Motores de fluxo axial versus motores de fluxo radial: quando um motor de disco é mais adequado?

A maioria dos motores elétricos industriais usa um projeto de fluxo radial.

É uma estrutura madura e amplamente utilizada que funciona bem em bombas, ventiladores, transportadores, compressores e inúmeras outras máquinas.

Os motores de fluxo axial adotam uma abordagem diferente.

Em vez de organizar o campo magnético principalmente ao longo do raio de um motor cilíndrico, um motor de fluxo axial direciona o fluxo magnético ao longo do eixo do eixo. Isso cria a familiar construção plana em forma de disco, razão pela qual os motores de fluxo axial também são comumente chamados de motores de disco.

A geometria diferente pode criar vantagens úteis, mas não significa que um motor de fluxo axial seja automaticamente a escolha certa para cada máquina.

A verdadeira questão é: o que a aplicação precisa do motor?

Qual é a principal diferença entre fluxo axial e radial?

A diferença mais fácil de ver é a forma.

Um motor de fluxo radial convencional geralmente possui um corpo cilíndrico mais longo. O rotor gira dentro ou em torno de um estator, e o fluxo magnético viaja principalmente na direção radial.

Um motor de fluxo axial é normalmente mais largo e mais curto.

Suas superfícies magnéticas ativas ficam voltadas uma para a outra através de um entreferro axial, permitindo que o torque seja produzido em um raio efetivo relativamente grande.

Esta geometria altera a forma como o motor utiliza o espaço de instalação.

Uma máquina com bastante espaço axial pode não ter motivos para se afastar de um motor radial convencional.

Mas quando o comprimento axial é limitado, um motor em forma de disco pode abrir uma opção de embalagem diferente.

Por que o diâmetro do motor é importante para o torque

O torque não é determinado apenas pela potência do motor.

O raio no qual a força eletromagnética atua também é importante.

Os motores de fluxo axial podem usar um diâmetro ativo relativamente grande enquanto mantêm o motor curto na direção axial. Isto pode tornar a arquitetura atraente para aplicações que necessitam de torque substancial sem um corpo de motor longo.

Isso não significa que todo motor de fluxo axial produz automaticamente mais torque do que todo motor radial.

O diâmetro do motor, a carga magnética, o design do enrolamento, o resfriamento e a velocidade afetam o resultado final.

Mas a geometria oferece aos projetistas outra maneira de equilibrar o torque e o espaço de instalação.

Isto é especialmente relevante em aplicações de baixa velocidade e alto torque.

Onde a operação em baixa velocidade e alto torque se torna útil

Muitos sistemas industriais utilizam um motor de alta velocidade juntamente com uma caixa de engrenagens ou outro estágio de redução mecânica.

A caixa de engrenagens converte a velocidade do motor em velocidade de saída mais baixa e torque de saída mais alto.

Em algumas aplicações, um motor de fluxo axial de ímã permanente pode ser projetado para operar próximo à velocidade necessária da máquina.

Isto pode reduzir a quantidade de redução mecânica necessária ou, em alguns casos, suportar um arranjo de acionamento direto.

A atual família de produtos de fluxo axial e ímã permanente da Jiangnan Electric inclui vários exemplos desse tipo de ponto de operação.

O JNPM520-30 tem potência nominal de 30 kW e 245 rpm com torque nominal de 1.169 N·m, enquanto o JNPM520-45 tem potência nominal de 45 kW e 245 rpm com torque nominal de 1.754 N·m. A mesma família de produtos também inclui modelos de alta velocidade, como o JNPM275-7,5 de 7,5 kW a 1.450 rpm e o JNPM275-15 de 15 kW a 3.000 rpm.

Esta faixa ilustra um ponto importante: a tecnologia de fluxo axial não está limitada a uma faixa de velocidade ou a uma aplicação.

O motor ainda precisa ser projetado de acordo com o requisito real de torque-velocidade.

Um exemplo real de acionamento direto: equipamento de bombeamento de feixe

Uma das aplicações práticas da Jiangnan Electric é o motor de disco de ímã permanente JNPM520-45 usado em um sistema de acionamento de bombeamento de feixe.

A configuração documentada é:

• potência nominal: 45 kW;
• velocidade nominal: 245 rpm;
• torque nominal: 1.754 N·m;
• tensão de alimentação: 380 V;
• nível de proteção: IP55;
• resfriamento: resfriamento natural;
• montagem: horizontal;
• disposição do eixo: eixo oco chaveado.

