Rotor de imán permanente vs. rotor de inducción: tecnología de motores para vehículos eléctricos
La selección de la potencia nominal de un motor para uso en un vehículo eléctrico depende de la masa del vehículo y del rendimiento de aceleración deseado. Existen muchos tipos de motores que se pueden utilizar para proporcionar la potencia de propulsión necesaria.
Algunos requisitos generales de las máquinas eléctricas para su uso en vehículos eléctricos son los siguientes:
• Facilidad de control
• Tolerancia a fallos
• Alta eficiencia
• Alta potencia a alta velocidad (crucero)
• Alta densidad de potencia
• Alto par a baja velocidad (aceleración)
• Par máximo de 2 a 3 veces el par nominal continuo
• Región de funcionamiento de potencia constante extendida
• Bajo nivel de ruido acústico Baja interferencia electromagnética (EMI)
El diseño de la máquina eléctrica debe optimizarse de modo que la energía eléctrica del vehículo genere la mayor cantidad de energía cinética posible de tal manera que la energía almacenada en la batería pueda entregarse a las ruedas de la manera más eficiente posible.
Los motores de los vehículos eléctricos se diferencian de los motores industriales, ya que generalmente requieren un par elevado a baja velocidad, lo que permite que el vehículo cumpla con los requisitos de aceleración. También se requiere una amplia gama de velocidades de funcionamiento. Por el contrario, los motores industriales generalmente están optimizados para condiciones nominales específicas y tienen condiciones de funcionamiento menos dinámicas.
Dentro del contexto antes descripto, dos tipos de motores, trifásico de inducción y de imán permanente son omnipresentes en la aplicación a vehículos eléctricos. Entre los diversos componentes de un motor eléctrico, el rotor es un elemento crucial que desempeña un papel importante a la hora de determinar su rendimiento, eficiencia e idoneidad para la aplicación. En el ámbito de los motores eléctricos, se destacan dos tipos de rotores comunes: el rotor de imán permanente y el rotor de inducción. En este artículo, analizaremos estos dos tipos de rotores y exploraremos sus respectivas características, ventajas y aplicaciones en la tecnología de motores eléctricos.
Entender el rotor: el corazón de un motor eléctrico
El rotor es el componente giratorio de un motor eléctrico responsable de generar movimiento mecánico. Interactúa con el estator, que contiene bobinas de alambre de cobre por donde circula un sistema trifásico, para producir un campo magnético giratorio que impulsa a girar al rotor cuyo eje es la salida mecánica del motor.
Aspectos clave del rotor de imán permanente
Los rotores de imán permanente, como sugiere su nombre, utilizan imanes permanentes, como imanes de neodimio o imanes de samario-cobalto, para crear un campo magnético. Los imanes de SmCo y NdFeB también tienen similitudes importantes. Ambos son imanes de tierras raras. Son imanes muy potentes con un BH Max (producto energético máximo) muy alto y una alta coercitividad (resistencia a la desmagnetización). Los imanes de SmCo funcionan mejor que los imanes de NdFeB a temperaturas más altas y en entornos más corrosivos que los imanes de neodimio. Los imanes de neodimio son más económicos que los de SmCo.
Los rotores de imán permanente también son conocidos por su alta eficiencia energética, gracias al campo magnético constante. Requieren menos energía eléctrica para producir una salida mecánica, lo que los hace ideales para aplicaciones donde la eficiencia es primordial, como los vehículos eléctricos. Además, de ser son compactos y livianos, los rotores de imán permanente son adecuados para aplicaciones en vehículos o con limitaciones de espacio, por ejemplo, bogies de trenes eléctricos de alta velocidad. Además, estos rotores ofrecen un control electrónico preciso sobre la velocidad y el par del motor.
Aspectos principales del rotor de inducción
Los rotores de inducción se basan en la inducción electromagnética para crear un campo magnético. Son conocidos por su robustez y fiabilidad, con menos componentes susceptibles al desgaste. Su fabricación suele ser más rentable que la de sus homólogos con imanes permanentes, lo que los convierte en una opción para aplicaciones en las que el costo es una preocupación principal. Estos rotores también pueden proporcionar un par elevado a bajas velocidades.
El rotor llamado "jaula de ardilla" es un cilindro montado en un eje. La base del rotor se construye con láminas de hierro apiladas. Internamente contiene barras conductoras longitudinales de aluminio o de cobre con surcos y conectados juntos en ambos extremos poniendo en cortocircuito los anillos que forman la jaula. Los devanados inductores en el estator de un motor de inducción bañan con un campo magnético giratorio al rotor. El movimiento relativo entre este campo y el rotor induce un flujo en las barras conductoras. Alternadamente estas corrientes que fluyen longitudinalmente en los conductores reaccionan con el campo magnético del estator produciendo una fuerza que actúa tangente al rotor, dando por resultado un esfuerzo de torsión para hacer girar al eje. El rotor gira a una velocidad levemente inferior que el campo magnético giratorio estatórico. La diferencia relativa de velocidades se llama "deslizamiento" y aumenta con la carga.
