Refrigeração no Motor Elétrico: Água ou Óleo?

Não existe uma resposta de uma frase apenas para a pergunta de qual é melhor no motor de veículos elétricos: o resfriamento com água/glicol ou o resfriamento a óleo. A água é um refrigerante mais eficiente, mas devido à sua condutividade elétrica não pode tocar no motor; já o óleo, embora seja fisicamente um fluido mais fraco, consegue penetrar no local onde o calor é gerado e, na prática, produz motores mais frios. Por isso, as unidades de tração modernas estão migrando cada vez mais para o lado do óleo, sem abandonar completamente o circuito de água/glicol. Neste artigo, comparamos os princípios de funcionamento das duas estratégias, suas diferenças numéricas e as decisões de projeto.

Por que a Água/Glicol é um Melhor Refrigerante, mas um Pior Vizinho?

Em termos de capacidade de transporte de calor, a água quase não tem rivais. Seu calor específico e sua condutividade térmica são visivelmente maiores que os do óleo; ou seja, a mesma quantidade de água em fluxo remove o calor mais rapidamente do que o óleo. A adição de etilenoglicol à mistura regula o ponto de congelamento e o comportamento contra corrosão, sem alterar a característica térmica fundamental do fluido.

O problema está na incompatibilidade fundamental entre a água e o mundo da eletrônica: a mistura de glicol é condutora de eletricidade. Em cada ponto onde os enrolamentos, conectores ou a eletrônica de potência tocam a superfície, surge o risco de curto-circuito e corrosão eletrolítica. Por isso, a água/glicol só pode ser usada na unidade de tração em regiões separadas dos componentes elétricos por uma parede metálica. Na prática, esse limite é a camisa de água que envolve a parte externa do estator.

Como Funciona a Camisa de Água e Onde Começa seu Limite?

A camisa de água é conceitualmente semelhante aos canais de água do motor de combustão interna clássico: a mistura de água e glicol circula em um espaço fechado do corpo que envolve a superfície externa do núcleo do estator e transporta o calor para o radiador externo. Assim, o calor gerado pelos enrolamentos de cobre é primeiro conduzido ao longo das laminacoes do estator até a superfície externa e, depois, transferido para o fluido. O sistema é robusto, eletricamente seguro e de baixo custo.

Seu ponto fraco está na geometria. Como o rotor é separado do estator pelo entreferro, ele não tem contato algum com o fluido; o rotor e os ímãs permanentes sobre ele são resfriados essencialmente através do entreferro e do eixo, ou seja, por condução e de forma ineficiente. Nas simulações térmicas, o rotor e os ímãs aparecem como o ponto de temperatura mais crítico dos sistemas de água/glicol. A temperatura do motor pode ultrapassar 200 °C em alta carga, o que leva à desmagnetização parcial dos ímãs permanentes, ao envelhecimento acelerado do isolamento e à queda da potência contínua.

Os engenheiros às vezes ultrapassam esse limite de forma criativa. A Audi adicionou um canal de água que atravessa o centro do rotor, junto à camisa de água, aplicando uma solução que visa diretamente o rotor; no entanto, esse tipo de projeto é uma exceção e a regra é que a água não pode entrar nas zonas elétricas.

Pulverização de óleo: refrigeração onde o calor nasce

A vantagem física do óleo pode ser resumida em uma única palavra: dielétrico. O óleo, por ser isolante, pode entrar em contato direto com os enrolamentos, o rotor e os ímãs; além disso, também desempenha a função de lubrificação. O calor é transferido para o fluido no ponto onde nasce, e não no final das cadeias de condução. Essa única diferença encurta toda a cadeia de resistência térmica.

A diferença numérica é impressionante. Na comparação de simulações da TotalEnergies e da EnginSoft, a configuração com refrigeração direta a óleo proporciona uma vantagem de 10 °C na temperatura média e de pelo menos 14 °C na temperatura dos enrolamentos - e isso em condições de comparação com baixa vazão de óleo. Em um cenário de ultrapassagem em alta rotação, em torno de 10.000 rpm, a diferença chega a 40 °C. Um estudo acadêmico independente aponta na mesma direção: em condução em rodovia, a temperatura do motor com refrigeração direta permanece cerca de 30 °C mais baixa do que a do motor com camisa de água, o que se reflete diretamente no torque máximo e na potência.

Como levar o óleo para dentro do motor?

