Motores Brushless e sustentabilidade: como a simulação impulsiona a eficiência energética
A busca por eficiência energética tornou-se um pilar central na indústria moderna, impulsionada tanto pela necessidade de otimização de custos quanto por uma crescente consciência ambiental e regulamentações mais rígidas. Nesse cenário, a substituição de tecnologias tradicionais por alternativas mais eficientes é um passo crucial. Os motores elétricos, responsáveis por uma parcela significativa do consumo de energia industrial, estão no centro dessa transformação.
A Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), por meio de seu Programa de Eficiência Energética (PEE), tem incentivado ativamente a modernização do parque industrial brasileiro. Iniciativas como a chamada de projetos para “Incentivo à Substituição de Motores Elétricos” visam promover a troca de motores de indução ou de corrente contínua (CC) antigos por tecnologias mais modernas e eficientes. Neste cenário, os motores BLDC (Brushless DC ou motor de corrente contínua sem escovas) bem como outras topologias que se utilizam de ímãs permanentes, surgem como uma solução de destaque.
Figura 1 – Motor brushless convencional
O que são os motores Brushless (BLDC)?
O motor BLDC não é uma invenção recente. O primeiro protótipo, chamado de “motor DC com comutação de estado sólido”, foi criado em 1962 por T.G. Wilson e P.H. Trickey, graças aos avanços na tecnologia de estado sólido, como transistores e circuitos integrados. No entanto, sua aplicação em larga escala só se tornou viável nas últimas décadas, com o barateamento e a evolução da eletrônica de potência.
Figura 2 – Comparativo entre motores DC com escovas e brushless
A versatilidade dos motores BLDC permitiu sua adoção em uma ampla gama de aplicações, substituindo tecnologias mais antigas em busca de performance e eficiência:
- Indústria Automotiva: Essenciais em veículos elétricos e híbridos, onde a eficiência se traduz diretamente em maior autonomia. São usados em sistemas de tração, bombas de óleo e água, e sistemas de ventilação e outros sistemas motorizados eletricamente.
- Aeroespacial: Utilizados em drones, atuadores e sistemas de refrigeração de satélites, onde a leveza, a confiabilidade e a eficiência são críticas.
- Eletrodomésticos: Presentes em máquinas de lavar e secar, condicionadores de ar e geladeiras modernas, garantindo menor consumo de energia e operação mais silenciosa.
- Ferramentas Elétricas: Furadeiras, serras e outras ferramentas sem fio se beneficiam do alto torque e da longa vida útil da bateria proporcionados pelos motores BLDC.
- Automação Industrial: Empregados em robôs industriais, máquinas CNC e sistemas de transporte que exigem controle preciso de velocidade e torque.
Diferente dos motores de corrente contínua com escovas, que utilizam contatos físicos (as escovas) para comutar a corrente nos enrolamentos do rotor, os motores BLDC utilizam um controle eletrônico para essa função. Essa ausência de escovas elimina o atrito e o desgaste mecânico, resultando em uma série de vantagens.
Vantagens:
- Alta eficiência energética: Convertem mais energia elétrica em trabalho mecânico, reduzindo perdas por calor e consumo de energia.
- Maior vida útil e baixa manutenção: A ausência de desgaste das escovas significa uma operação mais longa e confiável, com dezenas de milhares de horas de funcionamento.
- Torque elevado e constante: Oferecem um torque robusto em uma ampla faixa de velocidades.
- Operação silenciosa e compacta: Geram menos ruído e, para a mesma potência, podem ser menores e mais leves que seus equivalentes com escovas.
Desvantagens:
- Custo inicial mais elevado: A necessidade de um controlador eletrônico (driver) torna o investimento inicial maior.
- Controle de velocidade mais complexo: Exigem um sistema de controle mais sofisticado para operar.
- Gestão térmica: necessitam de um controle térmico preciso para garantir a longevidade dos ímãs permanentes
Em relação aos motores de indução, motores BLDC ou qualquer topologia com ímãs permanentes possuem uma maior densidade de potência devido à presença desses componentes, apresentando assim uma maior eficiência em volumes menores, o que tem impulsionado a substituição de motores de indução por BLDC para diversas aplicações.
Simulação computacional otimizando o projeto de motores BLDC
Fabricantes de máquinas rotativas BLDC enfrentam desafios complexos para atender às demandas do mercado. É preciso garantir o máximo de torque, a maior eficiência e a maior durabilidade, tudo isso em um design compacto e com custo competitivo. Otimizar o projeto de um motor para atender a todos esses requisitos pode ser um processo longo e caro, dependente de múltiplos protótipos físicos.
