Evs impulsa la demanda de motores de inducción de jaula de ardilla

Imagine un "corazón" altamente eficiente que lata silenciosamente dentro de un vehículo eléctrico, uno que proporcione energía confiable sin estructuras de escobillas complejas. Se trata del motor de inducción de jaula de ardilla (SCIM), un motor de CA muy utilizado tanto en aplicaciones industriales como en vehículos eléctricos. Pero, ¿qué hace que este motor sea único y qué desafíos y oportunidades enfrenta?

Descripción general

El motor de inducción de jaula de ardilla es un motor de CA sin escobillas alimentado por voltaje y corriente sinusoidales. Su construcción simple, bajo costo, alta confiabilidad, durabilidad, mínima ondulación del torque, bajos requisitos de mantenimiento y capacidad para operar en entornos hostiles lo hacen ideal para aplicaciones industriales y sistemas de propulsión eléctrica.

Aplicaciones de vehículos eléctricos

Los SCIM se han implementado en varios vehículos eléctricos de batería (BEV) disponibles comercialmente, incluidos turismos, autobuses y camionetas ligeras. Ejemplos notables incluyen el Tesla S-2014, Tazzari Zero, Mercedes-Benz Clase B Electric Drive, Mahindra e2o y Toyota RAV4 EV. Además, la primera versión del camión eléctrico ligero Newton de Smith Electric Vehicles y el autobús eléctrico de batería Optare Solo EV también utilizan SCIM trifásicos.

Principio de funcionamiento y características estructurales.

Como motor asíncrono, el SCIM funciona con una diferencia entre la velocidad del campo magnético giratorio generado por los devanados del estator y la velocidad del rotor. Su estructura relativamente simple simplifica los procesos de diseño y fabricación en comparación con otros tipos de motores. A diferencia de los motores de imanes permanentes, los SCIM utilizan materiales más asequibles. Si bien los SCIM trifásicos son los más comunes, se están desarrollando motores con números de fases más altos para mejorar la densidad de potencia y reducir la ondulación del par y la corriente por fase.

El rotor contiene una jaula de ardilla de aluminio fundido, con corrientes de rotor inducidas por el campo magnético giratorio del estator. La interacción entre este campo y el campo magnético de la corriente del rotor genera un par electromagnético. La eficiencia se puede mejorar utilizando cobre en lugar de aluminio para las barras del rotor y los anillos finales.

Limitaciones de rendimiento y medidas de mejora

Los SCIM tienen inconvenientes inherentes que incluyen un control difícil a baja velocidad, un factor de potencia bajo bajo cargas livianas, una corriente de arranque alta, una eficiencia relativamente baja y una utilización deficiente del inversor. Incluso en condiciones sin carga, la corriente de magnetización aumenta las pérdidas en el cobre y las clasificaciones de los convertidores electrónicos. Las técnicas de control adecuadas pueden lograr un par de arranque máximo manteniendo una corriente de arranque baja.

Para aplicaciones de motores de cubo, los SCIM pueden emplear rotores de jaula exterior para aumentar el diámetro del entrehierro y el par de salida. En particular, los SCIM tienen menor densidad de par y eficiencia en comparación con otros tipos de motores, lo que los hace más adecuados para BEV que los vehículos híbridos o híbridos enchufables donde existen limitaciones de espacio. La velocidad máxima suele estar limitada a 10.000 rpm, aunque las técnicas de debilitamiento de campo pueden extender el rango de potencia constante a 4 o 5 veces la velocidad base, un requisito crucial para los vehículos eléctricos.

Tecnologías de control

Actualmente se emplean diversas técnicas de control de velocidad y par. El más simple es el control escalar, que ajusta la magnitud y la frecuencia del voltaje, aunque su rendimiento transitorio es limitado. Para mejorar la respuesta transitoria, se están implementando el control orientado al campo (FOC) y el control directo del par (DTC), mientras que los métodos de control sin sensores (eliminando los sensores de velocidad/posición) están ganando atención.

Motores de imanes permanentes

Los motores sin escobillas de imanes permanentes se dividen en dos categorías: CC sin escobillas (BLDC) y CA sin escobillas (motores síncronos de imanes permanentes o PMSM). Si bien ambos cuentan con rotores de imanes permanentes, la disposición de los devanados del estator difiere. Los motores BLDC utilizan devanados trapezoidales con contraelectromotriz trapezoidal, normalmente alimentados por corrientes de fase rectangulares. Esto permite métodos de control simples utilizando retroalimentación de posición detectada seis veces por rotación.

Los PMSM evolucionaron a partir de motores síncronos de rotor bobinado, reemplazando los devanados de excitación de escobillas/anillos colectores por imanes permanentes. Sus estatores se parecen a los motores de inducción, con devanados sinusoidales que producen contraEMF sinusoidales alimentados por corrientes sinusoidales. Estas diferencias afectan significativamente el comportamiento del motor y los algoritmos de control, lo que hace que los PMSM sean más adecuados para los sistemas de tracción de vehículos eléctricos.

Diseño de motor de imán permanente

Si bien la mayoría de los PMSM utilizan diseños de flujo radial, las configuraciones de flujo axial ofrecen ventajas en la relación par-inercia y densidad de potencia para ciertos rangos de potencia, particularmente en aplicaciones de motores de cubo. Los imanes de tierras raras dominan los sistemas de propulsión de vehículos eléctricos debido a sus propiedades magnéticas superiores, aunque los PMSM de alta eficiencia se pueden diseñar con grados de imán más bajos.

