Em 22 de abril, na Conferência da Indústria do Cobre CCIE 2025 SMM (20ª) & Exposição da Indústria do Cobre - Fórum da Indústria de Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica, organizada pela SMM Information & Technology Co., Ltd., SMM Metal Trading Center e Shandong Aisi Information Technology Co., Ltd., com a Jiangxi Copper Corporation e a Yingtan Land Port Holdings Co., Ltd. como principais patrocinadoras, a Shandong Humon Smelting Co., Ltd. como co-organizadora especial e o Xinhuang Group e o Zhongtiaoshan Nonferrous Metals Group Co., Ltd. como co-organizadores, Liang Dong, Representante-Chefe do Escritório de Pequim da International Copper Association e Líder de Projeto para a Iniciativa Low-Carbon Drive/Engenheiro Sênior, fez um discurso com o tema "Tendências de Desenvolvimento dos Materiais de Enrolamento à Base de Cobre na Indústria de Motores e Transformadores".
Introdução às Aplicações do Cobre em Motores e Transformadores
Classificação e Áreas de Aplicação dos Produtos de Fios e Cabos
Áreas de Aplicação dos Fios de Enrolamento
Tendências de Pesquisa nos Fios de Enrolamento de Liga de Cobre
Condutores de Alto Desempenho: Condutores com Baixo Teor de Oxigênio, Alta Flexibilidade, Alta Resistência e Alta Condutividade.
Aplicações do Cobre em Motores e Transformadores
Ele citou exemplos de aplicações do cobre em motores e transformadores para ilustrar seus pontos.
Tendências de Desenvolvimento em Motores e Transformadores
Tendência Global para a Descarbonização
• UE: Reduzir as emissões de gases de efeito estufa em 55% em relação aos níveis de 1990 até 2030 e alcançar a neutralidade de carbono até 2050
• Japão: Alcançar a neutralidade de carbono até 2050
• Reino Unido: Alcançar emissões líquidas zero até 2045 e neutralidade de carbono até 2050
• Canadá: Alcançar a neutralidade de carbono até 2050
• China: Alcançar o pico das emissões de carbono até 2030 e a neutralidade de carbono até 2060
• Até setembro de 2023, mais de 150 países se comprometeram com a neutralidade de carbono, abrangendo mais de 80% das emissões globais de CO2, do PIB e da população.
O processo de atingir o pico das emissões de carbono e alcançar a neutralidade de carbono é um processo de eletrificação e reeletrificação em toda a sociedade.
A reeletrificação exige uma melhoria ainda maior na eficiência energética no lado da demanda.
O processo de atingir o pico das emissões de carbono e alcançar a neutralidade de carbono é um processo de eletrificação e reeletrificação em toda a sociedade; a eletrificação refere-se à transição de fontes de energia tradicionais (como carvão e petróleo) para energia elétrica; a reeletrificação envolve uma otimização ainda maior, como o uso de energia renovável para geração de energia elétrica ou a melhoria da eficiência do sistema de energia.
Eficiência de Diferentes Sistemas de Acionamento
A eficiência térmica estimada das máquinas a vapor em 1840 era de cerca de 3%, enquanto as máquinas a vapor de condensação posteriores alcançaram 8%, com a eficiência térmica máxima das máquinas a vapor não ultrapassando 20%. ⇒ A eficiência térmica dos motores a gasolina em carros de passageiros é geralmente inferior a 40%, enquanto os motores a diesel podem alcançar 40-46%.
Os sistemas de acionamento elétrico têm a maior eficiência, tipicamente acima de 90%, podendo ultrapassar 95%.
Eficiência Térmica dos Motores de Combustão Interna
• O limite superior da eficiência térmica dos motores de combustão interna é o ciclo de Carnot, o que significa que quanto maior for a diferença de temperatura entre a fonte de calor de alta temperatura e a fonte de calor de baixa temperatura, maior será a eficiência térmica;
• Para que um motor atinja 95% de eficiência no ciclo de Carnot, a fonte de calor de alta temperatura precisaria estar a 23.000°C;
• O ciclo de Carnot é um processo ideal e, na realidade, quanto maior for a temperatura, mais difícil será alcançar as condições adiabáticas, resultando em uma eficiência real muito menor do que a do ciclo de Carnot;
• O único método de acionamento com uma eficiência energética superior a 95% na prática é o sistema de motor elétrico.