Existem vários métodos maduros para a refrigeração das cabeças dos enrolamentos:

• Refrigeração por gotejamento no coletor: O fluido de refrigeração é gotejado de forma precisa e homogênea sobre as cabeças dos enrolamentos; requer menos óleo do que o banho do rotor.
• Pulverização pressurizada: O óleo pressurizado por bomba é pulverizado diretamente sobre as cabeças dos enrolamentos, proporcionando refrigeração por impacto perpendicular.
• Pulverização no rotor através de um eixo oco: O óleo entra por uma extremidade do eixo e se distribui graças à estrutura rotativa; é uma solução comum em PMSM com enrolamento hairpin.
• Refrigeração do rotor com canais axiais: Os canais axiais dentro do rotor transportam o óleo para perto dos pontos quentes nas cabeças dos enrolamentos.

A força centrífuga vinda do rotor facilita o trabalho: as peças rotativas atuam como uma bomba auxiliar para distribuir o óleo pelos enrolamentos e pelo núcleo. Em uma arquitetura híbrida, a contribuição da pulverização de óleo para a capacidade total de refrigeração é de cerca de 80% - a parte restante é, em sua maioria, tarefa do lado da água.

Como o tipo de motor altera a carga térmica: PMSM e assíncrono

A estratégia de refrigeração começa com uma definição de problema diferente, dependendo do tipo de motor. No motor síncrono de ímãs permanentes (PMSM), o campo magnético do rotor é fornecido não por indução, mas por ímãs embutidos no rotor; as perdas do rotor são muito baixas, o que facilita a gestão térmica. A contrapartida é a sensibilidade dos ímãs à temperatura: o rotor é a zona térmica mais vulnerável do sistema, e o risco de desmagnetização determina os limites térmicos do projeto.

No motor assíncrono, como a corrente é induzida no rotor, as perdas no rotor são estruturalmente maiores e a eficiência fica abaixo da do PMSM. Em contrapartida, o motor não tem o risco de desmagnetização dos ímãs; os limites térmicos podem ser gerenciados de forma mais flexível. É essa a lógica de engenharia que leva alguns fabricantes a preferir um PMSM eficiente no eixo dianteiro e um motor assíncrono mais tolerante ao calor no eixo traseiro: cada motor é refrigerado de acordo com seu próprio comportamento térmico.

Essa diferença térmica também é determinante na escolha do fluido. Em qualquer motor cujo rotor e ímãs apresentem risco térmico, aumenta o valor do óleo, capaz de alcançar regiões onde a camisa de água não chega. O fato de os motores refrigerados a óleo terem atingido 50% de participação no mercado de automóveis elétricos na primeira metade de 2022 é o resultado concreto dessa tendência; espera-se que a participação de mercado continue crescendo, mas projeta-se que os motores apenas com camisa de água também permanecerão em posição relevante.

Como Funciona a Placa de Resfriamento no Inversor?

O componente mais sensível ao calor da cadeia de tração não é o motor, e sim o inversor. As chaves de silício IGBT ou SiC MOSFET em seu interior geram calor a cada abertura e fechamento de amperes, e a margem de temperatura dos semicondutores é muito estreita. Por isso, os módulos do inversor são quase sempre refrigerados por placas de resfriamento preenchidas com água/glicol.

O princípio é baseado em condução: os semicondutores de potência são conectados diretamente à placa de resfriamento (usa-se pasta térmica para reduzir a resistência de contato), o calor passa para a placa por condução e o líquido que circula pelos canais internos da placa absorve esse calor e o transporta com a bomba até o trocador de calor remoto. Como o líquido transporta calor muito mais rápido que o ar, é praticamente a única opção na eletrônica de potência compacta. O projeto da placa de resfriamento dos módulos IGBT continua sendo uma questão-chave na melhoria do desempenho do inversor.

Mas por que o inversor não é refrigerado diretamente com óleo? A resposta novamente envolve a questão da condutividade e a complexidade do circuito: a mudança está sendo pesquisada - projetos de consórcio que visam refrigerar o motor e o inversor com um único fluido (como o SingleOilCnL, que conta com Dana, Diabatix, Lubrizol, Siemens e Flanders Make) são considerados promissores - mas não se espera que se torne a estratégia dominante em um futuro próximo. Hoje, a arquitetura típica é híbrida: o óleo dielétrico refrigera o rotor e o estator e transfere o calor ao circuito de água/glicol no trocador de calor; o glicol, por sua vez, alimenta a placa do inversor e o radiador.

Por Que a Diferença Entre Potência de Pico e Potência Contínua Depende do Sistema de Resfriamento?