Los PMSM de tierras raras ofrecen características atractivas que incluyen alta densidad de potencia/par, funcionamiento de velocidad síncrona, alta eficiencia, control preciso del par y funcionamiento sin mantenimiento. Sin embargo, las limitaciones incluyen una capacidad limitada de debilitamiento del campo (especialmente en PMSM montados en superficie), riesgos de desmagnetización por choque mecánico, altas temperaturas o efectos de cortocircuito, lo que hace que la seguridad y la tolerancia a fallas sean preocupaciones críticas.

Motores de reluctancia conmutada

Los motores de reluctancia conmutada (SRM) son máquinas sin escobillas con estructuras doblemente salientes: tanto el rotor como el estator tienen polos salientes. El estator contiene devanados concentrados similares a los motores de CC, mientras que el rotor no tiene devanados ni imanes. El movimiento del rotor se mantiene energizando secuencialmente los polos del estator mediante control electrónico.

Los SRM ofrecen simplicidad, bajo costo y facilidad de fabricación debido a su sencilla estructura de rotor. Proporcionan rangos extendidos de velocidad de potencia constante (hasta 7:1), ideales para propulsores de vehículos eléctricos sin engranajes, junto con capacidad de alta temperatura, baja inercia del rotor, alto par de arranque y rápida aceleración. Sin embargo, las limitaciones inherentes incluyen una importante ondulación del par, vibración, ruido acústico, control complejo debido a la alta no linealidad y menor eficiencia debido a mayores pérdidas de hierro.

Motores de conmutación de flujo

Los motores de conmutación de flujo (FSM) son máquinas sin escobillas doblemente destacadas que se están investigando para aplicaciones de tracción. Sus estatores contienen devanados de excitación de CC y devanados de armadura de CA (normalmente trifásicos), lo que reduce la vibración/ruido en comparación con los SRM. La simplicidad del rotor hace que los FSM sean robustos para operaciones a alta velocidad.

Las variantes de FSM incluyen los tipos de excitación por devanado (WFFSM), de imán permanente (PMFSM) y de excitación híbrida (HEFSM). Mientras que los PMFSM muestran un rango de velocidad de potencia constante limitado, los WFFSM destacan en este sentido mediante el control del devanado de CC. Las características atractivas de FSM incluyen simplicidad estructural, alta densidad de flujo de entrehierro (lo que produce una alta densidad de potencia/par) y robustez para entornos hostiles. Los inconvenientes incluyen mayores pérdidas de cobre y ondulación de par inherente.

Motores síncronos de reluctancia

Los motores de reluctancia síncronos (SynRM) funcionan sincrónicamente mediante alimentación de CA trifásica. Sus rotores laminados, que no contienen conductores ni imanes, minimizan las pérdidas del rotor. El par se deriva únicamente de la reluctancia magnética, lo que requiere altas relaciones de prominencia (Ld/Lq) para un rendimiento óptimo. Los diseños de rotores con barreras de flujo múltiple guían el flujo magnético mientras bloquean el flujo de eje en cuadratura.

Los SynRM ofrecen simplicidad de fabricación y requisitos competitivos de factor de potencia/inversor en comparación con los motores de inducción, aunque están por detrás de los PMSM en eficiencia y densidad de par. Un diseño cuidadoso de la barrera de flujo puede mitigar los problemas de ondulación del par. Varios fabricantes ofrecen ahora SynRM de calidad industrial, y se han desarrollado prototipos recientes para aplicaciones de vehículos eléctricos.

Motores de reluctancia síncronos asistidos por imanes permanentes

La inserción de imanes en los rotores SynRM crea PMa-SynRM, candidatos prometedores para los motores de vehículos eléctricos. Al igual que los PMSM interiores, estas máquinas incorporan imanes de ferrita en barreras de flujo del rotor para aumentar la relación de prominencia. La polaridad de los imanes contrarresta el flujo del eje de cuadratura, minimizando Lq y maximizando la relación Ld/Lq para mejorar el par de reluctancia (que domina sobre el par de alineación).

Los PMa-SynRM combinan las ventajas de los motores PM y de reluctancia: alta eficiencia, densidad, factor de potencia y rango de velocidad. El uso de ferritas de bajo costo en lugar de imanes de tierras raras aborda las preocupaciones de costo/suministro al tiempo que reduce los riesgos de desmagnetización y los campos electromagnéticos inversos. Los diseños de rotor emplean cavidades multicapa para ferritas incrustadas, optimizando la prominencia magnética. Aunque aún no se comercializa en vehículos eléctricos, continúan los esfuerzos de desarrollo de prototipos PMa-SynRM basados ​​en ferrita.

Comparación del rendimiento del motor

Al evaluar los tipos de motores (SRM, WFFSM, PMFSM, PMa-SynRM, PMSM y SCIM), ningún candidato supera claramente a otros en todas las métricas. Las consideraciones clave incluyen ondulación del par, ruido/vibración, capacidad de fabricación, robustez, tolerancia a fallas, rango de potencia constante y complejidad del control. Se requiere un análisis exhaustivo para hacer coincidir los requisitos de aplicaciones específicas con las características óptimas del motor.