Según los requisitos fundamentales de rendimiento del motor de accionamiento para vehículos de nueva energía, los tipos de motores de accionamiento utilizados habitualmente se dividen en tres categorías principales: motores asíncronos de CA, motores síncronos de imanes permanentes y motores de reluctancia conmutada.
Actualmente, cada modelo de automóvil equipado por diferentes fabricantes utiliza diferentes tipos de motores de propulsión.
Por lo tanto, para elegir el tipo de motor para un vehículo de nueva energía, es importante comprender la estructura, el principio de funcionamiento y las ventajas y desventajas del motor de propulsión.
I. Motor asíncrono de CA
1. Estructura del motor asíncrono de CA
El motor asíncrono de CA, también conocido como motor de inducción, consta principalmente de un estator, rotor, eje del motor, cojinetes delanteros y traseros, cubierta final, sensor de posición, sensor de temperatura, mazo de cables de bajo voltaje y mazo de cables de fuente de alimentación de alto voltaje.
El estator consta del núcleo de hierro del estator y el devanado trifásico; el rotor generalmente utiliza un rotor de jaula de ardilla, que incluye el núcleo de hierro del rotor y el devanado de jaula de ardilla.
Dependiendo de la potencia del motor, se puede elegir entre métodos de refrigeración por agua o aire. (Figura 1)
1- Cubierta frontal
2- Cojinete delantero
3- Carcasa del motor
4- Rotor de jaula de ardilla
5- Eje del motor
6- Estator
7- Cojinete trasero
8- Tapa trasera
9- Sensor de posición
10- Cubierta de mantenimiento del sensor
2. Principio de funcionamiento del motor asíncrono de CA.
(1) Principio de funcionamiento del variador de frecuencia de motor asíncrono de CA
1) El estator proporciona un campo magnético giratorio. Para proporcionar torque, el motor de CA asíncrono necesita pasar energía de CA trifásica a través de la bobina del estator, creando un campo magnético de rotación continua (con una velocidad de rotación del campo magnético de ns).
El motor asíncrono de CA requiere que los devanados del estator trifásico sean simétricos y que el núcleo de hierro del estator esté espaciado 120 grados eléctricos. La corriente que pasa por el devanado simétrico trifásico también debe ser simétrica, con el mismo tamaño, frecuencia y diferencia de fase de 120 grados. La velocidad de rotación del campo magnético giratorio viene dada por la ecuación (1).
ns = 60f/p (1)
En esta ecuación, ns es la velocidad de rotación del campo magnético giratorio (también conocida como velocidad sincrónica), r/min; f es la frecuencia de la alimentación CA trifásica, Hz; p es el número de pares de polos.
Para un motor de accionamiento que ha sido diseñado y puesto en producción, el número de pares de polos es fijo, por lo que el factor que determina la velocidad de rotación del campo magnético es la frecuencia de la alimentación de CA trifásica. Como la frecuencia de la red eléctrica en nuestro país es f=50Hz, existe una relación lineal entre la velocidad del motor y el número de pares de polos. (Figura 2)
2) El rotor de jaula de ardilla proporciona corrientes parásitas inducidas. A medida que el estator proporciona un campo magnético giratorio, se induce una corriente parásita en el conductor del rotor de jaula de ardilla, como se muestra en la Figura 3.
En el área magnética entre los conductores cyb del devanado de jaula de ardilla, hay líneas de fuerza magnéticas externas, y estas líneas de fuerza magnéticas aumentan bajo la acción del campo magnético giratorio.
Por lo tanto, se inducirá una corriente parásita i1 en los conductores c, b; Asimismo, el debilitamiento de las líneas de fuerza magnética en el área entre el conductor a y el conductor b inducirá una corriente parásita i2 en el conductor.
La corriente en el conductor b, bajo la acción del campo magnético giratorio del estator, hará que el conductor b del devanado de jaula de ardilla quede sujeto a una fuerza electromagnética, lo que hará que el rotor genere un par electromagnético y comience a girar. El rotor giratorio alcanza gradualmente el campo magnético giratorio, girando a una velocidad n ligeramente más lenta que la "velocidad sincrónica ns" del campo magnético.
Este fenómeno, en el que la velocidad de rotación del rotor n es ligeramente más lenta que la velocidad del campo magnético del estator ns, se denomina deslizamiento del rotor. Este deslizamiento asíncrono permite que el conductor del rotor de jaula de ardilla corte continuamente líneas de fuerza magnética, produciendo corrientes parásitas inducidas.
En consecuencia, en el rotor, la energía eléctrica se convierte en energía mecánica, asegurando una salida externa continua.
