Máquinas eléctricas avançadas

Máquinas eléctricas avançadas que não custam nada

As máquinas eléctricas avançadas oferecem agora um desempenho líder na indústria, um maior alcance e um custo total de propriedade mais baixo - tudo isto enquanto eliminam os ímanes de terras raras e melhoram drasticamente a reciclabilidade. Isto não é uma promessa futura. Está a acontecer agora mesmo.

As máquinas eléctricas modernas atingiram um ponto de viragem. Novas topologias e estratégias de controlo permitem que os motores igualem ou excedam a densidade de binário e a eficiência dos modelos tradicionais de ímanes permanentes sem dependerem de materiais de terras raras ou de pesados enrolamentos de cobre. O resultado é uma nova geração de grupos electrogéneos que são mais leves, mais sustentáveis e menos vulneráveis a perturbações na cadeia de abastecimento.

A sustentabilidade tornou-se um fator essencial de conceção e não uma reflexão posterior. Os engenheiros estão agora a otimizar as emissões reduzidas do ciclo de vida, cadeias de fornecimento de materiais mais limpas e desmontagem mais fácil no fim da vida útil. Quando um motor elétrico pode ser totalmente reciclável utilizando processos metalúrgicos padrão, toda a equação muda tanto para os fabricantes de veículos como para os operadores de frotas.

O mercado está a responder a sinais regulamentares claros. O Reino Unido e a UE estabeleceram objectivos para 2030-2035 para a eliminação progressiva dos motores de combustão interna. A Lei de Redução da Inflação dos EUA oferece incentivos substanciais para o fabrico nacional de energia limpa. Entretanto, os OEM estão a ser pressionados para reduzir o risco das suas cadeias de abastecimento de materiais críticos como o neodímio e o disprósio, que continuam concentrados num pequeno número de países.

O que torna estas máquinas “avançadas” é simples: proporcionam um desempenho líder de mercado, ao mesmo tempo que eliminam os materiais de terras raras da equação, desbloqueando a mobilidade ecológica sem a bagagem ambiental e geopolítica que acompanha os projectos tradicionais baseados em ímanes.

Como as máquinas eléctricas avançadas redefinem o desempenho e a eficiência

O desempenho das máquinas eléctricas avançadas abrange várias dimensões: densidade de binário, eficiência em ciclos de condução reais, robustez térmica e caraterísticas de ruído, vibração e aspereza (NVH). A obtenção destas caraterísticas determina se uma máquina pode competir em aplicações exigentes, desde automóveis de passageiros a veículos comerciais e fora de estrada.

As modernas topologias sem ímanes e com redução de cobre quebraram os pressupostos sobre o que é possível fazer sem terras raras. As máquinas de relutância comutada e de relutância síncrona atingem atualmente eficiências de pico superiores a 96%, com uma elevada eficiência mantida nos ciclos de condução WLTP e EPA. Isto não era possível há uma década atrás. Os avanços na conceção electromagnética, na eletrónica de potência e nos algoritmos de controlo colmataram a lacuna existente nos motores síncronos de ímanes permanentes.

Para os OEMs, os benefícios práticos são substanciais:

• Aumento da autonomia do veículo de 10-15% em comparação com os motores da geração anterior
• Pacotes de baterias mais pequenos para uma autonomia equivalente, reduzindo o custo e o peso
• Sistemas de arrefecimento simplificados devido a menores perdas térmicas
• Níveis reduzidos de NVH graças à conceção optimizada da laminação e às estratégias de controlo

O design eletromagnético optimizado permite agora velocidades de funcionamento de 20.000-30.000 rpm sem sacrificar a fiabilidade. Isto permite um acondicionamento compacto do eixo elétrico que se adapta perfeitamente às arquitecturas de veículos existentes. Velocidades mais elevadas significam máquinas mais pequenas e mais leves para a mesma potência - uma vantagem crítica quando cada quilograma é importante para a autonomia e o manuseamento.

A tecnologia torna estes ganhos possíveis através de algoritmos de controlo sofisticados que gerem a ondulação do binário e minimizam as perdas em todo o envelope de funcionamento. Os inversores modernos que utilizam semicondutores de grande intervalo de banda (carboneto de silício e nitreto de gálio) comutam a frequências superiores a 100 kHz, permitindo um controlo preciso da corrente e reduzindo as perdas harmónicas.

