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¿Cuáles son las opciones estructurales que hacen que un motor sea innovador y de gran rendimiento? ¿Cuáles son los materiales más adecuados para obtener lo mejor de cada componente en el esquema de diseño?
Se lo hemos pedido a un gran experto: Luca Ianni, ingeniero y especialista en motores eléctricos de AVL, entre las empresas líderes de vanguardia, que en sus sitios, incluido el hub italiano de Cavriago (RE), está interceptando y delineando el presente y el futuro. del motor eléctrico de excelencia.

Antes de adentrarnos en el impresionante tema que destaca la innovación de los motores eléctricos, con el objetivo de superar el límite de las prestaciones alcanzadas hoy desde el punto de vista de la tecnología y el funcionamiento electromagnético, especialmente en el ámbito automotriz, es necesario hacer una macro- subdivisión de motores eléctricos; primero entre aquellos con flujo axial y flujo radial. «En el sector de la automoción, todavía encontramos ambas tipologías de motores, aunque existe un interés creciente en los motores de flujo axial debido a los rendimientos de par y densidad de potencia alcanzables. Hoy en día, el motor de flujo axial puede alcanzar niveles impensables los años pasados, especialmente en términos de costo, ya que esta tipología de motor presenta mayores dificultades de fabricación que hicieron subir el costo de fabricación y luego indujeron a descartarlo a priori, por cuestiones de presupuesto, en comparación con los motores radiales. motores de flujo».

En el tema que destaca la innovación de los motores eléctricos, debemos hacer una macro-subdivisión entre diferentes tipos de motores eléctricos

Otras macrodivisiones entre motores ven por un lado motores síncronos de imanes permanentes, luego motores sin escobillas que a su vez se pueden dividir en motores de imanes permanentes montados en superficie y motores de imanes permanentes internos, estos últimos llamados también IPM, ampliamente utilizados en la industria automotriz porque permiten explotar la componente de par de reluctancia, aumentando la eficiencia y ampliando el rango de velocidades frente a otras tipologías estructurales. Por otro lado, existen motores síncronos de rotor bobinado sin imanes en su interior pero con devanados también en el rotor. Motores asíncronos con rotor en jaula de ardilla, apreciados por su bajo costo, altas temperaturas de operación y la facilidad de uso del control del variador. Finalmente, los motores de reluctancia, que aprovechan únicamente la contribución de la reluctancia para producir par, caracterizados por un rotor simple, sin devanados, barras o imanes, y luego de fácil fabricación, económicos y mecánicamente robustos.

WeiTong. 2014. Diseño mecánico de motores eléctricos. Prensa CRC. “Adecuado para la propulsión de vehículos” destacado por AVL

Laminaciones

Más allá del aspecto de simulación y diseño que permite lograr motores con más prestaciones que en el pasado, lo que hace que un motor eléctrico se vuelva innovador, en comparación con décadas pasadas, es sin duda la elección de los materiales. En este contexto, juega un papel fundamental la laminación que compone el rotor y el estator.

www.absolutewireedm.com
corte por electroerosión por hilo

«Hoy en día utilizamos cada vez más laminaciones de material hierro-cobalto, caracterizadas por mejores prestaciones en el comportamiento electromagnético, mayor rango de uso antes de la saturación y bajas cifras de pérdidas, con inducción y frecuencias invariables, en comparación con otros materiales como el hierro-silicio. Por otro lado, el hierro-cobalto presenta valores de límite elástico más bajos que el hierro-silicio y, por lo tanto, para aplicaciones de alta velocidad con esfuerzos mecánicos notables, la optimización del diseño (es decir, barreras de flujo para motores IPM) y técnicas de fabricación, como por ejemplo backlack, convertirse en crucial. Las pérdidas de hierro también se reducen por el fuerte balanceo de los apilamientos del estator y del rotor: cuanto más disminuimos el espesor de estas laminaciones, más reducimos las pérdidas por efecto de remolino La tendencia que prevalece hoy en día es tener laminaciones en torno a 0,2 mm, incluso con corriente técnicas de corte podemos obtener laminaciones de tan solo 55µm. Evidentemente, las laminaciones de 0,2 mm pueden procesarse fácilmente con técnicas de punzonado y corte por láser y luego ser aptas para la producción en masa, por el contrario, a partir de laminaciones de 55 µm podemos lograr las geometrías deseadas solo mediante técnicas de corte “Wire EDM”, adecuándose a pequeños volúmenes».