(2) El principio de generación de energía en motores asíncronos de CA
Según la Ley de Inducción Electromagnética de Faraday, cuando una sección de un conductor de circuito cerrado cruza líneas de campo magnético en movimiento, se genera una corriente inducida dentro del conductor, y la fuerza electromotriz generada se conoce como fuerza electromotriz inducida.
En un motor asíncrono de CA, cuando el motor se utiliza como generador, el estator se energiza con una corriente trifásica para proporcionar el campo magnético y el devanado del rotor proporciona el conductor.
Cuando una fuerza mecánica externa, como el eje de transmisión de un automóvil, impulsa el eje del rotor, lo que hace que el rotor se mueva, si la velocidad del rotor es mayor que la velocidad sincrónica del campo magnético giratorio del estator, el motor asíncrono de CA actúa entonces como un generador.
La dirección del rotor que corta el campo magnético giratorio es opuesta a la que tiene cuando funciona como motor de accionamiento, por lo que la dirección de la fuerza electromotriz inducida por el rotor también se invierte.
Durante el proceso de generación de energía, el rotor del motor experimenta un par electromagnético que se opone a la fuerza de arrastre externa, lo que hace que la velocidad del rotor disminuya.
3. Ventajas, desventajas y aplicaciones de los motores asíncronos de CA.
Los motores asíncronos de CA se destacan por proporcionar un par de salida ajustable en un amplio rango, capaces de aumentar forzosamente el par de salida en períodos cortos durante la aceleración o el ascenso. Los vehículos eléctricos propulsados por motores síncronos de imanes permanentes suelen emplear mecanismos de caja de cambios adicionales para aumentar el par y la velocidad.
Sin embargo, los motores asíncronos de CA tienen varias desventajas. Debido a la excitación unilateral, requieren corrientes de arranque más altas y más corriente por unidad de par producida. El estator alberga corrientes de excitación reactivas, lo que resulta en un mayor consumo de energía que los motores síncronos de imanes permanentes con factor de potencia retrasado.
Las condiciones de sobrecarga ocurren con frecuencia durante las unidades de servicio pesado. Su estructura relativamente compleja requiere un alto conocimiento tecnológico de control, lo que los hace más caros de fabricar y tienen una densidad de potencia comparativamente menor.
Actualmente, los motores asíncronos de CA se utilizan habitualmente como motores de accionamiento en vehículos eléctricos desarrollados en Estados Unidos.
II. Motor síncrono de imanes permanentes
1. Estructura del motor síncrono de imanes permanentes
La estructura de un motor síncrono de imanes permanentes comprende un estator, rotor, eje del motor, cojinetes delanteros y traseros, cubierta, canal de agua de refrigeración, sensor de posición, sensor de temperatura, arnés de bajo voltaje y arnés de potencia.
El estator está formado por el núcleo de hierro del estator y devanados trifásicos; el rotor consta de polos magnéticos permanentes y un núcleo de hierro, estando el núcleo de hierro formado por láminas de acero al silicio apiladas.
La disposición de los imanes permanentes en el rotor incluye principalmente rotores de imanes permanentes internos, integrados en la superficie y montados en superficie, con rotores de imanes permanentes internos comúnmente utilizados en motores de nueva energía. (Figura 4)
1- Cubierta frontal
2- Cojinete delantero
3- Carcasa del motor
4- Estator
5- Eje del motor
6- Rotor de imán permanente integrado
7- Cojinete del extremo trasero
8- Cubierta trasera (Sensor de posición incorporado)
2. Principio de funcionamiento del motor síncrono de imanes permanentes
(1) Principio de funcionamiento del motor síncrono de imán permanente
El campo magnético giratorio lo proporciona el estator, producido de la misma forma y a la misma velocidad que un motor asíncrono de CA. Los polos magnéticos son alimentados por los imanes permanentes del rotor.
Así, el campo magnético giratorio generado por el estator forma un circuito con los polos magnéticos permanentes del rotor y el núcleo de hierro. Siguiendo el principio de mínima reluctancia magnética, es decir, el flujo magnético siempre se cierra a lo largo del camino de menor resistencia magnética, el rotor se pone en rotación gracias a la fuerza electromagnética del campo giratorio.
En consecuencia, el rotor de imán permanente gira sincrónicamente con el campo magnético giratorio generado por el estator, impulsando así la rotación del eje del motor.
(2) Principio de generación de energía del motor síncrono de imán permanente
Siguiendo la ley de inducción electromagnética de Faraday, una parte del conductor de circuito cerrado es alimentada por los devanados del estator trifásico, mientras que el campo magnético lo proporcionan los imanes permanentes del rotor.
Cuando el par externo hace girar el rotor, genera un campo magnético giratorio, cortando parte de los conductores en los devanados del estator trifásico e induciendo una corriente trifásica simétrica.