Máquinas sem terras raras, com redução de cobre e totalmente recicláveis

Os ímanes de terras raras - principalmente o neodímio e o disprósio - criam uma tripla ameaça de danos ambientais, risco geopolítico e volatilidade de custos. A extração destes materiais produz resíduos e emissões significativos, enquanto mais de 90% do fornecimento global provém de um único país. Na última década, registaram-se várias vezes picos de preços de 300-400%.

Retirar os materiais de terras raras dos grupos motopropulsores eléctricos não é apenas uma questão de controlo de custos. Trata-se de proteger o planeta amanhã, fazendo melhores escolhas hoje. As máquinas eléctricas avançadas utilizam materiais e arquitecturas alternativas que eliminam totalmente os ímanes de terras raras e reduzem drasticamente a utilização de cobre. O resultado é uma máquina que é quase totalmente reciclável utilizando processos já disponíveis na Europa e na Ásia.

Os ganhos ambientais são concretos e mensuráveis:

• Menos emissões de CO₂ incorporadas por quilowatt de potência do motor
• Redução dos resíduos mineiros resultantes da extração de terras raras
• Desmontagem simplificada no fim da vida útil
• Recuperação de aço, alumínio e aços eléctricos através de processos metalúrgicos normais

As escolhas de design tornam esta possibilidade de reciclagem possível. As pilhas de estator segmentadas, as laminações padronizadas e a eliminação do encapsulamento de resina permitem que os recicladores separem os materiais de forma rápida e eficiente. Não há necessidade de processos especializados de recuperação de terras raras - os materiais nestas máquinas são comuns, bem compreendidos e já fazem parte de fluxos de reciclagem estabelecidos.

As principais vantagens de sustentabilidade dos projectos sem terras raras incluem:

• Construção em aço e alumínio totalmente reciclável
• Sem resíduos perigosos de processamento de terras raras
• Cadeias de abastecimento simplificadas com materiais disponíveis a partir de múltiplas fontes globais
• Compatível com os regulamentos emergentes da UE que exigem a reutilização de terras raras 20% até 2030
• Produção rentável sem exposição à volatilidade dos preços dos produtos de base

Principais famílias e topologias de máquinas eléctricas avançadas

O termo “máquinas eléctricas avançadas” abrange várias famílias de motores, cada uma optimizada para diferentes aplicações industriais e em veículos. Compreender estas famílias ajuda os engenheiros e gestores de programas a selecionar a tecnologia certa para o seu caso de utilização específico.

Accionamentos de relutância comutada de elevado desempenho são excelentes em aplicações para veículos comerciais, onde a robustez é mais importante do que tudo o resto. Estas máquinas lidam com gamas de temperaturas extremas, toleram condições de elevada sobrecarga e requerem uma manutenção mínima. A sua construção simples do rotor - sem ímanes, sem enrolamentos - torna-as inerentemente fiáveis para camiões, autocarros e equipamento pesado.

Máquinas síncronas de relutância destinam-se a automóveis de passageiros e veículos ligeiros em que a embalagem compacta, o baixo NVH e a rápida resposta transitória são mais importantes. Estes designs são adequados para veículos premium e EVs de longo alcance lançados a partir de 2025. A ausência de ímanes elimina os riscos de desmagnetização durante condições de falha, enquanto os algoritmos de controlo avançados alcançam um desempenho competitivo com alternativas de ímanes permanentes.

Sistemas integrados de eixos electrónicos combinam o motor, o inversor e a caixa de redução numa única unidade. Esta abordagem simplifica a instalação para OEMs e fornecedores Tier-1, reduz o peso do sistema e melhora a eficiência da embalagem. As soluções integradas são particularmente atractivas para carrinhas ligeiras, SUVs e plataformas onde o volume do grupo motopropulsor é limitado.

A AEM concebe máquinas em todas estas famílias, com equipas de engenharia concentradas na otimização de cada topologia para a sua aplicação alvo. O grupo de máquinas eléctricas avançadas trabalha em estreita colaboração com os clientes para adequar as caraterísticas das máquinas a ciclos de funcionamento reais e não a condições laboratoriais.

As máquinas pesadas para aplicações comerciais e fora de estrada são concebidas especificamente para serem robustas. As amplas gamas de temperaturas de funcionamento (-40°C a +150°C), a elevada capacidade de sobrecarga (binário nominal de 200% durante curtos períodos) e a tolerância a choques e vibrações tornam estas máquinas adequadas para camiões, autocarros, máquinas agrícolas e reboques que operam em ambientes exigentes.