www.vacuumschmelze.de – ejemplos de laminación

Imanes

A lo largo de los años, las prestaciones de los imanes ofrecidos por los proveedores mejoran constantemente. En el mercado, de hecho, están disponibles productos con valores más altos de remanencia y coercitividad intrínseca que en el pasado, lo que resulta en un mayor rendimiento con los mismos volúmenes de imanes y menores problemas de desmagnetización, con la ventaja de motores que pueden operar a temperaturas más altas y con flujos magnéticos internos más altos, luego mejores desempeños de torque y densidad de potencia.
«Hablando de los materiales que componen los imanes, típicamente en el sector industrial pero también en el de la automoción, el Neodimio-Hierro-Boro (NdFeB) es muy utilizado.
Otra tipología de imán es Samario-Cobalto (SmCo) uno que, aunque más caro, tiene valores de BHmax más altos que los de NdFeB para temperaturas que superan los 150/180 °C, pero valores más bajos en comparación con los mejores grados de NdFeB para temperaturas más bajas.

www.atopwinding.com – estator con horquilla

El imán SmCo presenta entonces valores de remanencia más altos a altas temperaturas y se ve menos afectado por los problemas de desmagnetización, presentando valores de coercitividad intrínseca más altos que otras tipologías. En la elección de uno en lugar del otro, debemos entender qué objetivo de rendimiento queremos alcanzar y luego la clase térmica del motor. Si decidimos diseñar un motor que funcione a más de 200°C (clase térmica C), los imanes SmCo aseguran sin duda mejores prestaciones. Además, el elevado delta térmico admisible, con respecto a la temperatura ambiente, permite aumentar las densidades de par y potencia del motor a valores inalcanzables con imanes de NdFeB utilizados a temperaturas más bajas (clases térmicas F o H)».

www.arnoldmagnetics.com – Comparación de imanes NdFeB y SmCo

Devanados

Otra variante cada vez más presente en los motores actuales viene dada por un uso creciente de horquillas en lugar de bobinados de alambre que constituyen el estator bobinado. «Estamos siendo testigos de un uso creciente, especialmente en la industria automotriz, de horquillas, luego barras de cobre esmaltadas que se utilizan para formar bobinados dentro de las ranuras del estator. Los beneficios son inmediatos gracias a la mayor cantidad de material conductor que se puede introducir en las ranuras, dejando menos espacios vacíos entre los conductores y mejorando también la capacidad de disipación de calor».

Topologías del sistema de refrigeración

El factor de relleno, entonces la relación entre el área de cobre y el área de la ranura, generalmente alcanza valores que van de 0,3 a 0,6 cuando se utilizan hilos de cobre; con el uso de horquillas y con una geometría de ranura optimizada para el conductor específico, es posible ir más allá de este límite. Aumentar el factor de llenado, luego tener más cobre disponible dentro de la ranura misma, con corriente sin cambios, permite reducir las pérdidas de julios y, por lo tanto, mejorar la eficiencia y reducir las sobretemperaturas; razonando en cambio con el mismo delta térmico admisible, significa la posibilidad de mejorar las prestaciones del motor y luego la densidad de par, con la misma masa y volumen.
Además, las horquillas se pueden enrollar de manera que se eviten fenómenos de efecto pelicular en el conductor.

Motor IPM refrigerado por aceite AVL: vista externa

Disipación de calor

La generación de calor está relacionada con las pérdidas que ocurren dentro del motor, pueden ser pérdidas en joules en los devanados del estator o en las barras del rotor para motores de inducción, pérdidas por efecto de remolino e histéresis en las laminaciones del rotor y el estator, pérdidas por efecto de remolino en los imanes, pérdidas por fricción en los cojinetes y pérdidas por efecto del viento en el espacio magnético en el aire entre el estator y el rotor.