Rotor de imán permanente vs. Rotor de inducción
Para elegir entre un rotor de imán permanente y un rotor de inducción, se deben considerar los requisitos específicos de la aplicación:
Eficiencia: para aplicaciones donde la eficiencia energética es crucial, como vehículos eléctricos y turbinas eólicas, los rotores de imán permanente son la opción preferida debido a su mayor eficiencia.
Costo: si la rentabilidad es una preocupación principal, especialmente en aplicaciones donde el motor funciona continuamente a una velocidad fija, los rotores de inducción pueden ofrecer una solución más económica.
Fiabilidad: los rotores de inducción suelen elegirse por su robustez y fiabilidad en aplicaciones con condiciones duras, donde el motor puede encontrarse con polvo, humedad o temperaturas extremas.
Tamaño y peso: en aplicaciones donde las limitaciones de tamaño y peso son significativas, la compacidad y la naturaleza liviana de los rotores de imán permanente son ventajosas.
Control: si es necesario un control preciso sobre la velocidad y el par del motor, los rotores de imán permanente son la mejor opción debido a su capacidad de respuesta.
Los pasos del proceso para los imanes de tierras raras incluyen la extracción, la producción de polvo, el fresado, el prensado, el recocido, el corte, el pulido y el acabado de la superficie.
El caso de Tesla
Los vehículos Tesla con dos motores se denominan Teslas de doble motor y tienen un motor en cada eje para controlar las ruedas.
Model S: El Model S Long Range viene con motores dobles que generan 350 kilovatios de potencia y tiene una autonomía de 375 millas.
Model 3: El Model 3 Long-Range Dual Motor AWD tiene un motor de inducción en el eje delantero y un motor síncrono de imanes permanentes en el eje trasero.
Modelo de tracción trasera (RWD):
Solo está equipado con un motor síncrono de imanes permanentes. Esta configuración suele aportar una mayor eficiencia energética y un diseño simplificado del sistema de propulsión. Alcanza una potencia máxima de 194 kW, con un par de 340 Nm.
Modelo de mayor autonomía:
Equipado con dos motores, un motor de inducción en el eje delantero y un motor síncrono de imanes permanentes en el eje trasero. Este diseño, que mezcla un motor de inducción con un motor síncrono de imanes permanentes, optimiza tanto el rendimiento de aceleración como la eficiencia energética. Tiene una potencia total de 343 kW y un par de 723 Nm, y el motor delantero alcanza una potencia máxima de 137 kW.
Modelo de alto rendimiento:
También adopta una combinación de un motor de inducción en el eje delantero y un motor síncrono de imanes permanentes en el eje trasero, lo que proporciona una mayor potencia y un mayor rendimiento de aceleración. La potencia total es de 331 kW, con un par de 559 Nm, y la potencia del motor delantero alcanza los 219 kW.
Esta diversidad de configuraciones permite a Tesla ofrecer soluciones personalizadas para distintas necesidades de conducción, ya sea que se busque el máximo rendimiento o una mayor autonomía.
El motor de inducción, que fue la elección de Tesla para sus primeros modelos, tiene ventajas y limitaciones únicas. Entonces, ¿qué impulsa a Tesla a seguir utilizando motores de inducción, a pesar de que los vehículos eléctricos en China tienden a utilizar motores síncronos de imanes permanentes más ligeros? Una de las principales razones por las que Tesla sigue utilizando motores de inducción es su menor coste y el hecho de que no requieren imanes permanentes, lo que evita el riesgo de desmagnetización.
En primer lugar, los motores de inducción no necesitan ningún material magnético permanente, lo que es particularmente importante en el diseño de motores. Los materiales de imán permanente como el neodimio-hierro-boro ofrecen un rendimiento excelente, pero son costosos y propensos a la desmagnetización en entornos de alta temperatura. Por el contrario, los motores de inducción utilizan rotores con núcleo de cobre, un diseño que no solo es de bajo coste sino también estable y fiable, lo que elimina las preocupaciones sobre la desmagnetización a alta temperatura.
Conclusión
En pocas palabras, la elección entre un rotor de imán permanente y un rotor de inducción depende de las necesidades específicas de la aplicación. Cada tipo ofrece ventajas únicas y está diseñado para sobresalir en diferentes escenarios. A medida que la tecnología de motores eléctricos continúa evolucionando, los avances en ambos tipos de rotores amplían aún más su aplicabilidad, lo que garantiza que los motores eléctricos siguen en la senda de mayor eficiencia, confiabilidad y versatilidad.
Ricardo Berizzo
Ingeniero Electricista 2025.-
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