Propulsión de vehículos eléctricos de alta eficiencia: Sistemas de motores síncronos con imanes permanentes
El motor síncrono con imanes permanentes es la fuerza motriz central de los vehículos de energía nueva, debido a su alta eficiencia, potencia elevada y diseño flexible. Los mercados globales de vehículos eléctricos han experimentado un crecimiento rápido, y el PMSM está redefiniendo el futuro de la industria automotriz gracias a su excelente densidad de potencia y rendimiento.
Un motor síncrono con imanes permanentes es un motor síncrono de corriente alterna trifásica. Su núcleo es que los permanent magnets en el rotor generan un campo magnético constante, que interactúa con el campo magnético rotatorio formado por el devanado del estator para hacer girar el rotor a velocidad síncrona. En comparación con los motores de inducción tradicionales, el PMSM no tiene pérdidas por deslizamiento. Cuando se energiza el devanado trifásico del estator, se genera un campo magnético rotatorio para lograr una salida de potencia eficiente y precisa.
El PMSM está compuesto principalmente por un estator y un rotor. El estator suele utilizar un núcleo laminado de chapas de acero al silicio con devanados, que es responsable de generar un campo magnético rotatorio; el rotor está incrustado o montado en superficie con imanes permanentes para proporcionar un campo magnético constante. El PMSM suele adoptar un diseño de rotor interno, pero también se utiliza la estructura de rotor externo en algunos electrodomésticos de alta eficiencia.
Clasificación del núcleo: SPMSM e IPMSM
Según la posición de los imanes permanentes en el rotor, el PMSM se divide principalmente en dos categorías:
Motor síncrono con imanes permanentes en superficie (SPMSM): los imanes permanentes están directamente adheridos a la superficie del rotor, y las inductancias de los ejes AC y DC son iguales. Su estructura es simple y adecuada para aplicaciones que requieren respuesta rápida y alta capacidad de sobrecarga, como sistemas de servo automatización industrial.
Motor síncrono con imanes permanentes integrados: El imán permanente está incrustado en el núcleo del rotor, y las inductancias de los ejes AC y DC no son iguales. Esta estructura utiliza el principio de par de reluctancia para proporcionar una alta densidad de par y un amplio rango de velocidades, siendo la opción principal para sistemas de tracción de vehículos de energía nueva.
Diseño y optimización del rotor
El rotor es el componente clave del motor síncrono con imanes permanentes (PMSM), que determina si el vehículo eléctrico acelera rápidamente y si tiene una mayor autonomía. Su diseño es como la “pieza central” de un motor de automóvil, y proporciona una potencia elevada y una experiencia silenciosa mediante la colocación inteligente de imanes potentes.
El rotor utiliza imanes de NdFeB, un imán de alto rendimiento que permite al motor alcanzar una eficiencia del 95 %, ahorrando un 15 % adicional de energía en comparación con los motores tradicionales. Por ejemplo, en un coche eléctrico con un alcance de 400 kilómetros, esto puede aumentar 50 kilómetros, lo que equivale a menos visitas a las estaciones de carga. El rotor está fabricado con chapas de acero delgadas apiladas y incrustadas en ranuras en forma de V para fijar los imanes, reduciendo el desperdicio de energía. Al mismo tiempo, el diseño optimizado hace que el peso sea más ligero y la aceleración más sensible.
Para hacer que la conducción sea más silenciosa, los ingenieros ajustaron la disposición de los imanes para reducir el zumbido del motor durante su funcionamiento, y el nivel de ruido es tan bajo como 40 decibelios, similar al ambiente tranquilo de una sala de estar. La tecnología avanzada de fabricación también garantiza que los imanes funcionen de manera estable a altas velocidades o temperaturas elevadas, con una tasa de fallo de solo el 0,5 %.
Diseño del estator
El diseño del estator es fundamental para el rendimiento del PMSM. El motor principal de los vehículos de energía nueva generalmente utiliza devanados distribuidos. La distribución del esfuerzo electromagnético se optimiza mediante devanados uniformemente distribuidos, lo que suprime eficazmente las armónicas y mejora la eficiencia y la calidad de la salida de par. En comparación con los devanados concentrados, la fuerza electromotriz inversa generada por los devanados distribuidos se acerca más a la onda sinusoidal ideal, con menor ruido electromagnético y mayor precisión de control.