Aplicações em estrada, fora de estrada, aeroespacial e marítima

As máquinas eléctricas avançadas já estão a funcionar em vários sectores, demonstrando que a tecnologia sustentável e sem ímanes funciona em condições reais. As aplicações vão muito para além dos automóveis de passageiros.

Aplicações rodoviárias

Camiões de longo curso, frotas de entregas urbanas, veículos de recolha de lixo e autocarros beneficiam de máquinas robustas e de binário elevado, concebidas para uma manutenção fácil. Os operadores de veículos comerciais dão prioridade ao tempo de atividade e ao custo total de propriedade. As máquinas sem ímanes eliminam o risco de desmagnetização por sobreaquecimento e simplificam a substituição no fim da vida útil.

As tecnologias de grupos motopropulsores eléctricos para aplicações rodoviárias têm de lidar com ciclos de funcionamento exigentes: condução urbana com paragem/arranque, velocidade de cruzeiro sustentada em autoestrada e travagem regenerativa intensa. As modernas máquinas de relutância comutada e de relutância síncrona gerem estes requisitos, proporcionando uma eficiência superior a 90% na maioria dos pontos de funcionamento.

Aplicações fora de estrada

As máquinas de construção, os tractores agrícolas e os veículos mineiros beneficiam de um elevado binário de arranque, de uma travagem regenerativa eficaz e de uma excelente eficiência a baixa velocidade. Estas máquinas funcionam em ambientes poeirentos, húmidos e com temperaturas extremas, onde a fiabilidade é fundamental.

A AEM fabrica tecnologias de grupos motopropulsores eléctricos especificamente para o sector fora de estrada, onde a robustez, a facilidade de manutenção e a longa vida operacional são mais importantes do que a densidade de potência máxima. A construção simples do rotor das máquinas de relutância comutada - sem ímanes ou enrolamentos de cobre - torna-as ideais para estas condições de funcionamento adversas.

Aplicações aeroespaciais

Os demonstradores de aviões regionais híbridos-eléctricos e os aviões de treino totalmente eléctricos estão a voar desde 2019-2023. Máquinas leves e eficientes aumentam a durabilidade e reduzem os custos operacionais. No sector aeroespacial, cada grama é importante, o que faz com que a densidade de potência e a eficiência sejam parâmetros críticos de conceção.

As máquinas eléctricas avançadas para aplicações aeroespaciais têm como objetivo uma potência específica superior a 5 kW/kg - competitiva com os melhores designs de ímanes permanentes, eliminando simultaneamente as preocupações com a cadeia de fornecimento de terras raras. O Dr. Andy Steven e outros profissionais da indústria notaram que os requisitos de certificação aeroespacial tornam os materiais sustentáveis e recicláveis cada vez mais atractivos para novos programas.

Aplicações marítimas

Os ferries eléctricos e híbridos, as embarcações de navegação interior e os barcos de trabalho representam um mercado em crescimento para máquinas eléctricas avançadas. O funcionamento silencioso, o binário instantâneo para manobras e a compatibilidade com sistemas CC de alta tensão tornam os grupos motopropulsores eléctricos atractivos para os operadores marítimos.

As aplicações marítimas valorizam particularmente a robustez e os baixos requisitos de manutenção das máquinas sem ímanes. O ar salgado, a humidade e a vibração criam condições difíceis que favorecem concepções simples e fiáveis sem ímanes permanentes sensíveis à temperatura.

Da investigação universitária à produção à escala industrial

Muitas tecnologias avançadas de máquinas eléctricas têm origem em laboratórios de investigação universitários e centros nacionais de inovação antes de serem transformadas em empresas comerciais. O percurso desde o demonstrador de laboratório até ao sistema pronto para produção segue um caminho bem estabelecido.

Programas intensivos de investigação entre 2010 e 2020 no Reino Unido, na UE e nos EUA centraram-se em motores de tração de elevada eficiência, em concepções sem terras raras e em novos processos de fabrico. A Universidade de Newcastle e outras instituições de renome desenvolveram conhecimentos fundamentais sobre as máquinas de relutância comutada e de relutância síncrona, explorando estratégias de controlo que reduziram a diferença de desempenho em relação aos motores de ímanes permanentes.

