Los motores de CA de flujo radial ofrecen algunas ventajas de rendimiento y embalaje, pero también plantean algunos problemas térmicos y de fabricación.
La parte 1 de esta serie examinó en detalle el motor de flujo axial (AFM) y lo comparó con el motor de flujo radial (RFM), muy utilizado. La parte 2 de estas preguntas frecuentes continuó la exploración de AFM y RFM. Esta última parte de las preguntas frecuentes analiza algunos problemas del mundo real asociados con la adopción de AFM.
P: ¿Qué factor puede acelerar la adopción de AFM?
A: Hay varios factores. En primer lugar, existen aplicaciones como los vehículos eléctricos que podrían beneficiarse del rendimiento y el embalaje de los AFM, como los vehículos eléctricos. Además, el diseño de AFM cuenta con una gran ayuda de las nuevas herramientas CAD/FEA para el análisis del campo EM y las rutas de flujo, el rendimiento de los materiales, la tolerancia a errores, el rendimiento térmico y otras consideraciones. Las nuevas técnicas, incluido el uso de metales motorizados para fabricar los imanes, ofrecen una nueva flexibilidad de producción. Finalmente, existen nuevas formas de ensamblar las piezas necesarias y laminaciones de las piezas no bobinadas del motor.
P: ¿Los AFM están disponibles en unidades estándar con tamaño, potencia y rendimiento estandarizados como los RFM?
A: No, no lo son, pero eso puede no ser un impedimento. Las aplicaciones potenciales de gran volumen, como los vehículos eléctricos, requerirán diseños de AFM personalizados que estén altamente optimizados para cumplir con su combinación única de requisitos, y tendrán el volumen para soportar un diseño y fabricación personalizados. Muchas empresas están trabajando en enfoques innovadores para el diseño de AFM, afirmando (o al menos esperando) ofrecer un diseño superior desde las perspectivas de rendimiento, fabricación y costos.
P: ¿Quiénes son algunos de estos proveedores de AFM?
A: Hay muchas empresas emergentes y proveedores más pequeños que están realizando un trabajo importante en esta área:
Mercedes-Benz afirma que el AFM diseñado por su filial YASA aumenta la densidad de potencia en más de un 30% y ofrece un beneficio de alcance del 5% sobre los RFM que normalmente alimentan los vehículos eléctricos del mercado masivo. Una fábrica reutilizada de Mercedes-Benz en Berlín construirá motores de flujo axial para la plataforma eléctrica AMG del fabricante de automóviles. El principal desafío será adaptar los distintos pasos de fabricación (ensamblaje, producción y soldadura) al nuevo diseño, y aprender a manejar los materiales compuestos magnéticos blandos que utilizan.
Triaxial, una filial de Magmax BV, con sede en Bélgica, también ha desarrollado AFM dirigidos a vehículos eléctricos y aviones de movilidad eléctrica (taxis eléctricos, aviones pequeños). Tienen un diseño patentado sin yugo que, según afirman, es más eficiente, más liviano y más fácil de fabricar.
Infinitum (Round Rock, TX) afirma que su innovador AFM de 10 caballos de fuerza utiliza un 66 % menos de cobre, tiene un 50 % de tamaño y peso y utiliza un 10 % menos de energía que un motor RFM comparable. Es cierto que estas son afirmaciones impresionantes para un motor de menor potencia.
Además de ofrecer software CAD de diseño de motores, ECM PCB Stator Tech (Needham, MA) está desarrollando un enfoque único para el estator. En lugar de utilizar bobinas bobinadas, están investigando AFM con estatores que utilizan placas de circuito impreso con núcleo de aire. Los estatores de PCB de ECM reemplazan los devanados de cobre que se encuentran en las máquinas eléctricas convencionales con un estator ultradelgado, lo que ahorra espacio y permite una mayor flexibilidad en el diseño, optimización y fabricación.
Tenga en cuenta que los fabricantes de RFM establecidos no ignoran los desafíos que plantean los AFM. Por ejemplo, Magnetic Innovations afirma que sus mejoras en los RFM los hacen funcionalmente competitivos con los AFM al tiempo que utilizan procesos de fabricación de bajo costo existentes.
P: Tesla es un importante usuario de motores; ¿Qué tipo utilizan? ¿Son AFM?
