No entanto, esta tendência pode ser parcialmente compensada pelas melhorias na eficiência do enrolamento e na utilização do cobre observadas nos últimos anos. De qualquer forma, a crescente eletrificação do mercado automóvel aumentará a procura de cobre para motores de veículos elétricos em 3,1 vezes em 2034, em comparação com 2023.
Onde é utilizado o cobre?
Um motor é constituído por um componente estacionário (estator) e um componente rotativo (rotor). Geralmente, o estator é feito de uma estrutura de aço com enrolamentos de cobre utilizados para gerar um campo eletromagnético. Os materiais do rotor variam consoante a tecnologia. Os motores de íman permanente têm ímanes no rotor, os motores de indução têm barras de cobre ou alumínio, os motores de rotor bobinado têm mais enrolamentos de cobre e os motores de relutância são predominantemente feitos de aço.
A remoção dos magnetos aumenta o teor de cobre:
Os motores de indução, que eram anteriormente populares como motores de acionamento, estão agora reservados principalmente para aplicações de acionamento secundário. Dependendo do rotor (de cobre ou alumínio), podem aumentar o teor de cobre do motor em comparação com as opções de íman permanente. O motor de rotor bobinado está a revelar-se a melhor opção sem ímanes, e a utilização de enrolamentos de cobre no rotor aumenta significativamente o teor de cobre do motor, com alguns exemplos a apresentarem mais do dobro do cobre em comparação com um motor de íman permanente equivalente.
Existem tecnologias alternativas de motores que poderão manter um teor de cobre semelhante ao dos motores de íman permanente; por exemplo, o rotor do motor de relutância é predominantemente de aço e não contém cobre nem alumínio. No entanto, estes motores apresentam tradicionalmente problemas com a densidade de potência, ruído e eficiência. Existem várias vias de melhoria, com várias empresas a trabalhar neste tipo de projetos, mas ainda não foi demonstrado num veículo elétrico produzido em massa. O emergente motor de fluxo axial oferece uma densidade de potência muito elevada e, portanto, em termos de teor de cobre por kW de potência, tem uma necessidade de cobre muito menor.
Teor relativo de cobre em motores elétricos utilizados em automóveis elétricos. Fonte: IDTechEx
Tecnologia de enrolamento para reduzir o cobre:
O texto acima refere-se ao rotor, mas estão em curso esforços para melhorar a utilização de cobre nos enrolamentos do estator. Tradicionalmente, estes enrolamentos consistem em muitos fios finos e redondos enrolados à volta do estator. Em 2021, os enrolamentos em grampo (hairpin) alcançaram uma quota de mercado global nos veículos elétricos semelhante à dos fios redondos e, de facto, ultrapassaram-nos em 2022. O enrolamento em grampo implica a utilização de fios quadrados/retangulares, o que aumenta o fator de enchimento das ranhuras, aproveitando melhor o espaço disponível e reduzindo a quantidade de excesso de enrolamento de cobre em cada extremidade do motor. Pode ser utilizado um fator de enchimento mais elevado para aumentar a massa de cobre por motor, ou um enchimento mais eficiente pode reduzir o comprimento total (e, portanto, o teor de cobre) do motor para atingir o mesmo desempenho.
A etapa seguinte da evolução envolve o pré-enrolamento destes enrolamentos em garfo, de modo a que cada barra não tenha de ser inserida e soldada individualmente. Isto melhora a capacidade de fabrico, permite mais pólos no estator e reduz ainda mais os enrolamentos de extremidade salientes. Empresas como a Schaeffler, a Lucid e a BorgWarner, que tem um conceito semelhante chamado "enrolamento em S", já demonstraram este processo.
Também é possível substituir o cobre por alumínio nos enrolamentos do estator. Geralmente, o alumínio apresenta uma menor eficiência volumétrica, pois requer um maior volume de alumínio para atingir o mesmo desempenho que o cobre. A motivação para substituir o cobre pelo alumínio reside no facto de ser mais leve e menos dispendioso. Apesar disso, para a maioria das aplicações, a IDTechEx prevê que o cobre continuará a ser o principal material para o enrolamento do estator, exceto em alguns casos específicos em que a eficiência volumétrica do motor não é crítica.
Autor: Dr. James Edmondson, Diretor de Investigação da IDTechEx