Motor IPM refrigerado por aceite AVL: vista interna

«Todas estas pérdidas dan como resultado la generación de calor; mejorar el sistema de refrigeración y luego la capacidad de extraer este calor del motor y disiparlo permite hacer que el motor tenga más rendimiento: cuanto mejor disipamos el calor, mayores rendimientos serán».

Existen diferentes modalidades para disipar el calor y cada forma tiene diferente eficacia. En el ámbito industrial, generalmente se opta por la refrigeración por convección natural, muy utilizada para motores brushless o para sistemas forzados de aire, frecuentemente utilizados en recintos asíncronos con alas; hacemos fluir el aire (movido por un ventilador conectado al eje o accionado por un motor secundario) sobre la envolvente exterior del motor, aumentando el intercambio térmico que se produciría con la convección estándar. Sin embargo, los rendimientos que podemos obtener de estos sistemas distan mucho de los deseados para motores de alta densidad de potencia. Para otorgar mejores prestaciones es necesario optar por otros métodos, especialmente para el sector de la automoción de los coches deportivos, donde la búsqueda de prestaciones es fundamental.
Un sistema de mayor rendimiento prevé el uso de una camisa de agua que forma el recinto del motor, que contiene conductos por donde fluye el refrigerante, generalmente una mezcla de agua y glicol. Esta tipología ampliamente utilizada permite obtener una extracción de calor 3 veces mayor que en un motor refrigerado solo por convección natural.
Un resultado similar a esta solución de refrigeración se puede lograr mediante el sistema de pulverización de aceite, es decir, la inyección de aceite refrigerado en las cabezas de los devanados del estator, lo que permite extraer calor directamente de la sección de cobre que sobresale del apilamiento del estator.

«Existe otro método, más eficaz que todos los demás pero menos utilizado, que permite una disipación de calor 4,5 veces mayor que la convección natural: la inmersión completa del estator en el aceite que implica una excelente extracción de calor del estator y de los devanados relativos. Actualmente, a pesar de los resultados positivos, no se utiliza mucho porque este método requiere dispositivos de fabricación particulares y esto hace que los costos también aumenten de la mano de las prestaciones, aumento que no se puede justificar para algunas aplicaciones».

Eje eléctrico totalmente integrado AVL

La integración de la mezcla perfecta

¿La mezcla perfecta de componentes para el mejor motor posible? «Un motor capaz de abarcar lo mejor de todos los materiales y un diseño electromagnético, térmico y mecánico óptimo, combinado con todos los aspectos de NVH y optimización del ruido de los componentes. Por tanto, hoy el identikit del innovador motor podría ser un motor de imanes permanentes internos sin escobillas fabricado en samario-cobalto, que admita un uso a temperaturas de régimen superior a 180°C, posiblemente en clase C, con refrigeración directa en aceite; laminaciones de hierro-cobalto en backlack, investigando velocidades ciertamente superiores a las 20.000rpm con pérdidas reducidas. No debemos subestimar la importancia de disponer de material aislante, resinas y encapsulados, capaces de soportar temperaturas superiores a los 200°C, para la consiguiente libertad de un diseño menos condicionado, capaz de proporcionar prestaciones cada vez mayores. Los compuestos de encapsulado, por ejemplo, utilizados para encapsular devanados, que brindan beneficios no solo en términos de aislamiento eléctrico sino también en el intercambio de calor entre devanados y laminaciones, están hoy limitados a temperaturas inferiores a la clase C; además, para todas aquellas aplicaciones que prevén también una certificación de motor particular para la venta en algunos Estados, como UL para Estados Unidos y CSA para Canadá, el límite térmico del material aislante se fija en valores muy inferiores al límite real de el componente, haciendo entonces casi imposible la búsqueda del rendimiento absoluto, y al mismo tiempo la certificación del motor para un determinado mercado».

