de apenas 80–100°C, e perda magnética irreversível pode ocorrer acima de 200°C. Os graus de NdFeB de alta coercividade (séries SH, UH, EH, AH) podem operar até 150–240°C, mas sua estabilidade em altas temperaturas ainda é inferior ao samário-cobalto (SmCo). Os ímãs SmCo podem operar de forma estável acima de  300°C , com uma temperatura Curie superior a 720°C, e suas propriedades magnéticas variam apenas 1/4–1/3 das do NdFeB com a temperatura. As desvantagens são um produto de energia magnética ligeiramente inferior e um custo mais elevado. Para drones de consumo, o NdFeB de alto desempenho é suficiente para a maioria das necessidades; mas para drones industriais e eVTOL tripulados sob condições de alta temperatura e alta potência, o SmCo – apesar de seu custo – é uma escolha necessária para confiabilidade.

4. Visão geral rápida dos tipos de rotor: comparação entre montagem em superfície e interior

Com base na análise acima, os principais tipos de estrutura do rotor para motores de fluxo axial estão resumidos na tabela a seguir:

5. SDM: um fator chave para rotores de motor de fluxo axial montados em superfície

Depois de analisar os principais pontos de seleção do rotor para os três cenários principais, chegamos a um elemento central –  a capacidade de engenharia para ímãs permanentes de alto desempenho e estruturas de rotor montadas na superfície . É precisamente aqui que residem as vantagens técnicas do SDM.

A SDM é uma empresa nacional de alta tecnologia focada em ímãs e soluções magnéticas, com 16 anos de experiência na produção profissional de ímãs. A empresa tem uma cooperação estratégica com a China Aluminum, a maior empresa de mineração de terras raras na China, garantindo um fornecimento estável e seguro de matérias-primas de terras raras. Ao mesmo tempo, a SDM conduz pesquisas colaborativas aprofundadas com a  Academia Chinesa de Ciências  e trabalha com clientes na análise de elementos finitos (FEA), fornecendo suporte de simulação preciso desde o início do projeto de circuitos magnéticos, encurtando assim os ciclos de desenvolvimento e reduzindo os custos de tentativa e erro.

No campo de rotores de motores de fluxo axial montados em superfície, a SDM oferece vantagens sistemáticas de fabricação e design:

Primeiro, um sistema de produção completo com certificações de alto nível.  A empresa possui IATF 16949 (sistema de gestão de qualidade automotiva), mantém um registro de zero defeito (0 PPM) como fornecedor Tier-2 da General Motors desde 2010 e também possui certificações ISO 9001, ISO 14001, ISO 45001, pegada de carbono e BSCI. Seus produtos atendem aos requisitos de teste RoHS, REACH e SGS. Isso significa que cada lote de ímãs permanentes passa por um rigoroso controle de qualidade, desde a rastreabilidade da matéria-prima até o envio do produto acabado.

Em segundo lugar, tecnologia de processo integrado maduro para estruturas de rotor montadas em superfície.  Em um motor de fluxo axial, um disco de rotor de ímã permanente montado na superfície deve resolver simultaneamente três grandes dificuldades de engenharia:  fixação de ímãs de alta resistência, estabilidade sob operação em alta velocidade e capacidade de fabricação/montagem . A SDM oferece diversas opções de materiais magnéticos, incluindo classes NdFeB de alta coercividade e séries SmCo. Ele usa uma combinação de placas de prensagem/estruturas de fixação de polímero de baixa perda e alta resistência, ferros traseiros do rotor e luvas de retenção de fibra de carbono para garantir o posicionamento confiável do ímã sob operação em alta velocidade, enquanto minimiza as perdas por correntes parasitas do rotor. Esta solução comprovou suas vantagens abrangentes de baixa perda de rotor, alta resistência estrutural e boa processabilidade de montagem.

Terceiro, uma equipe técnica de alto nível que oferece suporte à personalização de alto nível.  A equipe técnica, formada por  especialistas em materiais magnéticos da Academia Chinesa de Ciências , inclui 2 PhDs, 5 titulares de mestrado, 8 engenheiros seniores e mais de 80 engenheiros e técnicos. A empresa estabeleceu um centro municipal de P&D e uma estação de trabalho de pós-doutorado. Assim, a SDM pode não apenas produzir ímãs convencionais, mas também fornecer soluções técnicas de processo completo para requisitos reais de circuito magnético sob diferentes condições de trabalho (motores de cubo, juntas de robôs, propulsão de drones), incluindo seleção de grau de ímã (graus NdFeB N/M/UH de coercividade ultra-alta, série SmCo5 / Sm-Co-₇), cálculo de margem de temperatura de desmagnetização e simulação de elementos finitos.

Quarto, colaboração indústria-universidade-pesquisa e amplo portfólio de produtos.  A SDM mantém relações de cooperação com o Instituto de Tecnologia e Engenharia de Materiais de Ningbo (CAS) e a Southwest Jiaotong University, acompanhando continuamente os avanços em materiais magnéticos. Sua linha de produtos abrange estatores e rotores de micromotores, motores maglev, sensores, resolvedores, isoladores ópticos, ímãs permanentes e componentes magnéticos macios, fornecendo suporte completo de material magnético para projetos de motores em diferentes setores.

Conclusão

Com sua estrutura achatada e densidade de potência transformadora, o motor de fluxo axial está redefinindo a arquitetura de potência de veículos elétricos, robôs humanóides e aeronaves de baixa altitude. Nesta corrida tecnológica centrada na 'densidade de torque' e na 'leveza', o design da estrutura do rotor e a qualidade dos materiais de ímã permanente estabelecem o limite inferior, enquanto a estrutura montada na superfície - com seu  design simples, resposta dinâmica rápida e alta densidade de torque  - ocupa uma posição insubstituível em juntas de robôs, acionamentos de cubos de baixa velocidade e alto torque e outras aplicações que exigem alta eficiência e baixa inércia.

Da otimização precisa da topologia do circuito magnético ao projeto de estabilidade de alta temperatura de materiais de ímã permanente, somente dominando a cadeia completa de tecnologia de materiais de núcleo e processos de fabricação de rotores um verdadeiro fosso pode ser estabelecido na acirrada competição de mercado. A SDM, com suas credenciais como empresa nacional de alta tecnologia, 16 anos de experiência acumulada em ímãs permanentes, suporte técnico de uma equipe de especialistas construída em CAS e um sistema sistemático de gestão de qualidade, fornece uma base sólida para a alta confiabilidade e alto desempenho de rotores de motores de fluxo axial montados em superfície. Quer se trate do desafio da ampla faixa de velocidade dos motores de cubo, das demandas de controle de precisão de baixa inércia das juntas dos robôs ou dos requisitos extremos de densidade de potência e resistência à desmagnetização na propulsão de drones, a SDM oferece soluções de engenharia de processo completo, desde materiais até simulação – precisamente a força motriz indispensável que move motores de fluxo axial do laboratório para aplicações em larga escala.