A: La mayoría de los vehículos eléctricos Tesla utilizan un motor síncrono de imán permanente de CA refrigerado por líquido, con variador de frecuencia para la parte trasera, y un motor de inducción de CA, también refrigerado por líquido y con variador de frecuencia para la tracción delantera. Ninguno de los motores es un AFM, aunque, según se informa, están explorando su uso.
Es posible que los AFM permitan montar el motor en el propio conjunto de ruedas, lo que tiene algunas ventajas de diseño y producción, pero hacerlo también aumenta el peso no suspendido, lo que degrada el manejo del vehículo, la comodidad de marcha y otros aspectos de control.
P: Finalmente, ¿cuál es el accionamiento eléctrico de un AFM en comparación con un RFM?
A: Se utiliza la misma electrónica del variador de frecuencia (VFD), pero los algoritmos del variador se reajustan ligeramente para adaptarse a las diferencias de rendimiento. Los primeros VFD eran todos analógicos, pero en gran medida han quedado obsoletos debido a los digitales controlados por procesador. El VFD crea digitalmente una onda sinusoidal a partir de un flujo de pulsos de alta frecuencia y modulación de ancho de pulso (PWM) (Figura 1 y XNUMX). El VFD también modula las secuencias de aceleración y desaceleración en las secuencias de encendido y apagado para minimizar la corriente de entrada, las sobretensiones, la vibración y los posibles daños por impacto al motor o su carga.
El VFD establece, controla y cambia la frecuencia de esta onda sinusoidal de acuerdo con lo que se le pide al motor que haga. Luego, un amplificador en el VFD aumenta esta señal sinusoidal al voltaje y la corriente necesarios para alimentar el motor. La frecuencia portadora de un VFD es la frecuencia de conmutación PWM y normalmente oscila entre 2 kHz y 20 kHz.
Esta salida PWM de alta frecuencia se utiliza luego para crear la onda sinusoidal de baja frecuencia y proporciona la salida de frecuencia variable al motor; esta frecuencia normalmente abarca de 0 Hz a 400 Hz. El tamaño físico y el embalaje de un VFD de uso general para aplicaciones industriales fijas varían desde una caja pequeña hasta un gabinete grande, según el voltaje, la corriente y el nivel de potencia requeridos (Figura 2 y XNUMX).
Por el contrario, el variador VFD para una aplicación especializada, como un motor o motores EV, será un diseño personalizado con atributos y rendimiento que se adaptan estrechamente al RFM o AFM específico utilizado, así como a los numerosos mandatos de seguridad y entorno operativo del automóvil. Además, el embalaje se diseñará para adaptarse al espacio y la ubicación disponibles en el vehículo, así como para hacer frente a los problemas térmicos y las temperaturas extremas de un vehículo.
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Referencias externas
Universidad Estatal de Iowa, "Características del motor"
YASA, “Flujo axial: el futuro de la propulsión de vehículos eléctricos de alto rendimiento”
Ingeniería de movilidad eléctrica, “Motores de flujo axial”
Stanford Magnets, "Una descripción general del motor de flujo axial y del imán del motor de flujo axial"
Academia Magnet, Laboratorio Nacional de Mag, “Davenport Motor – 1834”
Eaton, "Por qué la densidad de par es importante para el diseño de máquinas"
horizonte Tecnología, “Diseño de motores eléctricos: flujo radial frente a axial y transversal”
Triaxial BV, “Motor de flujo axial versus motor de flujo radial: un enfoque en la orientación del campo magnético”
Triaxial BV, "¿Por qué no todos los motores de vehículos eléctricos son de flujo axial (todavía)?"
Magnetic Innovations, "¿Qué es un motor de imán permanente de flujo radial?"
Almacenables, "¿Qué motor eléctrico utiliza Tesla?"
Tesla, "Subsistemas: tipos y especificaciones de motores"
Revista europea de ingeniería eléctrica, junio de 2014, “Modelado magnético de motores de imán permanente de flujo radial y de flujo axial para automoción de accionamiento directo. Especificaciones y comparación”
Laboratorio Nacional de Oak Ridge, "Una comparación de máquinas de flujo radial y axial de rotor exterior para su aplicación en vehículos eléctricos"
Kilowatt Classroom LLC, “Fundamentos del variador de frecuencia”
VFDS.org, “Unidades de frecuencia variable”