Direções de Desenvolvimento para Motores e Transformadores Elétricos de Alta Eficiência
➢ "Opiniões Orientativas sobre a Coordenação da Conservação de Energia, Redução de Carbono e Reciclagem para Acelerar a Atualização e Transformação de Equipamentos de Produtos-Chave": Até 2025, a proporção de motores de alta eficiência e economia de energia em operação (nível de eficiência 2 e superior) aumentará em mais de 5 pontos percentuais em relação a 2021, e a proporção de motores de alta eficiência e economia de energia recentemente adicionados aumentará em 15 pontos percentuais em relação a 2021, com a proporção de transformadores de alta eficiência e economia de energia aumentando em mais de 10 pontos percentuais.
➢ "Plano de Ação para a Melhoria da Eficiência Energética Industrial": Concentrar-se em equipamentos de consumo geral de energia, como motores, transformadores e caldeiras, e realizar continuamente ações de melhoria da eficiência energética, aumentando a aplicação de equipamentos de consumo de energia de alta eficiência.
➢ "Plano de Ação para a Conservação de Energia e Redução de Carbono para 2024-2025": Até 2025, a proporção de motores de alta eficiência e economia de energia e transformadores de alta eficiência e economia de energia em operação aumentará em mais de 5 e 10 pontos percentuais, respectivamente.
➢ "Diretrizes de Implementação para a Atualização, Transformação e Reciclagem de Motores (Edição de 2023)": Incentivar os fabricantes de motores a aumentar a inovação e melhorar a eficiência energética, e promover que as empresas das principais indústrias verifiquem a eficiência energética e o status de manutenção de seus equipamentos, atualizando e transformando motores com eficiência energética abaixo do nível de entrada (nível de eficiência 3).
Tendências Globais em Motores Elétricos de Alta Eficiência
Ele forneceu uma introdução detalhada às tendências de desenvolvimento de motores elétricos de alta eficiência em vários países do mundo.
Formas de Melhorar a Eficiência dos Motores Elétricos
Aumentar o uso de materiais eficazes, reduzir as perdas de enrolamento e de ferro; usar melhores materiais magnéticos e medidas de processo para reduzir as perdas de ferro; reduzir o tamanho do ventilador para diminuir as perdas de ventilação; reduzir as perdas parasitárias através de medidas de design e processo; aplicar o design de otimização assistido por computador para reduzir as perdas e melhorar a eficiência; usar rotores de ímã permanente e rotores de cobre para reduzir as perdas do rotor; combinar a tecnologia da informação e a eletrônica de potência para melhorar a eficiência do sistema.
Novo Tipo de Motor Elétrico – Motor Elétrico de Duplo Rotor
O estator de um motor de duplo rotor está localizado no meio, com um rotor dentro do estator e um rotor fora do estator.
• Os rotores interno e externo giram sincronicamente.
• Fios eletromagnéticos são instalados no estator central para gerar um campo magnético.
• As principais vantagens dos motores de duplo rotor são sua eficiência significativa e redução substancial no consumo de material (principalmente aço elétrico).
Motor Elétrico de Copo Oco
• Os motores de copo oco são nomeados após o design de seu rotor. O rotor de um motor de copo oco se afasta da estrutura tradicional do motor, usando um rotor sem núcleo, que é uma estrutura oca em forma de copo com enrolamentos e ímãs internos.
• Essa estrutura de rotor elimina completamente as perdas por correntes parasitas causadas pelo núcleo, reduzindo significativamente o peso e a inércia de rotação, diminuindo assim as perdas de energia mecânica no próprio rotor.
• Em 1958, DFFaumhaber, na Alemanha, desenvolveu a tecnologia de bobina de enrolamento oblíqua e, após desenvolvimento e melhoria contínuos, obteve a patente para a tecnologia de enrolamento oblíquo do rotor do motor de copo oco em 1965, marcando o nascimento do motor de copo oco.