A baixa velocidade de operação e o alto torque permitem que o motor seja integrado de forma diferente de um motor industrial convencional de alta velocidade.

Neste tipo de aplicação, o valor da arquitetura do motor de disco não é simplesmente o fato de o motor ser “mais avançado”.

O benefício prático vem da combinação da estrutura do motor com o sistema de transmissão.

A documentação do produto descreve especificamente a estrutura do disco como tendo uma dimensão axial curta e sendo adequada para instalações onde o espaço axial é limitado, incluindo conexão direta ao equipamento de transmissão da unidade de bombeamento.

O comprimento axial compacto pode alterar o layout da máquina

Os projetistas de máquinas geralmente se concentram primeiro na potência e no torque do motor.

A embalagem física às vezes só se torna um problema mais tarde.

Um motor de fluxo axial pode ser útil quando o espaço disponível é relativamente amplo em diâmetro, mas restrito ao longo da direção do eixo.

Exemplos típicos podem incluir:

• módulos de acionamento industriais compactos;
• máquinas de acionamento direto;
• retrofits de equipamentos;
• equipamento móvel;
• máquinas com comprimento limitado do sistema de transmissão.

O catálogo atual de motores de disco da Jiangnan inclui uma configuração industrial de 7,5 kW operando a 1.450 rpm, juntamente com configurações de campos petrolíferos de baixa velocidade de 30 kW e 45 kW. O folheto posiciona especificamente a forma axial curta como útil para layouts de equipamentos compactos.

O importante não é que um motor axial seja sempre menor.

Suas proporções são simplesmente diferentes.

Um motor mais largo e mais plano pode resolver problemas de empacotamento que um motor cilíndrico longo não consegue.

E quanto à eficiência?

Motores de fluxo axial de ímã permanente podem ser projetados para alta eficiência.

Seu caminho magnético curto e excitação de ímã permanente podem reduzir certas perdas em comparação com algumas estruturas de motores convencionais.

Contudo, a eficiência deve sempre ser avaliada utilizando os dados reais do motor e o ponto de operação.

A eficiência do motor muda com:

• velocidade;
• carregar;
• projeto sinuoso;
• materiais magnéticos;
• resfriamento;
• configurações da unidade.

Para um comprador industrial, a pergunta útil não é: “Os motores de fluxo axial são mais eficientes?”

Uma pergunta melhor é: “Que eficiência este motor atinge na velocidade e carga em que minha máquina normalmente opera?”

Esta distinção é importante porque muitas máquinas não passam a maior parte do seu tempo de operação exatamente com 100% da carga nominal.

O desenvolvimento do motor de disco da própria Jiangnan usa ímãs permanentes junto com uma estrutura de fluxo axial e materiais magnéticos macios nanocristalinos em designs selecionados. Os materiais da empresa descrevem o objetivo como reduzir as perdas magnéticas e de enrolamento, mantendo uma estrutura compacta.

Para um projeto real, entretanto, a eficiência deve ser confirmada em relação ao modelo específico do motor, em vez de aplicar uma porcentagem a toda a família de produtos.

Um motor de fluxo axial sempre elimina a caixa de engrenagens?

Não.

Este é outro ponto que muitas vezes é simplificado demais.

Um motor de fluxo axial pode ser projetado para operação em baixa velocidade e alto torque, o que pode tornar possível o acionamento direto em algumas máquinas.

Mas a eliminação da caixa de velocidades depende do necessário:

• velocidade de saída;
• torque contínuo;
• pico de torque;
• inércia da máquina;
• condições iniciais;
• espaço de instalação disponível;
• estratégia de controle de acionamento.

Se a máquina exigir uma faixa de velocidade ou relação de transmissão muito diferente, uma caixa de câmbio ainda pode ser a melhor solução.

O acionamento direto é uma decisão de aplicação, não um recurso automático de todo motor de disco.

O design térmico ainda é importante

Um corpo de motor curto não elimina a necessidade de resfriamento adequado.

Alto torque significa alta carga eletromagnética e o calor gerado ainda precisa sair do motor.

Os projetos de fluxo axial podem se beneficiar de sua grande área de superfície, mas o desempenho térmico real depende da estrutura interna e do método de resfriamento.

Diferentes aplicações industriais podem utilizar resfriamento natural, resfriamento por ar forçado ou resfriamento líquido.

