Optimización de nuevos diseños de motores eléctricos
- Y cómo los analizadores de potencia de Yokogawa juegan un papel clave en las pruebas de eficiencia de los motores de vehículos eléctricos -
Los analizadores de potencia (vatímetros) de Yokogawa están jugando un papel clave en las pruebas diseñadas para optimizar la eficiencia de una nueva generación de motores para vehículos eléctricos que está desarrollando la empresa alemana FEAAM, especializada en sistemas de transmisión, en colaboración con el Instituto para Motores y Actuadores Eléctricos de la Universität der Bundeswehr (Universidad de las Fuerzas Armadas Federales) en Neubiberg, cerca de Munich.
Los nuevos motores se están desarrollando como parte de un proyecto de investigación para analizar la manera de aumentar la eficiencia de los motores de inducción, con el fin de desafiar dos supuestas limitaciones que dificultan la aceptación de mercado de los coches eléctricos, a saber, la de un corto alcance y un alto precio de compra. En este proyecto de investigación se estudian los componentes del tren de tracción, y las pruebas se basan en los ciclos de conducción: el mismo concepto que se utiliza en los ensayos de eficiencia y emisiones de los motores de combustión interna. Un elemento importante de este enfoque es que los resultados no dependen de la eficiencia en condiciones de carga máxima, sino de carga parcial.
Bobinado dentado ("Single-tooth winding")
Un enfoque prometedor para la optimización de la eficiencia de los motores eléctricos es el concepto de los motores asíncronos con bobinados concentrados. A diferencia de un motor de inducción convencional de bobinado distribuido, donde las bobinas se enrollan alrededor de varios dientes de laminación, los devanados en estos motores sólo utilizan un solo diente. Aunque esta técnica se conoce desde hace tiempo, no ha habido aplicaciones prácticas a causa de las interferencias debidas a armónicos asociadas.
En este proyecto de investigación conjunta, el equipo formado por FEAAM y la Universidad analizó los campos magnéticos en el motor de manera muy precisa, mediante una combinación de simulación y experimentos prácticos. Como resultado, fueron capaces de idear diversas medidas para suprimir los armónicos no deseados. Cuanto más cercanos son los armónicos a la onda de trabajo fundamental, más pueden interferir en el funcionamiento del motor, causando pérdidas eléctricas o ruido acústico.
La disminución del impacto de los armónicos se logra mediante una técnica especial de bobinado en la que las bobinas de dientes adyacentes se enrollan direcciones opuestas. Con la configuración correcta del número de alambres en cada bobina, los armónicos se pueden reducir. En el proyecto de investigación, la estructura de las bobinas primero se simulaba mediante modelos matemáticos, para más tarde verificar los efectos mediante medidas.
En el banco de pruebas
El Instituto para Motores y Actuadores Eléctricos de la Universidad tiene varias instalaciones para ensayos de motores eléctricos, con una potencia de hasta 220 kW y un par máximo de 2.000 N•m. Los bancos de pruebas están diseñados para operación de de cuatro cuadrantes, y están equipados con sensores de par y velocidad, analizadores de potencia y osciloscopios, todos ellos de gran precisión. Se utilizan tanto para proyectos de estudiantes como para investigación y trabajos de colaboración con la industria.
El proceso de desarrollo llevó alrededor de dos años, y también tenía como objetivo optimizar la facilidad de fabricación, reducir los costes de producción y alcanzar un alto rendimiento en condiciones de carga parcial.
Prototipos
El resultado final es de interés para la industria de la automoción y para otros sectores industriales. En la actualidad hay varias solicitudes de patente y los primeros prototipos se han desarrollado para socios industriales. El prototipo del nuevo motor de inducción es equivalente a un motor de tracción convencional para un coche eléctrico, y tiene una potencia de aproximadamente 50 kW.
El motor es accionado por tres fases de hasta 400 V. Las corrientes y tensiones se miden mediante el uso de transductores en cada fase, y de este modo se identifican las asimetrías. Además de las medidas de eficiencia, se lleva a cabo un registro de las características de par y velocidad, que se utiliza para la optimización de los modelos matemáticos. Como la resistencia del rotor, y por lo tanto también las pérdidas, aumenta con la temperatura, ésta se mantiene constante utilizando un líquido refrigerante, y se monitoriza mediante una cámara de imagen térmica.
Además, se toman medidas en diferentes ciclos de conducción. Las de potencia y eficiencia se realizan con los analizadores de potencia WT1600, WT1800 y WT3000 de Yokogawa. Los resultados, que incluyen medidas de par, velocidad y eficiencia resultante, se transfieren automáticamente a una hoja de Excel.
"Utilizamos varias generaciones de medidores de potencia de Yokogawa, y estamos muy satisfechos con su operatividad y los resultados de las pruebas", comenta el profesor y doctor en ingeniería Dieter Gerling. "Es particularmente importante que obtenemos una gran precisión en la medida de la eficiencia, incluso cuando ésta supera el 97%, y hemos descubieto que podemos confiar plenamente en estos instrumentos."
Producción en masa
Debido a su facilidad de producción y a su mayor eficiencia en condiciones de carga parcial, el nuevo motor de inducción trae ventajas tanto en términos de costes cp,p de autonomía.
La nueva tecnología de bobinado también supondrá nuevas ventajas en la producción. Las piezas de chapa estampada para el estator pueden ser enrolladas de forma individual y luego simplemente instalarse juntas en el motor. Esto contrasta con los motores de inducción convencionales, donde las placas se ensamblan primero, y luego el devanado se aplica de una manera mucho más complicada. Debido a este complicado proceso de producción y a los elevados costes asociados a este tipo de motores, no son ideales para la producción de varios millones de unidades por año, que son las cifras típicamente demandadas por la industria del automóvil.
"En el pasado, los motores eléctricos de este rango de potencias eran producidos por empresas de tamaño medio, en cantidades de unos pocos miles al año", dice el profesor Dieter Gerling. "En la industria de la automoción hablamos de números significativamente superiores, por lo que los costes asociados cobran mayor importancia."
"Esta industria tiene una gran experiencia en la gestión de costes", añade. "Esto, por supuesto, también se aplica a la electrónica de potencia y la tecnología de las baterías."
En la actualidad, las empresas alemanas son líderes a nivel global en el sector de la automoción, pero el número de vehículos puramente eléctricos que producen sigue siendo muy pequeño en comparación con fabricantes franceses, chinos y, sobre todo japoneses.
Según el profesor Dieter Gerling, los fabricantes de automóviles alemanes ya han alcanzado, al menos en términos de tecnología, a sus competidores, por lo que pronto estarán en condiciones de ofrecer productos similares.
Movilidad eléctrica
Además del motor eléctrico, el equipo de FEAAM y la Universidad también se ha ocupado de la optimización de la circuitería de electrónica de potencia, así como de los sistemas de control del motor. Una vez más, ya hay propuestas para optimizar la eficiencia en condiciones de carga parcial. Más aún, están también investigando los sistemas de cableado eléctrico en vehículos y aviones. En todas estas áreas hay todavía, según el profesor Dieter Gerling, un gran potencial de mejora.
Hasta ahora no se había prestado excesiva atención a los problemas de peso y eficiencia en los motores eléctricos, pero esta situación ha cambiado radicalmente con el advenimiento de la movilidad eléctrica. En particular, los volúmenes de producción inherentes a la industria del automóvil deben conducir a reducciones masivas de costes. Los miembros del equipo de la Universität der Bundeswehr están convencidos de que el futuro pertenece a los vehículos equipados con motores eléctricos.
