Calculadora de redução térmica BLDC

Esta calculadora modela o aumento de temperatura do motor BLDCusando uma rede de resistência térmicapara verificar se as temperaturas do enrolamento permanecem dentro dos limites da classe de isolamento. Projetistas de motores, fabricantes de drones e integradores industriais o usam para determinar as classificações de corrente contínua e o resfriamento necessário para seu ambiente operacional.

O modelo térmico de estado estacionário segue uma analogia elétrica: o fluxo de calor (watts) através da resistência térmica (C/W) produz diferença de temperatura (C). De acordo com o modelo térmico de Mellor (IEE Proc. 1991), o caminho principal é enrolamento -> ferro do estator -> caixa -> ambiente, com $T_{winding} = T_{ambient} + P_{total} \times (R_{\theta,wc} + R_{\theta,ca})$, onde $R_{\theta,wc}$ é enrolamento a caixa e $R_{\theta,ca}$ é resistência térmica de caixa a ambiente.

A classe de isolamento define a temperatura máxima permitida do enrolamento de acordo com a IEC 60085: Classe B (130C), Classe F (155C) e Classe H (180C). A maioria dos motores BLDC de hobby usa fio esmaltado Classe B ou F. Exceder a classificação em 10C reduz pela metade a vida útil do isolamento de acordo com a regra de Arrhenius - a margem térmica não é opcional.

A resistência do cobre aumenta com a temperatura: $R(T) = R_{25} \times (1 + \alpha (T - 25))$ onde $\alpha = 0.00393$ /C para cobre. Isso cria um feedback térmico positivo: enrolamentos mais quentes têm maior resistência, causando mais perda de $I^2R$, o que aumenta ainda mais a temperatura. A temperatura de equilíbrio deve ser resolvida iterativamente ou por meio da forma fechada: $T_{eq} = T_{amb} + I^2 R(T_{amb}) \times R_{\theta,total} / (1 - \alpha \times I^2 R_{25} \times R_{\theta,total})$ (maxon). A calculadora usa essa forma fechada, com $I$ a corrente de alimentação e $R_{25}$ a resistência entre terminais entre dois fios a 25C, que essa corrente atravessa na comutação em bloco. Onde $\alpha \times I^2 R_{25} \times R_{\theta,total} \geq 1$ não há equilíbrio (avalanche térmica), e a calculadora não indica nenhum.

A constante de tempo térmico de primeira ordem $\tau = R_{\theta} \times C_{th}$ (onde $C_{th}$ é a capacitância térmica em J/C) determina a rapidez com que o motor aquece. Pequenos motores de drones ($\tau$ = 10-30 s) atingem 63% da temperatura final em menos de 30 segundos. Isso significa que as classificações de corrente de ruptura só são seguras por períodos bem abaixo de $\tau$.