Auto IQ Guides: motores eléctricos EV

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Desde que los automóviles eléctricos aparecieron por primera vez a mediados del siglo XIX, el rendimiento, particularmente la entrega de par, del motor eléctrico (eMotor) ha impresionado a la fraternidad automovilística.

De hecho, un vehículo eléctrico (EV) mantuvo el récord de velocidad en tierra para automóviles hasta alrededor de 1900.

Esta tendencia continúa hoy. El Tesla Model S P100D, en modo lúdico, tiene el récord del automóvil de pasajeros de producción en masa de aceleración más rápida, mientras que Una chispa, una compañía de ingeniería japonesa, recientemente estableció el récord con su hipercoche Owl para el automóvil de carretera que acelera más rápido, con un tiempo de 0-60 mph de 1.69 segundos.

A pesar de que Tesla es considerado por muchos como el punto de referencia para el rendimiento EV, ya no tiene este sector en sí mismo. En 2018, Mercedes-Benz, Jaguar y Audi presentaron a los retadores de Tesla, más llegaron en 2019 y continuarán haciéndolo en el corto plazo.

En noviembre de 2019, el siguiente paso en la revolución de eMobility se realizó cuando Volkswagen comenzó la producción en serie del nuevo EV de su gente, el ID3.

¿Qué sucede en un futuro donde los vehículos eléctricos ya no son la noticia?

A medida que los vehículos eléctricos trasciendan de lujosos nichos de lujo y rendimiento a sectores de mayor volumen y sensibles a los costos, el hecho de que un vehículo esté equipado con un tren motriz eléctrico ya no será una noticia per se.

El diálogo cambiará a tres diferenciadores clave:

  • Arquitectura
  • Actuación
  • Costo

Una vez que el enfoque cambie de los desafíos que enfrenta el EV a la diferenciación del producto, los fabricantes podrán concentrarse en motores de ingeniería que satisfagan las expectativas de los consumidores y diferenciar las marcas.

¿Qué arquitectura eMotor elegirán los fabricantes para alimentar sus vehículos eléctricos en el futuro?

Los dos tipos principales de motores de tracción de corriente alterna (CA), imán permanente e inducción, cada uno tiene ventajas y limitaciones en aplicaciones automotrices.

Sin embargo, debido a que los motores de imán permanente son inherentemente más eficientes, la mayoría de los fabricantes y proveedores de automóviles han elegido esta tecnología. Mediante el uso de imanes de neodimio hierro boro (NdFeB), estos motores pueden lograr eficiencias de hasta un 15 por ciento más que los motores de inducción de tamaño similar.

Según la firma de investigación Adamas Intelligence, El 93 por ciento de todos los EV de pasajeros vendidos en 2018 usaban motores de tracción de imán permanente (PM).

A pesar de tener generalmente una lista de materiales más cara que los motores de inducción, los fabricantes de automóviles aún pueden ahorrar costos en el tren motriz porque la mayor eficiencia permite a los fabricantes reducir la costosa capacidad de la batería sin comprometer el alcance del vehículo.

Por ejemplo, el costo de aumentar la capacidad de una batería de 60kWh en solo un cinco por ciento para compensar el uso de un eMotor de inducción puede aumentar los costos del tren motriz en más de $ 300 (suponiendo de manera optimista un costo adicional de solo $ 100 por kWh).

Los motores de inducción de CA a menudo son preferidos por fabricantes, como Tesla, para aplicaciones de salida de alta potencia, a pesar de que son menos eficientes. Pero aunque la compañía utiliza motores de inducción en sus vehículos más grandes y orientados al rendimiento, los modelos S y X, ha optado por un PM eMotor para el modelo 3.

Aumento del rendimiento y el costo de corte del motor de tracción de imán permanente

En la búsqueda de mejorar aún más la densidad de potencia del motor de imán permanente del Modelo 3, Tesla ha recurrido a una configuración PM diseñada para aprovechar el efecto Halbach.

