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Motores eléctricos: ¿imanes permanentes o rotor bobinado?

septiembre 3, 2022

En una entrevista reciente que apareció en varios sitios especializados, Fabrice Bernardin, jefe de la unidad de trabajo de tecnología electrónica en el departamento de ingeniería de Renault, afirma que los motores eléctricos para el nuevo Megane E-TECH Electric «ofrecen una eficiencia energética óptima“. La refrigeración por aceite y el rotor sin imanes serían las soluciones ganadoras. ¿Innovación real o solo marketing? Le preguntamos al profesor Massimo Ceraolo, Catedrático de Vehículos Eléctricos e Híbridos y en Ingeniería de Vehículos en la Universidad de Pisa.

Megane E-Tech Electric: ¿fue una verdadera innovación?

motores electricos
La plataforma del Megane E-Tech Electric

Las soluciones, refrigeración por aceite

Pero veamos qué dijo exactamente el ejecutivo de Renault. “Motor electrico deben tener un excelente sistema de enfriamiento para ser eficientes. Luego colaboramos con nuestros colegas tanto en Japón como en Cléon, Francia, para desarrollar dos innovaciones patentadas. La primera de estas patentes se refiere al sistema de refrigeración de aceite “.

… Y el rotor enrollado sin imanes

motores electricos
El tren motriz del Renault Mégane E-Tech Elactric

La segunda patente se refiere a un proceso de bobinado de rotor sin imanes. “Inventamos un proceso de bobinado de rotor sin imanes. El imán ha sido reemplazado por cobre, que tiene un impacto mucho menor en el medio ambiente. El proceso patentado también le permite modular la corriente que fluye a través del rotor para limitar el consumo de electricidad de la batería, especialmente a altas velocidades y en autopista”ha explicado Edouard Negre, líder en el diseño de motores eléctricos en el departamento de Diseño de Renault Powertrain. Las ventajas serían:

-es más ecológico;
-es robusto es confiable;
-L’se optimiza la eficiencia limitando el consumo de electricidad (modulando la corriente) y por lo tanto reduciendo el derroche de energía, especialmente a altas velocidades o en autopista;
-la costos de producción son inferiores ya que la tecnología se utiliza para los motores de ZOE, Twingo Electric, Kangoo Electric y Master Electric, todos los cuales se fabrican en la misma línea de producción en Cléon.

Y ahora las observaciones del profesor Ceraolo que en la ocasión aprovechó la aportación de su colega el profesor Luca Sani.

Un poco de marketing nunca viene mal

por Massimo Ceraolo y Luca Sani

entender los vehículos eléctricos
Massimo Ceraolo Pacinotti

Intento interpretar lo que aparece en el artículo en base a mis conocimientos técnicos y con la ayuda de mi colega Luca Sani.

Por supuesto, podría estar equivocado ya que la información proporcionada es extremadamente concisa y enmascarada por el deseo legítimo de los fabricantes de realizar comunicaciones sin descubrir demasiado de la solución identificada para evitar proporcionar una ventaja competitiva a otros así como, en algunos casos, también traduciendo de otro idioma, lo que puede introducir alteraciones.

En el informe anterior, Bernardin dice:

“Los motores eléctricos deben tener un excelente sistema de refrigeración para ser eficientes”

Cuando un ingeniero habla de eficiencia (salvo en casos especiales), se refiere a “eficiencia energética”. Por ejemplo, si digo que un motor tiene una eficiencia del 90%, quiero decir que de toda la energía que le doy para accionarlo, solo el 90% se convierte en mecánica, el resto inevitablemente se convierte en calor, que se pierde en la medio ambiente, con la ayuda de un sistema de refrigeración.

¿Mas eficiencia? No, poder más específico

Aquí, sin embargo, obviamente queremos decir algo más (y tal vez en la versión en el idioma original se usó una palabra diferente a “eficiente”). Por ejemplo, un mejor sistema de refrigeración permite aumentar, en las mismas condiciones, la potencia máxima que puede entregar el motor, ya que ésta viene determinada por la temperatura que alcanzan las partes internas, que no debe ser excesiva, y una buena refrigeración en esto ayuda. Un ingeniero en este caso suele hablar de mejorar la poder especifico (o densidad de potencia) no eficiencia.

Inventamos un proceso de bobinado de rotor sin imanes. El imán ha sido reemplazado por cobre, que tiene un impacto mucho menor en el medio ambiente.

motores electricos

Aquí una pequeña aclaración: por definición, cada motor de imanes permanentes NO tiene devanados en el rotor. Creo que aquí quiso decir (y tal vez se dijo en el francés original de Bernardin) que su motor simplemente no tiene imanes permanentes en el rotor sino un devanado de cobre y seguiré esta interpretación.