Simulación y prueba Renderización de la sala de pruebas AVL para eMotors

El rendimiento del motor está estrictamente relacionado con el diseño y las simulaciones realizadas antes de las fases de creación de prototipos y producción son fundamentales. En un primer paso, es posible utilizar un software de cálculo de parámetros concentrados 1D tanto para el dimensionamiento preliminar como para las simulaciones térmicas. En una segunda fase de optimización más precisa, se utilizan software de simulación de elementos finitos FEM y CFD, tanto en 2D como en 3D, cubriendo así todos los aspectos que caracterizan a un motor eléctrico, desde el circuito electromagnético hasta el rendimiento mecánico, térmico y NVH, hasta el estudio del comportamiento que ocurre cuando el motor opera dentro del sistema de aplicación, como por ejemplo un eje eléctrico o un tren motriz completo. «Un estudio de este tipo, luego más profundo, con simulaciones más precisas, aborda por ejemplo el ámbito automotriz porque las densidades de par y potencia de los motores destinados a los automóviles de mayor rendimiento están al límite de las posibilidades técnicas, especialmente para vehículos de alta -aplicaciones de velocidad o donde se trate de optimizar al máximo la eficiencia o de aprovechar al máximo el salto térmico admisible de los materiales utilizados.

Software AVL para simulación de eMotor

Además de las simulaciones, hay un paso clave: la prueba del motor fabricado. De hecho, no es suficiente diseñarlo y simularlo, es necesario poder probarlo con precisión una vez fabricado, especialmente en lo que respecta a los primeros prototipos, para validar las simulaciones ejecutadas; recopilar datos precisos sobre prototipos permite realizar las debidas optimizaciones en la segunda fase de simulaciones; además, es posible adquirir los insumos necesarios para otras tipologías de simulación, difícilmente ejecutables sin una primera fase de prueba, como por ejemplo las simulaciones aéreas para la definición y reducción de ruidos».

La excelencia de AVL merece ser destacada no solo por la capacidad de diseñar motores de alto desempeño sino también por la habilidad de integrarlos de la mejor manera dentro de los sistemas de uso, hasta los fines de una verdadera innovación que contempla la integración del motor eléctrico con la potencia. Electrónica y transmisión mecánica.

«Lo que estamos desarrollando como AVL es un paquete de diseño integrado, donde todo el recinto del motor está pensado para su conexión con el inversor y la caja de cambios. Todo eso permite lograr una notable reducción de tamaños y pesos y luego marcar la diferencia en algunas aplicaciones, como el ámbito de la automoción».

¿Es el motor eléctrico un invento o una innovación?

La invención del motor eléctrico

No pasó mucho tiempo antes de que los científicos de todo el mundo buscaran aplicaciones del electromagnetismo para generar energía. A William Sturgeon, un físico inglés, se le atribuye la invención del primer motor eléctrico de CC en 1832.

¿Cuál es el diseño de motor eléctrico más eficiente?

Las pruebas realizadas en un motor ABB síncrono de 6 polos y 44 megavatios poco antes de la entrega mostraron una eficiencia un 0,25 por ciento superior al 98,8 por ciento estipulado en el contrato, lo que resultó en el récord mundial de eficiencia de motores eléctricos.

¿Cómo impactó en la sociedad la invención del motor eléctrico?

El motor de inducción es uno de los inventos más importantes de la historia moderna. Hizo girar las ruedas del progreso a una nueva velocidad e inició oficialmente la segunda revolución industrial al mejorar drásticamente la eficiencia en la generación de energía y hacer posible la distribución de electricidad a larga distancia.

¿Cuál es el motor eléctrico más potente?

El fabricante sueco de hipercoches Koenigsegg ha retirado las cubiertas de lo que afirma es el motor eléctrico con mayor densidad de potencia jamás construido. A pesar de inclinar la balanza a solo 28 kg, el 'Quark' de acero de 300M, como se le ha denominado, tiene una potencia máxima de 250kW/600Nm.

Video: electric motor innovation