O percurso de desenvolvimento típico passa por fases distintas:

1. Demonstradores de prova de conceito validado em dinamómetros, confirmando o desempenho eletromagnético de base
2. Integração precoce em veículos-piloto - SUV eléctricos de primeira geração, carrinhas comerciais ligeiras ou protótipos de autocarros
3. Otimização da conceção com base no feedback do mundo real dos ensaios de veículos
4. Aumento da escala para produção atingindo milhares de unidades por ano

As empresas resultantes da investigação universitária trazem o rigor académico para os produtos comerciais. A equipa de nível mundial destas organizações combina uma profunda compreensão teórica com conhecimentos práticos de fabrico. Esta combinação revela-se essencial para aumentar a produção, mantendo as vantagens de desempenho demonstradas em laboratório.

As colaborações com OEMs do sector automóvel, primes aeroespaciais e fornecedores Tier-1 visam frequentemente projectos emblemáticos específicos. Protótipos eléctricos de longo alcance, plataformas de eixos eléctricos de alta potência para frotas comerciais e demonstradores de aeronaves híbridas fornecem as aplicações exigentes que impulsionam a tecnologia.

O nordeste de Inglaterra emergiu como um centro de desenvolvimento e fabrico de máquinas eléctricas avançadas, com base no património de engenharia da região e na proximidade das principais instalações de fabrico automóvel. Washington e as áreas circundantes possuem instalações capazes de produzir dezenas de milhares de motores anualmente.

Ecossistemas de colaboração e oportunidades de parceria

As máquinas eléctricas avançadas existem no âmbito de um ecossistema mais vasto de parceiros: universidades, fornecedores de materiais, criadores de software, OEM de veículos e empresas de reciclagem. O sucesso requer a colaboração de toda esta rede.

Os clientes podem participar a vários níveis, consoante as suas necessidades:

• Unidades de eixo eletrónico “plug-and-play” standard para aplicações em que soluções comprovadas satisfazem as necessidades
• Variantes de motores semi-personalizados optimizados para ciclos de funcionamento específicos, ambientes térmicos ou restrições de embalagem
• Projectos de co-desenvolvimento de grupos motopropulsores totalmente personalizados onde os parceiros trabalham em conjunto desde a conceção até à produção

A estreita colaboração entre engenheiros reduz os ciclos de desenvolvimento. Trabalhar em conjunto desde as fases iniciais do conceito significa que as máquinas são optimizadas para perfis de condução do mundo real e não para condições de laboratório. Os programas de validação conjunta garantem a certificação para normas automóveis ou aeroespaciais, com ambos os parceiros a investirem no sucesso.

As parcerias a longo prazo abrangem normalmente a conceção do conceito, a construção do protótipo, os testes de validação e o aumento da produção em série. Esta abordagem alinha os incentivos e cria o conhecimento profundo necessário para fazer a diferença hoje, ao mesmo tempo que protege os requisitos futuros dos clientes.

Para os fabricantes interessados em explorar alternativas sustentáveis aos motores baseados em terras raras, existem oportunidades de parceria em vários sectores. Quer a aplicação envolva automóveis de passageiros, veículos comerciais, aeroespaciais ou marítimos, a abordagem de engenharia mantém-se consistente: compreender os requisitos do mundo real e, em seguida, conceber e fabricar máquinas que os satisfaçam sem compromissos.

Dar o próximo passo

O caminho desde a investigação até aos sistemas de propulsão prontos para produção está agora comprovado. As máquinas eléctricas avançadas oferecem um desempenho líder na indústria, ao mesmo tempo que abordam os desafios de sustentabilidade que tornam os materiais de terras raras cada vez mais problemáticos.

Se é um engenheiro de OEM, operador de frota ou gestor de programas que está a explorar as opções de grupos motopropulsores eléctricos, considere o que a remoção de materiais de terras raras pode significar para a resiliência da sua cadeia de fornecimento, objectivos de reciclabilidade e custo total de propriedade.

A geração de máquinas eléctricas que está agora a entrar em produção representa uma mudança fundamental - proporcionando o desempenho que os clientes exigem, ao mesmo tempo que melhora a capacidade de reciclagem e protege o planeta. A questão não é se as máquinas sem ímanes podem competir. A questão é se o seu próximo programa irá tirar partido do que elas oferecem.

Entre em contacto para discutir projectos de integração, explorar modelos de parceria ou saber como a tecnologia avançada de máquinas eléctricas se pode adequar à sua aplicação. O futuro da mobilidade sustentável está aqui, e não custa nada.