O valor de kW do folheto é a potência de pico: a saída máxima do motor por curto período. A potência contínua é a potência que o motor pode sustentar por tempo ilimitado sem superaquecer, e a única coisa que determina a diferença entre as duas é o gerenciamento térmico. O sistema de resfriamento funciona como um amortecedor térmico: quanto melhor refrigera, mais tempo a potência de pico se mantém e mais alto fica o nível da potência contínua.

Vamos concretizar. Os dados de dois motores comerciais pesados com dimensões externas semelhantes mostram claramente a diferença:

Num motor refrigerado a água, a temperatura do enrolamento em uma subida prolongada pode exceder o limite em cerca de um minuto; o sistema reduz o torque (limitação térmica de torque) e, se necessário, o veículo é forçado a reduzir a potência. A refrigeração a óleo aumenta o desempenho contínuo, pois elimina resistências térmicas desnecessárias: em uma rampa de 10 quilômetros com inclinação de 4%, o motor refrigerado a óleo mantém aproximadamente 20% mais potência contínua e 37,5% mais torque contínuo Essa diferença tem dimensão suficiente para mudar a decisão de compra de quem dirige caminhões ou veículos comerciais pesados, não trens intermunicipais - em situações em que rampas longas e altas velocidades médias são realidade.

O resfriamento eficiente também traz um benefício indireto: com o mesmo orçamento térmico, é possível projetar um motor menor e mais potente, o que significa economia de peso e custo.

Qual Escolher em Qual Situação?

A tabela resume os pontos fortes e fracos das duas abordagens:

Na verdade, a escolha não é uma questão de competição, mas de otimização. O resfriamento a óleo e a água não devem ser vistos como alternativas um ao outro, mas como respostas diferentes para ciclos de tarefas diferentes: em perfis de carga baixa e média, onde custo e simplicidade têm prioridade, a camisa de água geralmente é suficiente. Em aplicações que exigem longas rampas, altas velocidades médias e rotações elevadas, a vantagem do resfriamento direto a óleo se torna evidente. Além disso, em uma unidade de tração resfriada a óleo, o circuito de água/glicol geralmente ainda existe - é ele que transporta o calor absorvido pelo óleo até a atmosfera e também alimenta a placa do inversor.

Além disso, a tendência de integração fortalece a posição do óleo: à medida que motor e transmissão são combinados em um único pacote, resolver a lubrificação e o resfriamento do motor com um único fluido se torna uma necessidade prática. Na formulação do fluido, o gerenciamento térmico é considerado um dos principais critérios de projeto, ao lado do desempenho de lubrificação.

Conclusão: Não é uma Comparação de Fluidos, mas de Posicionamento

A maneira correta de ler esta comparação não é procurar um vencedor, mas posicionar corretamente os termos. A água é um refrigerante melhor no papel; o óleo está em uma posição melhor na prática - porque é o único fluido capaz de alcançar o ponto onde o calor nasce. A diferença de temperatura média de 10 °C, que ultrapassa 14 °C nos enrolamentos e sobe até 40 °C em altas rotações, é resultado de uma vantagem de contato, não de superioridade física. Nas próximas gerações de unidades de tração, o circuito de água/glicol ainda permanecerá por algum tempo, mas a participação do óleo ao lado da fonte de calor continuará a crescer. Ao escolher um motor, não olhe para a potência de pico do folheto, mas para a potência contínua e para a arquitetura de resfriamento que a torna possível: o desempenho real está guardado ali.

Fontes

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• The Transition to Oil in EV Thermal Management
• Comparing cooling methods for e-motors
• How to Choose the Right Electric Truck Motor: Oil-Cooled vs. Water-Cooled
• Study on high-speed electric motor cooling with oil spray
• Thermal Management in Electric Vehicles | E-Motor Cooling Technology
• A hybrid oil cooling strategy for thermal management of electric motors
• Optimization of rotational oil-spray-cooling structure
• A review of structural design for direct oil cooling
• Rotor oil injection cooling, hairpin end winding
• Cooling and dynamic performance of electric vehicle motors
• Induction vs. Permanent Magnet Motors | Efficiency & Torque
• Comparative Thermal Performance Analysis of Induction and PMSM
• Cold Plate Cooling Systems: Design, Optimization
• Advanced Cooling for Power Electronics
• Oil Cooling Systems for EV Drive Motors
• Although Electric Cars Don't Need Petroleum, Their Motors Still Require Oil
• EV Motor Heating Issue and Oil Cooling