El diseño del estator mejora significativamente el rendimiento NVH optimizando finamente la disposición de los devanados y la distribución de la fuerza electromagnética. Con la ayuda de simulaciones avanzadas de campos electromagnéticos, las armónicas de alta frecuencia pueden reducirse hasta un 30 %, cumpliendo con los altos requisitos de los consumidores para una conducción silenciosa. El diseño compacto del estator también puede adaptarse flexiblemente a diversas topologías de rotor para maximizar el uso del espacio interno del motor.
Características y ventajas del PMSM
Alta eficiencia y densidad de potencia
El PMSM no requiere corriente de excitación del rotor, eliminando las pérdidas asociadas. Su eficiencia máxima puede superar el 95 %, lo que es significativamente superior al de los motores asíncronos tradicionales. Su excelente densidad de potencia le permite generar una potencia mayor en el mismo volumen.
Alto rendimiento, bajo ruido y alta fiabilidad
El PMSM tiene un amplio rango de regulación de velocidad a potencia constante y funciona de manera suave. Combinado con la estructura de desviación de polos y las medidas de optimización NVH, el nivel de ruido durante su operación puede ser tan bajo como 40 decibelios o menos, y la interferencia electromagnética (EMI) es mínima. El diseño sin cepillos elimina las chispas y el desgaste de los cepillos, requiere muy poco mantenimiento y tiene una vida útil de diseño de típicamente más de 10 años.
Diseño compacto y flexibilidad de control
El PMSM tiene una estructura compacta, peso ligero, inercia de rotor reducida y respuesta dinámica rápida. Combinado con la tecnología de control orientado al campo (FOC), puede alcanzar un par elevado y una salida suave en la zona de baja velocidad, lo que cumple perfectamente con las necesidades de los vehículos de energía nueva para una respuesta de aceleración instantánea.
Escenarios de aplicación
Sistema de transmisión de vehículos de energía nueva
El PMSM es la fuente de potencia central del sistema de tracción de los vehículos de energía nueva. El motor PMSM equipado en el Tesla Model 3 permite un alcance de más de 510 kilómetros (WLTP) con una alta eficiencia y una potencia máxima de 275 caballos de fuerza (aproximadamente 205 kW). El motor IPMSM utilizado en el BYD Han EV logra un rendimiento de aceleración fuerte y una excelente eficiencia energética, con una capacidad de sobrecarga a corto plazo de hasta el 200 %.
Máquinas industriales y sistemas de servocontrol
En el ámbito industrial, el PMSM proporciona posicionamiento de alta precisión y respuesta dinámica rápida para husillos de máquinas herramienta, ejes de avance y sistemas de servocontrol. Los sistemas servo de Siemens utilizan ampliamente motores SPMSM de baja inercia con un tiempo de respuesta tan bajo como 1 milisegundo, convirtiéndolos en ideales para líneas de producción automatizadas y máquinas herramienta CNC de precisión.
Electrodomésticos, robots y sistemas de energía
El PMSM ha penetrado en electrodomésticos, motores de articulaciones robóticas y sistemas de energía. El compresor PMSM de aire acondicionado de frecuencia variable de Midea puede ahorrar más del 30 % de energía en comparación con modelos tradicionales; los motores de articulaciones robóticas logran un control de movimiento preciso y flexible con baja inercia; además, el PMSM se utiliza para la corrección del factor de potencia (PFC) en redes eléctricas, mejorando la eficiencia general de la transmisión y distribución de energía.
Resumen y perspectivas
Los motores síncronos con imanes permanentes han llegado a ser tecnologías clave en los vehículos de energía nueva y los campos industriales de alta gama gracias a su alta eficiencia, densidad de par elevada y diseño compacto. El IPMSM domina el mercado de tracción de vehículos de energía nueva por su densidad de par alta y capacidad de regulación de velocidad amplia; el SPMSM destaca en el campo de los sistemas servo por su respuesta rápida y ventajas en costos. El avance continuo de inversores inteligentes y tecnologías avanzadas de control sin sensores sigue reduciendo los costos del sistema y mejorando su rendimiento.
Estoy dedicado a la divulgación científica sobre imanes. Mis artículos se centran principalmente en sus principios, aplicaciones y anécdotas industriales. Nuestro objetivo es proporcionar a los lectores información valiosa, ayudándoles a comprender mejor la fascinación y la importancia de los imanes. Al mismo tiempo, estamos ansiosos por conocer tus opiniones y necesidades relacionadas con los imanes. ¡Síguenos y participa activamente mientras exploramos juntos las infinitas posibilidades de los imanes!
