“Quando eu era jovem, não havia sinais de veículos elétricos ou eletrificados. Os anúncios de carros eram sobre velocidade e potência. Agora, eles são todos sobre alcance e emissões zero”, comenta Steven Dom, Diretor de Soluções para a Indústria Automotiva da Siemens Digital Industries Software.
Não, isso não é um convite para excesso de velocidade. Esses anúncios de 1985 ilustram como as exigências dos clientes mudaram ao longo dos anos.
À medida que os veículos elétricos (EVs) mudaram a publicidade, eles também mudaram a engenharia. “Uma equipe de engenheiros encarregada de desenvolver um motor de combustão pode escolher comprar ou projetar uma caixa de câmbio”, continua Steven. “Desde que atendam às especificações do veículo, a decisão é deles. Esse tipo de tomada de decisão solo não é possível em EVs, onde a tendência é claramente ir para unidades de acionamento elétrico integradas ou e-drives nas quais a eletrônica de potência, o motor e o sistema de transmissão que compõem o acionamento são empacotados como uma entidade. De uma perspectiva de fabricação, é mais fácil construir uma caixa integrada, mas para acertar esse pacote, deve haver uma conversa contínua entre cada disciplina de engenharia distinta. Para alguns indivíduos e organizações, isso será um desafio enorme.”
Embora os acionamentos elétricos sejam mais simples, leves e eficientes do que os motores tradicionais, seu desenvolvimento é tecnologicamente desafiador. Nossa abordagem integrada à engenharia de acionamentos elétricos permite um rápido redesenho e reutilização do fluxo de trabalho conforme os requisitos mudam, ao mesmo tempo em que permanece conectado a uma plataforma PLM.
Gerenciando os desafios da engenharia de sistemas de acionamento elétrico
Os especialistas da Siemens Steven Dom e Benoit Magneville, gerente de produtos de eletrificação, abordaram todos os aspectos do desenvolvimento de sistemas de acionamento elétrico e como as organizações podem dar suporte às equipes de engenharia e adotar uma colaboração mais estreita.
Como Benoit explica: “O objetivo geral é projetar um acionamento elétrico que seja altamente eficiente em uma ampla gama de condições operacionais, mas há muitos requisitos potencialmente conflitantes. Reduzir a distância entre o inversor e o motor, por exemplo, apresenta benefícios em termos de tamanho geral do pacote, peso do cabo e chicote; no entanto, cria novos desafios térmicos e mecânicos, pois o inversor está evoluindo de forma mais contida.”
Outros desafios relacionados ao resfriamento térmico incluem um requisito crítico dentro de um pacote de itens produtores de calor. Considerar sistemas de resfriamento separados para cada componente em um e-drive não é a abordagem mais eficiente. Integrar o sistema de resfriamento para todos os componentes simplificará a construção, eliminando uma série de tubos, bombas e trocadores de calor. Ainda assim, também torna a tarefa de engenharia mais complexa. Além disso, a bateria e os passageiros competem por um gerenciamento térmico eficaz, e o resfriamento apropriado precisará ser fornecido.
Além disso, há uma dinâmica complexa entre atingir metas operacionais para o e-drive e prever como o ruído e a vibração são percebidos pelas pessoas sentadas na cabine. De uma perspectiva comercial, o conforto do passageiro é essencial para os fabricantes, particularmente para marcas de alto valor.
Abordando o projeto de eletrônica de potência, integração de sistemas e confiabilidade
O design da topologia é um dos estágios iniciais do desenvolvimento da eletrônica de um acionamento elétrico. Métricas-chave, como eficiência, custo, tolerância e supressão de EMI, devem ser entendidas para definir a melhor topologia. Muito tempo de engenharia pode ser gasto avaliando como a topologia impacta o veículo e, então, otimizando com base nesses resultados. No entanto, o esforço pode ser desperdiçado se as implicações térmicas forem descobertas apenas no final desse processo. Idealmente, o design térmico e a simulação estão totalmente em sincronia com o design e a avaliação da topologia.
A escolha da tecnologia de semicondutores também é importante. Ainda assim, as melhores decisões não podem ser tomadas se você não souber como identificar as características de um semicondutor e comparar as opções disponíveis. “A capacidade de entender a temperatura da junção é fundamental porque isso define a confiabilidade”, diz Benoit. “Você não pode confiar apenas nas classificações de desempenho de um fornecedor ou em um conjunto de resultados de testes.”
A avaliação de diferentes semicondutores de banda larga (WBG) e sistemas de gerenciamento térmico de inversores permite decisões aceleradas de tecnologia de inversores e inovação em design térmico.
Uma exploração completa e precisa do design eletrônico abrangendo PCB (Printed Circuit Board) e design de Busbar requer integração com CAD mecânico e análise eletromagnética, térmica e estrutural. A solução é que o desenvolvimento ocorra dentro de um único ambiente no qual todos os engenheiros tenham acesso fácil a outras áreas disciplinares, e os especialistas possam interagir uns com os outros.
Do dimensionamento inicial do motor elétrico até a validação do desempenho
Um requisito fundamental é que a vida útil de um motor seja confiavelmente maior do que a garantia do veículo e a vida útil do veículo. O design térmico é uma das principais maneiras de melhorar a vida útil e o desempenho.
“Como de costume, o sucesso começa com a fase de design”, observa Benoit. “Os requisitos do motor elétrico são cascateados a partir das metas de desempenho do EV. A melhor maneira de obter dimensionamento e configuração de motor rápidos e precisos é avaliar rapidamente vários tipos de design e topologias em relação à eficiência eletromagnética, desempenho térmico e vibro acústico ainda na fase de arquitetura.”
O vídeo abaixo demonstra um fluxo de trabalho da máquina de fluxo axial, realizado no Simcenter E-Machine Design.
Fluxo de trabalho da máquina de fluxo axial
O portfólio Simcenter conecta todas essas áreas, permitindo uma avaliação de como o dimensionamento e o design do motor impactam todo o veículo. Nos estágios iniciais, quando o design existe apenas como um conjunto de requisitos operacionais, o Simcenter oferece uma extensa biblioteca de modelos de motor e mais de 200 materiais. Isso abre a possibilidade de identificar uma arquitetura de motor completamente nova que atenderá às metas e gerará o melhor sistema de resfriamento térmico. Qualquer modelo virtual pode ser testado e validado simplesmente exportando-o para o Simcenter Amesim.
Maximizando a eficiência da transmissão de acionamento elétrico
Do ponto de vista operacional, o desafio é maximizar a eficiência do sistema de transmissão, minimizando o peso e combinando-o com o restante da transmissão dentro dos limites de embalagem. É essencial avaliar as tensões de contato da engrenagem, as forças de rolamento e a flexibilidade do eixo para que o ruído e a vibração da engrenagem rotativa na caixa de engrenagens possam ser previstos com precisão. Novamente, isso significa projetar em relação a vários atributos, incluindo durabilidade e suprimento de óleo para lubrificação.
Os fabricantes querem criar veículos mais leves e podem considerar o uso de novos materiais, mas eles trazem desafios específicos porque nem sempre são totalmente comprovados.
Outro fator é o orçamento. O custo de prototipar uma única engrenagem pode chegar a US$ 200.000. Portanto, o desempenho precisa ser avaliado minuciosamente, e qualquer falha ou fraqueza prontamente abordada antes que um investimento de capital seja feito.
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