En este punto, la energía cinética del rotor se convierte en energía eléctrica y el motor síncrono de imanes permanentes funciona como generador.
3. Ventajas, desventajas y ámbito de aplicación del motor síncrono de imanes permanentes.
Las ventajas de un motor síncrono de imán permanente incluyen su tamaño pequeño, peso ligero, alta densidad de potencia, menor consumo de energía, menor aumento de temperatura y mayor eficiencia en comparación con los motores asíncronos.
Puede diseñarse como un motor estructurado de alto par de arranque y alta capacidad de sobrecarga según los requisitos.
El motor síncrono de imán permanente se sincroniza estrictamente y tiene un buen rendimiento de respuesta dinámica, adecuado para control de frecuencia; El par y la velocidad del motor se pueden ajustar en un amplio rango cambiando la corriente y la frecuencia.
Sin embargo, el material de imán permanente utilizado en los motores síncronos de imán permanente es generalmente un material magnético fuerte de neodimio, hierro y boro, que es relativamente frágil y puede fracturarse bajo una vibración intensa.
Además, el uso de material magnético permanente en el rotor puede provocar un deterioro magnético en el funcionamiento del motor y situaciones de sobrecalentamiento, lo que resulta en una reducción de la potencia.
En la actualidad, los motores síncronos de imanes permanentes se utilizan ampliamente en motores de vehículos de nueva energía, y los mercados de nuevas energías en Asia y Europa utilizan principalmente motores síncronos de imanes permanentes como motores de nuevas energías.
III. Motor de reluctancia conmutada
1. Estructura del motor de reluctancia conmutada
El motor de reluctancia conmutada (SRM) es un motor mecatrónico típico, también conocido como "sistema de accionamiento de reluctancia conmutada". El motor incluye principalmente cuatro componentes: el propio SRM, un convertidor de potencia, sensores de posición del rotor y un controlador, como se muestra en la Figura 5.
La estructura principal del SRM incluye el estator, el rotor, los sensores de posición, los cojinetes delanteros y traseros, las cubiertas delantera y trasera y la carcasa del motor, como se ilustra en la Figura 6. El estator comprende el núcleo del estator y los devanados.
1- Cubierta frontal
2- Cojinete delantero
3-Rotor
4- Eje del motor
5- Estator
6- Carcasa del motor
7- Cojinete del extremo trasero
8- Tapa trasera
9- Sensor de posición
10- Cubierta de mantenimiento del sensor
11- ventilador de refrigeración
12- Tapa final del ventilador
Tanto el núcleo del estator como el rotor utilizan estructuras de polos salientes y están hechos de láminas de acero al silicio laminadas. Los polos salientes del estator están equipados con devanados, mientras que el rotor no tiene devanados ni imanes permanentes.
La estructura trifásica de 6/4 polos indica que el estator del motor tiene seis polos salientes y el rotor tiene cuatro polos salientes. Los devanados concentrados en dos polos salientes simétricos del estator están conectados en serie para formar una fase, y el número de fases es igual al número de polos salientes del estator dividido por dos, como se muestra en la Figura 7 (a).
La estructura trifásica de 12/8 polos indica que el estator del motor tiene doce polos salientes y el rotor tiene ocho polos salientes. Los devanados de cuatro polos salientes simétricos del estator están conectados en serie para formar una fase, y el número de fases es igual al número de polos salientes del estator dividido por cuatro, como se muestra en la Figura 7 (b).
Cuantas más fases tenga un motor de reluctancia conmutada, menor será el ángulo de paso, más suave será el funcionamiento y más favorable será para reducir la ondulación del par. Sin embargo, el control se vuelve más complejo, lo que lleva a un aumento en el número de dispositivos de conmutación principales y en los costos.
El cálculo del ángulo de paso se muestra en la ecuación (2):
α = 360° × (Número de polos del estator – Número de polos del rotor) / (Número de polos del estator)
Por ejemplo, para un motor trifásico de 6/4 polos, el ángulo de paso α = 360° × 2/(6×4) = 30°.
2. Principio de funcionamiento del motor de reluctancia conmutada.
(1) Principio de funcionamiento del motor de reluctancia conmutada
Como se muestra en el diagrama de principio de funcionamiento del SRM trifásico de 12/8 polos en la Figura 8, cuando la corriente del devanado de la fase A controla el cierre del interruptor principal S1, S2, la fase A se energiza y magnetiza.
La intensidad del campo magnético generado dentro del motor forma un campo magnético radial con OA como eje. Las líneas de fuerza magnéticas de este campo se curvan cuando pasan a través del entrehierro entre los polos salientes del estator y los polos salientes del rotor.
En este momento, la reluctancia magnética del circuito magnético es mayor que cuando coinciden el polo saliente del estator y el polo saliente del rotor. Por lo tanto, el polo saliente del rotor está influenciado por la atracción magnética, que alinea el eje del polo del rotor Oa con el eje del polo del estator OA.