• Os motores de copo oco são usados principalmente em articulações de mãos ágeis.
Requisitos para Materiais de Cobre em Sistemas de Novos Tipos de Motores Elétricos
► Motor Elétrico de Copo Oco
• Requisitos de Condutividade: Os enrolamentos dos motores de copo oco normalmente usam fios de cobre de alta condutividade para reduzir a resistência e a perda de energia, melhorando a eficiência e o desempenho do motor.
• Requisitos de Resistência: Embora os enrolamentos dos motores de copo oco enfatizem principalmente a condutividade, o fio de cobre também precisa de um certo nível de resistência mecânica para suportar as forças eletromagnéticas e centrífugas durante a operação do motor. Além disso, componentes como comutadores e escovas podem usar ligas de cobre, como cobre-prata e cobre-cromo-zircônio, que mantêm alta condutividade enquanto oferecem melhor resistência e desgaste, adequados para contato frequente de escovas e transmissão de corrente.
► Motor Elétrico de Duplo Rotor
• Requisitos de Condutividade: Os enrolamentos do rotor dos motores de duplo rotor normalmente usam materiais de cobre de alta condutividade para reduzir a resistência do enrolamento, minimizar a perda de energia e aumentar a eficiência e a densidade de potência do motor. A excelente condutividade do cobre conduz eficazmente a corrente, garantindo o funcionamento normal do motor.
• Requisitos de Resistência: A estrutura do rotor dos motores de duplo rotor é relativamente complexa e deve suportar altos estresses mecânicos e forças eletromagnéticas. Portanto, o material de cobre precisa ter resistência e tenacidade suficientes para garantir a estabilidade e a confiabilidade do rotor sob rotação de alta velocidade e variações de carga. Alguns motores de duplo rotor de alto desempenho podem usar ligas de cobre, que fornecem maior resistência e dureza enquanto mantêm um certo nível de condutividade.
Tendências de Desenvolvimento dos Materiais à Base de Cobre
Motores de Alta Eficiência - Fios Planos de Cobre
No campo dos motores de acionamento de VE, os motores de fios planos são atualmente a forma predominante de enrolamentos de motores.
Em comparação com os fios redondos, os fios planos facilitam o aumento do fator de enchimento das ranhuras dos motores. Geralmente, o fator de enchimento das ranhuras dos motores de fios redondos é de cerca de 50%, enquanto o dos motores de fios planos pode ultrapassar 70%.
O uso de fios planos permite que mais fios de cobre sejam preenchidos no mesmo espaço da ranhura do estator, permitindo maior fluxo de corrente, gerando um campo magnético mais forte e, assim, aumentando a densidade de potência.
Ele também fornece um exemplo comparando o desempenho de fios redondos e planos em um certo motor de acionamento.
Motores de Alta Eficiência - Rotores de Cobre
Melhorar a eficiência, reduzir o aumento de temperatura, garantir a operação confiável, reduzir o tamanho e o peso e diminuir os custos do motor.
Ele compara um motor de 75KW-2 com rotor de cobre e outro com rotor de alumínio.
Os rotores de cobre também enfrentam problemas como muitos pontos de soldagem, processos complexos, resistência instável, controle de qualidade difícil, baixa consistência, necessidade de processamento separado dos anéis de extremidade e das barras (levando a altos custos), baixa eficiência de produção e dificuldades na produção em grande escala.
Ele também apresenta ligas de cobre fundido sob pressão com terras raras e ligas de cobre de alta resistência e alta condutividade (geralmente referindo-se a ligas com σb ≥ 600MPa e condutividade ≥80% IACS).
Soluções de Cobre de Alta Eficiência - Melhorando a Condutividade
O "Super Cobre" é feito através da empilhamento de grafeno (conhecido por suas propriedades de condutividade e mecânicas) com chapas de cobre, alcançando uma vantagem complementar do grafeno e do cobre. Atualmente, a condutividade do super cobre pode ser aumentada para 106-108% IACS.