A atual linha de produtos da Jiangnan inclui diferentes arranjos de resfriamento para aplicações de motores de fluxo axial e de ímã permanente, em vez de um método de resfriamento para cada nível de potência.

Para projetos OEM, o ciclo de trabalho e o ambiente de instalação precisam, portanto, ser considerados juntamente com a potência nominal.

O fluxo axial não é automaticamente melhor que o fluxo radial

Os motores de fluxo radial continuam sendo a solução certa para um grande número de máquinas.

Eles possuem processos de fabricação maduros, padrões de estrutura estabelecidos, ampla disponibilidade de fornecedores e práticas de instalação bem compreendidas.

Se um motor radial padrão já atende aos requisitos da máquina em termos de tamanho, eficiência, torque, custo e confiabilidade, a alteração da arquitetura do motor pode adicionar trabalho de desenvolvimento desnecessário.

O fluxo axial torna-se mais interessante quando a aplicação tem um motivo específico para utilizá-lo.

Os motivos típicos incluem:

• espaço de instalação axial restrito;
• operação de baixa velocidade e alto torque;
• interesse em acionamento direto;
• exigência de alto torque em um pacote compacto;
• restrições de peso ou embalagem;
• a necessidade de redesenhar o sistema de transmissão em vez de simplesmente substituir um motor padrão existente.

É por isso que a máquina deve vir em primeiro lugar.

O que um OEM deve fornecer antes de selecionar um motor de fluxo axial?

Uma solicitação como “Precisamos de um motor de fluxo axial de 30 kW” é um ponto de partida útil, mas não é suficiente para a seleção final.

Para um projeto industrial, as seguintes informações são mais úteis:

• potência nominal;
• velocidade nominal;
• torque contínuo;
• pico de torque necessário;
• tensão;
• faixa de velocidade operacional;
• ciclo de trabalho;
• características de carga;
• dimensões do eixo;
• método de montagem;
• diâmetro máximo disponível do motor;
• comprimento axial máximo permitido;
• condições de resfriamento;
• temperatura ambiente;
• exigência de proteção;
• informações do inversor ou inversor.

Para uma máquina existente, fotografias, uma placa de identificação do motor e um desenho mecânico podem encurtar significativamente o processo de seleção.

Para uma conversão de acionamento direto, as informações sobre a caixa de câmbio existente e a velocidade final de saída também são importantes.

Opções de motor elétrico de fluxo axial Jiangnan

atualmente oferece motores elétricos de fluxo axial, PMSMs convencionais e outras plataformas de motores de ímã permanente para aplicações industriais.

A atual família JNPM cobre pontos operacionais de baixa velocidade, alto torque e alta velocidade. Os exemplos incluem:

O motor ainda deve ser selecionado a partir dos requisitos reais da máquina, e não apenas da potência.

Para projetos de desenvolvimento e modernização de OEM, a Jiangnan Electric pode revisar a velocidade, o torque, o envelope de instalação, o sistema de acionamento e a interface mecânica do cliente antes de recomendar uma configuração apropriada.

Escolha a arquitetura do motor em torno da máquina

A principal diferença entre motores de fluxo axial e de fluxo radial não é simplesmente a forma.

A diferente geometria eletromagnética altera a forma como o motor pode ser embalado e como o torque pode ser desenvolvido dentro desse pacote.

Para uma máquina convencional com montagem padrão e bastante espaço de instalação, um motor de fluxo radial pode continuar sendo a escolha mais prática.

Para uma máquina onde o comprimento axial, o torque em baixa velocidade ou a simplificação do sistema de transmissão são importantes, um motor de fluxo axial pode fornecer uma alternativa útil.

A melhor decisão começa com a máquina: torque necessário → velocidade necessária → espaço disponível → transmissão → ciclo de trabalho → resfriamento → arquitetura do motor.

Uma vez que essas condições estejam claras, fica muito mais fácil decidir se um motor de disco é genuinamente útil ou simplesmente diferente.

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Isenção de responsabilidade

As informações neste artigo são fornecidas apenas para referência geral. As especificações do produto, o desempenho, as opções de configuração e a adequação devem ser avaliadas detalhadamente para a aplicação pretendida e as condições operacionais reais. Antes de selecionar, comprar ou usar um produto, confirme os detalhes relevantes com a Jiangnan Electric e consulte a documentação técnica aplicável e as especificações acordadas. Este artigo não substitui instruções específicas do produto ou uma avaliação profissional de engenharia.