Esto genera un par electromagnético con la propiedad de reluctancia magnética, lo que hace que el rotor comience a girar en sentido antihorario. Cuando se corta la corriente de la fase A y se establece el suministro de energía de la fase B, el campo magnético dentro del motor gira 30 grados.
Luego, el rotor gira otros 15 grados en sentido antihorario bajo la acción de la atracción electromagnética. Si se suministra energía secuencialmente a los devanados de la fase ABCA, el rotor girará continuamente en sentido antihorario.
Cuando se energizan los devanados del estator en cada fase, a su vez el campo magnético del estator gira 3×30 grados y el rotor gira un paso de polo del rotor de 3×15 grados (es decir, 360 grados/número de polos que sobresalen del rotor).
Si se suministra energía secuencialmente a los devanados de fase ACBA, el rotor girará en el sentido de las agujas del reloj. El sentido de rotación del motor de reluctancia conmutada no está relacionado con el sentido de la corriente, sino que está determinado por la secuencia de conexión de los devanados de fase del estator.
En el funcionamiento real de motores multifásicos, también es común que dos o más devanados de fase se energicen simultáneamente.
(2) Principio de funcionamiento de un generador de reluctancia conmutada
El estado operativo de un generador de reluctancia conmutada implica tres condiciones: el estado de excitación, el estado de continuación y el estado de generación de energía, como lo demuestra la forma de onda de inductancia de fase L en la Figura 10.
En la Figura 9, el ángulo θ se define como el ángulo entre el eje del polo del diente del rotor y el eje de la ranura del diente del estator. Cuando el eje del polo del diente del rotor se alinea con el eje de la ranura del diente del estator correspondiente, la inductancia de fase es mínima (definida como θ=0°). La inductancia de fase del devanado permanece constante en Lmin hasta que el borde anterior del polo del rotor se encuentra con el borde posterior del polo del estator (θ=θ1).
A medida que el rotor continúa girando y el polo del rotor comienza a superponerse al polo del estator, hasta que el borde posterior del polo del rotor y el borde posterior del polo del estator se alinean completamente (en este momento, θ = θ2), la fase del devanado y la inductancia aumenta linealmente en esta región, alcanzando un máximo de Lmax.
Cuando el rotor continúa girando de modo que el borde anterior del polo del rotor se alinea con el borde anterior del polo del estator (en este momento, θ = θ4), la inductancia de fase permanece en Lmax.
Según la teoría básica del campo electromagnético, la existencia de un campo magnético va acompañada del par electromagnético del rotor del motor, que se puede representar mediante la ecuación (3).
Si los devanados del motor de reluctancia conmutada se encienden y apagan entre θ3 y θ4, el motor funciona como un generador. En este momento, se forma una corriente en la región de inductancia decreciente, por lo tanto dL/dθ<0.
Si la corriente pasa a través de los devanados de fase en este momento, se generará un par de frenado (T(θ, i)<0). Si una fuerza mecánica externa mantiene la rotación del motor, el motor absorbe energía mecánica y la convierte en salida eléctrica, lo que indica que el motor de reluctancia conmutada está funcionando en modo generador.
3. Ventajas, desventajas y ámbito de aplicación de los motores de reluctancia conmutada.
Las ventajas de los motores de reluctancia conmutada son su estructura simple y confiable, buen rendimiento de arranque, alta eficiencia y bajo costo. Ofrecen una amplia gama de funciones de control de velocidad variando el accionamiento, los ángulos de apagado y el voltaje. Sin embargo, las desventajas incluyen fluctuaciones sustanciales del par y un alto nivel de ruido.
Actualmente, se utilizan en algunos vehículos eléctricos pequeños, como scooters eléctricos de cuatro ruedas y patrullas.
4. Conclusión
Dadas las distintas características de rendimiento que requieren los motores de propulsión de vehículos de nueva energía, el tipo de motor de accionamiento seleccionado varía entre los diferentes modelos del mercado.
Este artículo describe la estructura y los principios de funcionamiento de los nuevos motores de accionamiento de potencia de uso común, como los motores asíncronos de CA, los motores síncronos de imanes permanentes y los motores de reluctancia conmutada. Esta información ayudará a comprender mejor estos motores de accionamiento.
Además, la estructura y los principios de cada tipo de motor difieren, lo que da lugar a una amplia gama de aplicaciones. Según la planificación estratégica industrial nacional, seguirá ampliándose la investigación centrada en los sistemas de propulsión eléctrica de nuevos vehículos energéticos respetuosos con el medio ambiente. En consecuencia, la variedad y el nivel tecnológico de los motores también seguirán avanzando.
