En los últimos años, problemas como la protección del medio ambiente, la crisis energética y el efecto invernadero han impulsado el rápido desarrollo de los vehículos eléctricos (VE). Como componente clave de los VE, el motor de tracción afecta directamente el rendimiento del sistema de tracción eléctrico. Con el continuo avance hacia la magnetización permanente, altas velocidades e integración, el motor de tracción se enfrenta a numerosos retos en áreas como el diseño estructural, el enfriamiento y la disipación de calor. Un estudio reciente publicado en la revista «Journal of Shenyang University of Technology» ofrece una visión detallada del estado actual de la tecnología, los desafíos y las tendencias futuras en este campo.
Tipos de sistemas de tracción: centralizado vs. distribuido
Los sistemas de tracción de los vehículos eléctricos se clasifican principalmente en dos categorías: tracción centralizada y tracción distribuida. La tracción centralizada utiliza un motor principal que reemplaza el motor de combustión interna de los vehículos tradicionales, transmitiendo la potencia a las ruedas a través de estructuras mecánicas como ejes de transmisión y diferenciales. Esta tecnología cuenta con una experiencia de montaje madura y una alta fiabilidad, pero presenta desventajas como una eficiencia de transmisión baja y un espacio interno limitado.
La tracción distribuida, por otro lado, se divide en tracción por motores de borde de rueda y tracción por motores de cubo. En la primera, cada rueda motriz es accionada por un motor independiente, pero no integrado en la rueda, sino conectado a ella mediante dispositivos de transmisión. En la segunda, el motor se instala directamente dentro de la rueda. En comparación con la tracción centralizada, la distribuida elimina el diferencial mecánico, ofreciendo ventajas como un control más preciso y una mayor eficiencia de transmisión, lo que la convierte en una dirección de desarrollo prometedora para la próxima generación de vehículos eléctricos. Sin embargo, aún debe resolver problemas clave como la alta masa no suspendida, la estanqueidad dinámica, la gestión térmica y el control de sincronización de motores. Actualmente, la tracción centralizada sigue siendo la más común en los vehículos eléctricos.
Tipos de motores de tracción y sus aplicaciones
Los motores utilizados en la tracción centralizada incluyen principalmente motores de corriente continua, motores de inducción, motores de reluctancia variable, motores síncronos de imanes permanentes y motores síncronos de excitación separada, cada uno con características y aplicaciones específicas.
Los motores de corriente continua, con su estructura simple, regulación de velocidad suave y tecnología de control madura, fueron ampliamente utilizados en los primeros vehículos eléctricos. Sin embargo, sus desventajas como el ruido elevado y la alta tasa de fallos han reducido su presencia en el mercado actual.
Los motores de inducción destacan por su alta fiabilidad y bajo costo, aunque su factor de potencia es relativamente bajo. Son comúnmente empleados por fabricantes estadounidenses y europeos como Tesla, Ford y Chevrolet. Su elección se debe en parte a la estrategia tecnológica de las marcas, pero principalmente a la independencia de materiales de tierras raras (recursos estratégicos y costosos) y su resistencia a la desmagnetización. Además, su eficiencia en rangos de alta velocidad, como en las autopistas europeas, es una ventaja clave.
Los motores de reluctancia variable, con rotores sin bobinas ni imanes permanentes, ofrecen una estructura simple y alta fiabilidad, y su curva velocidad-par coincide bien con las condiciones de operación de los vehículos eléctricos. Sin embargo, su pulso de par y ruido elevados reducen la comodidad de conducción, limitando su uso en este campo.
Los motores síncronos de imanes permanentes (MSIP) se clasifican según su rotor en tipo superficial y tipo embutido. Los últimos aprovechan el par de reluctancia para reducir el uso de imanes y costos, y dominan actualmente el mercado de vehículos eléctricos gracias a su alta eficiencia y velocidad. Son empleados por marcas como Toyota, Honda, Hyundai, Volkswagen y BMW.
Los motores síncronos de excitación separada, con su excitación ajustable y alta eficiencia, han atraído la atención de fabricantes como BMW (en el iX3), ZF, Valeo y Renault. Sin embargo, enfrentan desafíos como la necesidad de energía adicional para las bobinas del rotor y las pérdidas por excitación.
Para reducir la dependencia de tierras raras, los motores con imanes permanentes de baja o cero tierra rara se han convertido en un área de investigación clave. Sus enfoques incluyen aumentar el par de reluctancia mediante diseños de rotor con múltiples barreras magnéticas, reducir el uso de tierras raras pesadas en favor de las ligeras, o sustituir el neodimio-ferro-boro por ferritas. Aunque aún lag behind en eficiencia y densidad de par, su desarrollo continúa intensamente.
Topología de motores de tracción
El progreso en los motores de tracción se ve impulsado por mejoras en las estructuras de rotor y estátor, orientadas a aumentar la eficiencia, la densidad de potencia y la operación a altas velocidades.
