Motor síncrono con imán permanente, estructura y características
Ricardo Berizzo
Motor síncrono con imán permanente, estructura y características
Estos motores son preferidos en los vehículos eléctricos por su alta eficiencia, alto rendimiento, densidad de potencia, excelente control de velocidad y par motor, siendo de tamaño compacto, lo que permite una gestión de la energía disponible más eficiente, que implica una mayor autonomía.
La máquina síncrona
Es una máquina eléctrica rotativa de corriente alterna cuya velocidad de rotación y la frecuencia de la red de electricidad con que se alimenta son mutuamente dependientes y están sincronizadas. Puede funcionar tanto como motor, convirtiendo energía eléctrica en mecánica a velocidad constante, o como generador (alternador), produciendo energía eléctrica a partir de energía mecánica (turbina de vapor, hidráulica u otro tipo de máquina). Se utilizan en la generación de electricidad y en el control de la potencia reactiva de la red para mejorar el factor de potencia
Cuando la máquina síncrona actúa como alternador, una máquina motriz externa hace girar su rotor y con él gira el campo magnético inductor. Este campo está generado por una corriente continua.
En las máquinas sincrónicas se emplean rotores magnéticos con polos fijamente predeterminados, cuya estructura puede basarse en:
• electroimanes, alimentados por una fuente de corriente continua o en
• imanes permanentes.
Por razones de funcionamiento, las máquinas sincrónicas sólo pueden desarrollar un par útil si:
Velocidad de giro del rotor = velocidad de giro del campo giratorio, n = nd
Estructura Interior del motor con Imán Permanente
Interior Permanent Magnet Synchronous Reluctance Motor (Motor Síncrono de Reluctancia con Imanes Permanentes Internos). Es un tipo de motor eléctrico sincronico que combina los principios de dos tecnologías: los motores de imán permanente (IPM) y los motores síncronos de reluctancia variable (SynRM). Los imanes del motor IPMSynRM están integrados en el núcleo del rotor, en lugar de estar montados superficialmente.
El rotor del motor síncrono tiene, según el diseño, una cantidad de ranuras axiales en forma de V, con potentes imanes de tierras raras de "neodimio-hierro-boro" incrustados en ellas. Un imán de neodimio (también conocido como imán NdFeB, NIB, o Neo) es el tipo de imán de tierras raras más extensamente utilizado, se trata de un imán permanente hecho de una aleación de neodimio, hierro y boro, combinados para formar un compuesto.
Esto se conoce como "imán permanente interior" (IPM), y cada conjunto está dividido en dos piezas, y cada pieza a su vez en cuatro secciones. Esta división ayuda a reducir el calentamiento por corrientes parásitas, ya que el material del imán, al ser neodimio-hierro, puede inducir fácilmente corrientes parásitas en un campo magnético giratorio, causando calentamiento. Las secciones de imán más pequeñas reducen las corrientes parásitas.
Casi todos los motores síncronos de vehículos eléctricos e híbridos eléctricos utilizan este método. Sin embargo, la tecnología varía, principalmente en el tamaño, la posición, la forma y el número de imanes permanentes, que es un secreto exclusivo del fabricante. No hay que subestimar estas diferencias; cada pequeño cambio, desde el principio y el diseño hasta la fabricación, requiere una cantidad significativa de simulación de software y pruebas de hardware. Las cuales son propiedad intelectual esencial de fabricantes líderes como Tesla, BMW, Benz, Toyota, etc.
Rotor SynRM ¿Por qué se diseñó así?
Un rotor para un motor IPM-SynRM (Imán Permanente Sincrónico de Reluctancia) es un componente del motor en vehículos eléctricos que combina las características de los motores de imán permanente (PMSM) y los de reluctancia síncrona (SynRM). Su rotor está diseñado con imanes permanentes internos en un núcleo de hierro, pero también posee una configuración única que genera par de reluctancia, es decir, torque generado por la forma del rotor que tiende a alinearse con el campo magnético del estator. Esta combinación permite al rotor aprovechar tanto el par de los imanes como el par de reluctancia, lo que resulta en una alta eficiencia, potencia y mejor conservación de energía.
Normalmente, para alcanzar el par máximo, el campo magnético giratorio del estator debe mantenerse 45 grados por delante del campo magnético del rotor. Sin embargo, este control no es sencillo y requiere un diseño de circuito exhaustivo. Implica la detección continua del ángulo y la velocidad del rotor, y el posterior cálculo del voltaje, la corriente y la fase del campo eléctrico trifásico que genera dicho campo.