Una matriz de Halbach es una disposición de imanes permanentes que crea un campo más fuerte en un lado mientras reduce el campo en el otro lado a casi cero. Esto se logra orientando los imanes de modo que sus polos estén desfasados, generalmente en 90 grados. Esta orientación esencialmente fortalece el campo magnético de la superficie de trabajo mientras reduce el campo de la superficie que no funciona a casi cero.

Aunque todavía no es la corriente principal, los motores eléctricos basados ​​en la matriz de Halbach ofrecen varios beneficios sobre los diseños convencionales, incluida la alta densidad de potencia y la alta eficiencia.

En el motor de reluctancia de conmutación de imán permanente interno trifásico de seis polos del Modelo 3, cuatro imanes pequeños que se oponen entre sí se unen para producir un PM que explota el efecto Halbach. Hay varios de estos imanes dentro del motor. Este ajuste a los PM contribuye significativamente al impresionante rango del modelo 3.

A pesar de sus numerosas ventajas, los fabricantes de gran volumen desconfían de los motores de imanes permanentes debido a su dependencia tradicional de elementos pesados ​​de tierras raras. La mayoría de estos materiales actualmente provienen de China, que también posee del 35 al 40 por ciento de las reservas mundiales de elementos de tierras raras como el neodimio y el disprosio.
Para reducir la dependencia de estos metales estratégicos y costosos, la mayoría de los fabricantes están estudiando materiales y procesos alternativos.

En 2018, Toyota anunció que había desarrollado un nuevo imán resistente al calor con reducción de neodimio que usa significativamente menos neodimio, mientras que aún funciona bien a altas temperaturas.

Al reemplazar una porción del neodimio con lantano y cerio, que son elementos de tierras raras de bajo costo, la compañía pudo reducir la cantidad de neodimio utilizado en el imán.

El uso de lantano y cerio también permite una alta resistencia al calor y reduce la pérdida de coercitividad. Además, los nuevos imanes no requieren terbio ni disprosio, generalmente requeridos para imanes de neodimio altamente resistentes al calor.

Más recientemente, en febrero de 2019, investigadores de Argonne National Labs anunciaron que habían desarrollado un motor más liviano, más barato y más eficiente, llamado HyMag, al agregar capas de mejora a la estructura de los materiales que conforman el imán permanente para mejorar la densidad del flujo magnético.

Los científicos dicen que el nuevo material mejora la densidad de flujo en un 10 a 30 por ciento en comparación con los motores de imanes permanentes convencionales, ofreciendo un mayor rango de vehículos eléctricos sin baterías más grandes. Y, según la aplicación, los motores HyMag requieren hasta un 90 por ciento menos de materiales de tierras raras, lo que reducirá significativamente los costos.

Según el líder del grupo Argonne de nanomateriales, dispositivos y sistemas, Kaizhong Gao: «Debe tener una mayor densidad de flujo para tener más eficiencia», y agregó que la eficiencia adicional se traduce en más energía producida o menos pérdidas.

La mayor eficiencia puede tener beneficios compuestos. Además de menos materiales, los motores pueden ser más livianos por la misma cantidad de energía, lo que reduce aún más los materiales y el costo.

¿Están a la vuelta de la esquina rentables, más ligeros, más rápidos y más potentes eMotors de última generación?

Dado que los imanes de tierras raras son un recurso limitado y un contribuyente considerable a los costos de material en las máquinas electrónicas de imanes permanentes, la firma de consultoría automotriz con sede en Austria, AVL, examinó la viabilidad de producir un eMotor de próxima generación sin imanes de tierras raras.

Al presentar los resultados en el Simposio CTI Automotive Drivetrain 2018 en Berlín, la compañía concluyó que una arquitectura síncrona de imanes permanentes con una concentración reducida de materiales pesados ​​de tierras raras era realmente posible.

