Água

O gerenciamento térmico de gerações anteriores de veículos elétricos (EVs) com alta densidade de potência requer estratégias de resfriamento direto nas quais o fluido de resfriamento está em contato direto com os pontos quentes do motor elétrico. Em um Motor Síncrono de Ímã Permanente (PMSM), o enrolamento da extremidade do estator e os ímãs do rotor geram uma certa quantidade de calor que não pode ser adequadamente resfriado por um resfriamento de camisa de água convencional. Daí o desenvolvimento da tecnologia de resfriamento direto do óleo, na qual o óleo da transmissão é usado como refrigerante do motor elétrico. Essa nova arquitetura de resfriamento geralmente implementa um eixo de rotor oco por onde o óleo da transmissão flui. Além disso, orifícios localizados em ambas as bordas do eixo do rotor permitem que o óleo da transmissão seja espalhado nos enrolamentos finais graças à força centrífuga. O sistema de resfriamento de óleo direto melhora significativamente a transferência de calor.

Essa mudança não foi motivada pelo fato de um óleo de transmissão ter propriedades de resfriamento superiores às de um refrigerante à base de água. Pelo contrário, a água costuma ser um fluido de resfriamento ideal devido à sua alta condutividade térmica (fator de quatro em comparação com o óleo), alta capacidade de calor (fator de dois) e baixa viscosidade. No entanto, pensou-se que a aplicação de água é inviável por duas razões principais. Em primeiro lugar, o fluido refrigerante interage diretamente com os componentes elétricos, onde ocorrem altas correntes e tensões elétricas. Portanto, é necessário ter uma condutividade elétrica muito baixa, que é vantajosamente alcançada pelos óleos lubrificantes. Em segundo lugar, o fluido entra em contato direto com engrenagens e rolamentos, pois deve ter qualidades lubrificantes, o que confere outra vantagem aos óleos lubrificantes em relação à água.

Todos esses aspectos podem ser melhorados através da formulação química da água. Nosso objetivo era desenvolver um lubrificante inovador à base de água que possuisse boas propriedades lubrificantes enquanto mantivesse a excelente propriedade de resfriamento da água. Nosso WBL pode atender a todos os requisitos para um único fluido projetado para lubrificar e resfriar a unidade de acionamento elétrico (EDU). O uso de um WBL pode até superar os óleos lubrificantes em muitas características, especialmente com uma pegada ambiental, o que abre as portas para uma revolução nas indústrias de lubrificantes e automóveis.

A TotalEnergies desenvolveu um fluxo de trabalho de simulação para estudar o resfriamento de motores elétricos. As diferentes ferramentas de simulação ilustradas na Fig. 1 nos permitem abordar a modelagem térmica do motor elétrico de forma abrangente.

Articulando o fluxo de trabalho, foi selecionada uma condição operacional típica de um mapa de eficiência de motor eletrônico: 6.000 rpm com um torque de 90 Nm Representa um carro dirigindo constantemente a 70 km/h. Dois fluidos foram comparados dentro da arquitetura de resfriamento líquido direto: um lubrificante de referência à base de óleo e o lubrificante à base de água TotalEnergies. O sistema de resfriamento líquido direto compreende um eixo oco e quatro canais localizados na parte frontal e traseira do eixo, conforme mostrado na Fig. 2. O líquido é espirrado nos enrolamentos finais através dos quatro canais graças à força centrífuga fornecida pela rotação do rotor. A temperatura de entrada do fluido é de 60°C e a vazão é de 5 L/min.

Usamos o Particleworks, um software de CFD sem malha baseado em Moving Particle Simulation (MPS). O Método MPS foi originalmente proposto pelo professor Koshizuka para fornecer modelagem e simulação flexíveis para problemas complexos de limites móveis.1 Graças ao seu recurso sem malha, ele é particularmente adaptado para gerenciar geometrias complexas, como enrolamentos de motores eletrônicos ou peças móveis, como o rotor.

Os resultados mostrados na Fig. 3 e na Fig. 4 confirmam que o lubrificante à base de água da TotalEnergies fornece melhor resfriamento do e-motor. De -16% nos enrolamentos a -58% no eixo, uma redução significativa de temperatura foi calculada para cada parte do e-motor. Mesmo com um valor de viscosidade muito baixo, essas reduções de temperatura não seriam alcançadas com um lubrificante à base de óleo. A capacidade superior de transferência de calor da água permite que o WBL da TotalEnergies alcance esse excelente desempenho de resfriamento. O resfriamento direto com um WBL abriu caminho para um motor eletrônico de maior densidade de potência e uma estratégia de resfriamento otimizada.