A modo de ejemplo se muestra un cuadro comparativo de tres motores de 36 ranuras, 7.5 hp (5.6 kW) nominales. La comparación se hace para la misma corriente nominal del estator del IM (motor trifásico de inducción) para mantener las pérdidas de cobre de las tres máquinas iguales y asegurarse que los devanados están adecuadamente cargados.
El diseño de un rotor con imanes permanentes en la periferia proporciona un par elevado a bajas velocidades, pero a altas velocidades, los imanes están muy cerca de la bobina del estator. El intenso campo magnético atraviesa la bobina del estator, induciendo una elevada fuerza contraelectromotriz (FEM) en la bobina. Esta fuerza contraelectromotriz (back EMF) contrarrestará la tensión de accionamiento que entra en el estator, lo que significa que a altas velocidades se requiere una tensión de accionamiento mucho mayor.
Por lo tanto, el diseño interior es la mejor opción. No solo mejora la resistencia mecánica del motor, sino que también mejora el rendimiento gracias a una mejor gestión térmica, evitando que los imanes se desplacen a altas velocidades.
Aplicaciones en los IPMSynRM : Tecnología de bobinado de alambre plano
El motor 3D6 es el primer motor de alambre plano de Tesla, equipado en el Tesla Model 3 de 2022.
En comparación con los modelos de motores anteriores, esta tecnología ha dado un salto sustancial, con el cambio de los bobinados de alambre redondo a alambre plano, alcanzando nuevos máximos en densidad de potencia y densidad de par.
Tanto el par como la velocidad han mejorado, alcanzando 19.000 RPM y 440 Nm, respectivamente. Actualmente, la mayoría de los motores utilizan alambre redondo para los bobinados. Las ventajas de un motor de alambre plano sobre uno de alambre redondo incluyen:
Un aumento del 20% en la tasa de llenado de ranuras permite reducir el tamaño del motor.
La sección transversal más amplia reduce la resistencia/aumento de temperatura en aproximadamente un 50%/10%, lo que proporciona una mayor potencia de salida, con una densidad de potencia máxima de 4,4 kW/kg, significativamente superior a los 3,2-3,3 kW/kg de los motores de alambre redondo actuales.
En cuanto a las pérdidas del motor, las pérdidas de cobre representan el 65%. En los motores de alambre plano, la resistencia efectiva del bobinado disminuye debido a la mejora en la tasa de llenado de ranuras, lo que reduce las pérdidas de cobre.
El Model Y, equipado con un motor de alambre plano, ha optimizado tanto el volumen del motor como la densidad de potencia. Tesla ha lanzado cinco modelos de motor en China, con la potencia máxima del motor síncrono de imanes permanentes de alambre plano aumentando de 202 kW a 220 kW y el par máximo de 404 Nm a 440 Nm.
El motor trasero del Model Y adopta la solución de alambre plano, con un peso aproximado de 5,78 kg en el esmalte, lo que garantiza una soldadura más consistente y completa, además de reducir el volumen y el peso del rotor.
La adopción de motores de alambre plano en fase de demostración, con fabricantes como BYD, NIO, Ideal y Volkswagen que también están comenzando a adoptarlos.
Tecnología de refrigeración por aceite
Del Model S al Model 3, la tecnología de refrigeración ha evolucionado de la refrigeración por agua a la refrigeración por aceite.
El primer Model S utilizaba un sistema de refrigeración por agua para la gestión térmica del motor, pero al refrigerar la carcasa y no los bobinados directamente, la eficiencia de refrigeración era baja.
La respuesta es la refrigeración por aceite, que mejora significativamente la capacidad de refrigeración y la densidad de potencia del motor.
El Tesla Model 3 adopta una solución compuesta de refrigeración del estator y del rotor. Se abren orificios de aceite en la horquilla, por los cuales el aceite refrigerante pasa primero y luego se pulveriza sobre los extremos del bobinado.
La superficie del núcleo del estator cuenta con 162 canales de aceite cuadrados que forman un circuito con la carcasa. En ambos extremos se instalan anillos de aceite de plástico con 16 orificios distribuidos uniformemente para la refrigeración por pulverización de los extremos del bobinado.
El eje del rotor es hueco y cuenta con orificios de salpicadura de aceite, lo que permite una refrigeración activa del rotor y, mediante la salpicadura de aceite del rotor, logra la refrigeración del anillo interior del bobinado del estator.
Orificios de refrigeración del aceite del rotor
La tecnología de refrigeración por aceite compuesta mejora significativamente la densidad de potencia y la densidad de par del motor. En comparación con los motores convencionales refrigerados por agua, el par continuo puede aumentar entre un 40 % y un 50 %.
Ricardo Berizzo
Ingeniero Electricista 2025.-