É aqui que a simulação computacional com as ferramentas da Ansys, como o Ansys Maxwell®, se torna uma aliada estratégica. Através da análise de elementos finitos (FEA), a simulação permite que os engenheiros criem e testem protótipos virtuais dos motores, superando as principais dores do desenvolvimento.
Dentro do portfólio de software Ansys, tem-se um fluxo de simulação bem consolidado para estudo e desenvolvimento de motores elétricos, tal como ilustrado na Figura 3. Com as ferramentas em questão, torna-se possível a análise completa do motor, partindo do princípio de operação eletromagnético, seus desdobramentos para análises estruturais e fluidodinâmicas, e finalizando na validação final da metodologia de controle em um ambiente completamente virtual.
Figura 3 – Fluxo de simulação para estudo de motores elétricos
Otimização de Torque e Eficiência: Como maximizar o torque sem aumentar excessivamente a temperatura ou o consumo de energia
- Solução com Simulação: Os softwares Ansys Motor-CAD® e Ansys Maxwell® permitem a análise detalhada do campo eletromagnético dentro do motor, via cálculos numérico-analíticos e numéricos, respectivamente. Os engenheiros podem testar diferentes geometrias de ímãs e estatores, avaliar a densidade de fluxo magnético e prever com precisão o torque de saída, as perdas de energia e a eficiência geral do motor, ponto crucial de interesse nas iniciativas de sustentabilidade e eficiência energética.
Figura 4 – Distribuição de fluxo magnético em uma máquina BLDC com o Ansys Maxwell®
Gerenciamento Térmico: O superaquecimento pode danificar os ímãs permanentes e reduzir a vida útil do motor. Como garantir uma dissipação de calor eficaz?
- Solução com Simulação: Ferramentas de simulação de fluidodinâmica computacional como o Ansys Fluent® podem ser acopladas à análise eletromagnética para prever a geração e o fluxo de calor a partir das perdas joule. Isso permite otimizar o projeto de sistemas de refrigeração e garantir que o motor opere dentro de temperaturas seguras. O controle térmico é de extrema importância para evitar a desmagnetização dos ímãs, tal como visto na Figura 5.
Figura 5 – Dependência da magnetização dos ímãs em função da temperatura com o Ansys Maxwell®
Ruído e Vibração (NVH – Noise, Vibration, and Harshness): Em muitas aplicações, como eletrodomésticos e veículos elétricos, a operação silenciosa é um diferencial competitivo. Fenômenos oriundos do eletromagnetismo, como a magnetostrição e as forças de Lorentz para análise dos enrolamentos estatóricos, promovem deformação e vibração dos materiais, e que devem ser pré-avaliados e mitigados nas etapas de projeto para garantir a robustez da operação.
- Solução com Simulação: As forças eletromagnéticas geradas no motor podem causar vibrações e ruído. Com ferramentas como Ansys Mechanical® e Ansys Sound™ é possível analisar o impacto dos esforços eletromagnéticos na parte estrutural do motor, possibilitando avaliar o comportamento acústico do motor, fomentando assim as ações de ajustes no projeto para minimizar ruídos indesejados.
Figura 6 – Deformação dos dentes de ranhura de um estator para um determinado instante de tempo no Ansys Mechanical®
Controle de velocidade e análises sistêmicas: O controle de velocidade desta topologia de motor é crucial para diversas aplicações onde a precisão é crítica, como para controle de vôo de drones, por exemplo. Os impactos da metodologia adotada podem ser estudados por meio de simulações sistêmicas, que acoplam toda a eletrônica de potência à simulação por elementos finitos. Os software Ansys Simplorer®/Twin Builder® e Ansys Scade® permitem, respectivamente, a construção de análises sistêmicas em ambientes de configuração circuital, bem como a validação e autenticação dos códigos de controle a serem implantados nas PCBs, independentemente da aplicação.
Ao adotar a simulação computacional desde as fases iniciais, os fabricantes podem explorar centenas de variações de projeto em um ambiente virtual, identificando a configuração ótima que equilibra performance, custo e confiabilidade. O resultado é um ciclo de desenvolvimento mais rápido, custos de prototipagem reduzidos e um produto final mais competitivo e eficiente, alinhado às demandas de um mundo que busca, cada vez mais, a sustentabilidade.
Um dos parceiros globais da ESSS, a Nidec Global Appliances, líder mundial na fabricação de motores elétricos de alto rendimento, utiliza as ferramentas Ansys para o desenvolvimento de seus produtos. Para saber mais, confira o relato no nosso blog post.
Para saber mais sobre as últimas atualizações das ferramentas Ansys e como aplicá-las em sua indústria, entre em contato com os especialistas da ESSS.
