Desenvolvimento e simulação de sistema de arrefecimento líquido para motor axial de ímãs permanentes de alto desempenho com aplicação em automobilismo

Abstract

Com a recente adoção de sistemas híbridos e elétricos como principal fonte de tração em veículos de rua, vem surgindo, cada vez mais, categorias de competição automobilística que acompanhem essa tendência. Nessa aplicação, motores elétricos que possuam alto desempenho são necessários para manter a competitividade dos veículos. Dentre as topologias capazes de entregar alta densidade de torque e potência, destaca-se a de fluxo axial e ímãs permanentes, sendo o principal fator limitante ao aumento de seu desempenho a eficácia da solução de arrefecimento empregada. O objetivo deste trabalho é o desenvolvimento e simulação de uma solução de arrefecimento líquido para essa topologia de motor elétrico. Através do estudo, modelagem e simulação das fontes de perda de calor em motores elétricos, simulação eletromagnética, de escoamento do fluido de arrefecimento e subsequente simulação termo-fluidodinâmica parcialmente acoplada, foi obtida a distribuição de temperatura no estator do motor. Comparando a distribuição de temperatura obtida com os valores máximos admissíveis dos componentes, especificados pelos fabricantes dos materiais utilizados em sua construção, foi possível avaliar geometrias distintas para o sistema de arrefecimento e selecionar uma possível configuração mais eficaz dentre as selecionadas para a operação do motor a 280 kW.

With the recent adoption of hybrid and electric systems as main traction sources in road vehicles, motorsport classes have been increasingly following this trend. On this application, high performance electric motors are needed to maintain their competitiveness. Within the topologies capable of delivering high torque and power density, the axial flux permanent magnet is in highlight, with the main factor limiting its power increase being the efficacy of the cooling solution employed. The objective of this work is the simulation and development of a cooling solution for this motor topology. With an investigation and modeling of heat losses in electric motors, electromagnetic simulation, fluid flow simulation in the stator, and subsequent partially coupled thermal/ fluid flow simulation, the temperature distribution within the stator could be obtained. Comparing the obtained temperature distribution with the maximum allowable working temperature of the components, specified by the manufacturers of the used materials, it was possible to evaluate multiple fluid flow geometries for the cooling system and detect the most effective one for the operation of the motor at 280kW.