Otra sencilla aclaración que quizás no a todo el mundo le parezca superflua es que prácticamente todas las máquinas eléctricas son reversibles: cuando decimos motor síncrono nos referimos a una máquina síncrona funcionando como motor; la misma máquina puede funcionar como generador, por lo tanto como alternador síncrono. Por lo tanto, los ingenieros a menudo hablan genéricamente de “máquina” síncrona y asíncrona, lo que significa ambos tipos de operación. Por otro lado, en un vehículo durante el frenado, el automóvil funciona como un generador.

El rotor sin imanes no es nada nuevo

Dicho esto, me gustaría señalar que el Los motores de máquinas eléctricas con devanados de rotor no son nada nuevo. Por ejemplo, la gran mayoría de los motores que se utilizan en tierra (por lo tanto, no en los vehículos) están compuestos por máquinas asíncronas, por lo tanto, con bobinados en el rotor. Pero las máquinas síncronas con rotores bobinados también están muy extendidas: por ejemplo, los alternadores de casi todas las centrales eléctricas tradicionales son de este tipo. Aquí la innovación de Renault por lo tanto no es tanto haber puesto un devanado de cobre en el rotor, sino haber puesto uno con nueva tecnología, por ejemplo sin escobillas (ver siguiente punto)

El proceso patentado también permite modular la corriente que circula por el rotor […] para limitar el consumo eléctrico de la batería, especialmente a altas velocidades y en autopistas”

Motor de imanes permanentes

LA motores de imanes permanentes a las velocidades más altas deben utilizar una parte de las corrientes del estator para “defluxar”, es decir, para contrarrestar parcialmente el campo magnético producido por los imanes permanentes. Dado que el voltaje producido es proporcional a la velocidad, si no debilitara el voltaje en los terminales de la máquina a altas velocidades, aumentaría demasiado; esto explica por qué el debilitamiento ocurre solo a las velocidades más altas. Para superar este inconveniente, se puede utilizar un síncrono con devanado en el rotor, del tipo utilizado en las centrales eléctricas tradicionales: a velocidades más altas se debilita simplemente reduciendo la corriente del rotor.

Todo está en la forma en que se transfiere la energía.

La innovación aparece pues en la modo de transferencia de energía en el devanado de rotor Antiguamente se utilizaban contactos deslizantes de grafito (las escobillas) que insistían en anillos conductores enchavetados en el eje, y esto sigue siendo así en muchos alternadores de centrales eléctricas. Los límites de esta solución son la necesidad de mantenimiento (los cepillos deben cambiarse periódicamente) y un límite a la velocidad del eje. La investigación en esta área se ha centrado en soluciones brushless, es decir, sin escobillas, como los acoplamientos inductivos a altas frecuencias. Puede ser que Renault haya puesto en marcha una solución de este tipo.

Es más eficiente a altas velocidades. Y nada de tierras raras

Con tal solución se pueden reducir las perdidas en los devanados del estator y en el inversor que a altas velocidades también pueden sobrecompensar las pérdidas que se han introducido en el rotor y por tanto, aunque el la potencia mecanica es la mismala energía de la batería también se reduce ligeramente, con de hecho mejoras en la eficiencia y (en consecuencia) la autonomía. No haga sabemos el alcance de esta mejora. Puede ser pequeño, pero como sabe, la energía es un activo valioso e incluso una mejora modesta ayuda. Lo hace en particular en los vehículos eléctricos, donde cualquier mejora en la eficiencia también se traduce automáticamente en una mayor autonomía.

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Tierras raras: en primer plano el Neodimo muy utilizado en los imanes permanentes de los motores eléctricos.

Así que si, con las mismas dimensiones, una máquina síncrona de imanes permanentes a bajas velocidades es ciertamente más eficiente que una con bobinado en el rotor debido a las pérdidas por efecto joule en esta última, es razonable pensar que a altas velocidades allá la situacion se puede revertir como en el caso de bobinado en el rotor el debilitamiento se produce con reducción de pérdidas en el rotormientras que en el motor de imanes permanentes se incrementan las pérdidas tanto en el propio estator como en el inversor que alimenta la máquina debido al uso de corrientes estatóricas para defluxar.

También es destacable que eliminando los imanes se evita tener que consumir tierras raras del entorno que tienen una disponibilidad limitada.

LEA TAMBIÉN: Los seis artículos de la serie “Comprender los vehículos eléctricos” escritos por Massimo Ceraolo y publicados en Vaielettrico entre febrero y abril de 2021

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