Esta decisión se basó en una potencia de salida máxima de aproximadamente 300kW para un automóvil con tracción trasera de dos toneladas en los segmentos de automóviles de pasajeros de clase media superior y premium. En este escenario, un par realista por rueda es de aproximadamente 2500 Nm, o 5000 Nm para el eje impulsado.

La compañía también decidió utilizar 800V para reducir el peso de los materiales conductores, así como reducir el área del chip semiconductor en el inversor, los cuales tienen el potencial de reducir los costos del inversor y el cableado. Al mismo tiempo, se puede aumentar la potencia de carga, lo que permite una carga rápida.

En otra decisión, basada en la optimización de costos, el tamaño del motor se redujo, disminuyendo así el uso de muchos de los materiales caros, como la dinamo de chapa, imanes y cobre.

Sin embargo, reducir el motor también redujo su par, lo que a su vez requirió un aumento en la velocidad de rotación para recuperar la potencia perdida, como se puede interpretar de la fórmula P = ω.T, donde P denota Potencia, Power Velocidad de rotación y T el par – todo en unidades SI.

La relación entre velocidad y peso / volumen / costo se muestra en el siguiente gráfico:

Era importante encontrar el límite superior de velocidad, momento en el cual el uso de rodamientos especiales, material de laminación, bobinados, etc. aumentaría los costos.

Antes de cuantificar la velocidad de rotación del motor, era importante corregir los requisitos de transmisión. Para optimizar la eficiencia, el número de proporciones debía ser lo más bajo posible. Por lo tanto, para este eje electrónico de alta velocidad, el número de relaciones se limitó a dos, lo que resultó en una extensión de aproximadamente 16.

Con esta relación de transmisión, una velocidad máxima de 240 kmh con un tamaño de neumático de 245/45 R19 requeriría la eMotor para rotar a una velocidad máxima de aproximadamente 30,000 rpm.

Sin utilizar tecnología costosa como las laminaciones de cobalto, esta alta velocidad de rotación presentó al equipo de diseño varios desafíos, que incluyen:

  • Para hacer frente a las altas fuerzas centrífugas debido a la alta velocidad de rotación, los materiales y el mantenimiento de las tolerancias de diseño geométrico eran de primordial importancia
  • La alta velocidad de rotación del eje requería rodamientos que no solo pudieran hacer frente a las altas cargas, sino que también conservaran su integridad dimensional.
  • El efecto de proximidad, donde la corriente en el cable se desplaza por el flujo parásito, lo que aumenta las pérdidas, requiere una colocación precisa de los devanados en la ranura, así como una ranura de estator cerrada
  • A medida que la velocidad aumenta, un campo debilitado y las pérdidas crecientes dan como resultado una pérdida creciente de potencia. Sin embargo, al optimizar el número de devanados por fase junto con el voltaje de disposición y el control de la corriente del inversor, la caída de energía puede limitarse al 20 por ciento

Al aplicar los principios de diseño brevemente descritos anteriormente, la compañía afirma que un aumento, por un factor de dos, en la velocidad del motor da como resultado una reducción del material del motor activo en un factor equivalente de dos.

Siempre que se puedan evitar tecnologías especiales o costosas en el diseño del motor y la transmisión, se pueden lograr ahorros sustanciales en los costos al aumentar la velocidad de rotación del motor. El peso y el tamaño del motor se pueden reducir en consecuencia, lo que también tiene un impacto positivo en la dinámica y el costo del vehículo.

Con más de 300 modelos EV disponibles en Europa para 2025, los fabricantes y proveedores deben estar al tanto de los últimos desarrollos en electrificación, no menos importante de todas las tendencias que afectarán a los BEV y los eMotors que los impulsarán en los próximos años.

Como empresa enfocada en la industria automotriz, Automotive IQ organiza los siguientes eventos relacionados con eMobility y eMotor:



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