En los rotores de los MSIP, se observa una tendencia clara a optimizar la disposición de imanes y materiales. Por ejemplo, Toyota ha utilizado diferentes topologías en la serie Prius: desde la disposición recta en la Prius I, pasando por estructuras en V en la Prius II, hasta imanes en forma de chevron en la Prius IV, reduciendo el uso de imanes y aumentando la densidad de par. Velocidades más altas (hasta 17.000 rpm en la Prius IV) requieren medidas para fortalecer el rotor, como puentes magnéticos adicionales y diseños livianos.
Motores de alta velocidad, como los del Tesla Model S Plaid, Zeekr 001FR y Xiaomi V8s, alcanzan velocidades superiores a 20.000 rpm. Para garantizar su estabilidad mecánica, los rotores utilizan recubrimientos de fibra de carbono, que ofrecen alta resistencia y bajo peso pero dificultan la disipación de calor, aumentando el riesgo de desmagnetización.
En los estatores, el diseño de bobinados busca maximizar la eficiencia y minimizar pérdidas. Las bobinados en forma de horquilla (hairpin) se han establecido gracias a su alta densidad de relleno y baja resistencia, empleadas por BMW (i7), Tesla (Model Y) y Volkswagen (ID.4). Desarrollos como bobinados escalonados (por Denso) o X-pin (por GAC Aion) buscan reducir la longitud de los extremos de las bobinas y mejorar la eficiencia.
Los materiales del núcleo del estátor también son cruciales. Aceros silicios no orientados de alta resistencia y bajas pérdidas, producidos por JFE, Nippon Steel, Baosteel y Wuhan Iron and Steel, son esenciales. Láminas más delgadas (0,25 mm en lugar de 0,35 mm) reducen las pérdidas de hierro, como en el Nissan Leaf II. Materiales nuevos como aleaciones amorfas ofrecen aún menores pérdidas, pero su fragilidad dificulta su procesamiento y limitan su uso actual, aunque sistemas como el Quark Drive de GAC Aion, con aleaciones nanocristalinas-amorfas, han logrado reducir las pérdidas de hierro en un 50% y aumentar la eficiencia a 97,5%.
Análisis térmico y diseños de sistemas de refrigeración
Las altas densidades de potencia generan más calor en los motores, lo que puede causar desmagnetización o daños en materiales aislantes, haciendo cruciales los sistemas de gestión térmica eficientes.
Los métodos de análisis de temperatura incluyen fórmulas simplificadas, modelos de red de parámetros concentrados (LPTN) y simulaciones numéricas (FEM y CFD). Enfoques combinados, como la integración de CFD y LPTN, mejoran la precisión y velocidad de cálculo. Por ejemplo, algunos investigadores usan CFD para calcular coeficientes de transferencia de calor, que luego se integran en modelos LPTN para determinar la distribución de temperatura.
Los sistemas de refrigeración se dividen en aire y líquido. La refrigeración por aire, simple pero ineficiente para aplicaciones de alta potencia, es reemplazada por la refrigeración líquida (agua o aceite) en vehículos eléctricos, por su mayor capacidad de disipación.
La refrigeración por agua utiliza canales en la carcasa en configuraciones espirales, anulares o axiales. Nuevos desarrollos incluyen barreras magnéticas en la carcasa del estátor para mejorar la disipación, o estructuras de células (dimpled) en tuberías que aumentan la transferencia de calor.
La refrigeración por aceite, adoptada por fabricantes como Toyota (Prius), Tesla (Model 3) y BYD (DMI), usa spray directo en extremos de bobinas o canales integrados en dientes del estátor para una disipación dirigida. Desafíos incluyen evitar contaminación del aceite (por ejemplo, partículas de soldadura en bobinas de alambre plano) y su baja conductividad térmica en comparación con el agua.
Nuevos enfoques incluyen materiales aislantes de alta conductividad (como composites cerámicos) o integración de tubos de calor para extraer calor de áreas inaccesibles. La impresión 3D permite estructuras de refrigeración complejas, como conductores huecos con canales, aunque aún enfrentan problemas de fabricación y estanqueidad.
Perspectivas futuras
El desarrollo de motores de tracción centralizada para vehículos eléctricos estará marcado por tendencias clave:
- Reducción de tierras raras: La dependencia de estos materiales impulsa el desarrollo de motores síncronos de excitación separada y MSIP con baja tierra rara. Empresas como BMW y BorgWarner invierten en ello para reducir costos y estabilizar cadenas de suministro.
- Motores de alta velocidad: Velocidades superiores a 20.000 rpm serán posibles gracias a materiales avanzados (como composites de fibra de carbono) y sistemas de refrigeración optimizados, aunque requerirán minimizar pérdidas a altas frecuencias y garantizar estabilidad térmica.
- Gestión térmica eficiente: Nuevos diseños de refrigeración, como canales de aceite integrados en dientes del estátor o conductores huecos, se combinarán con materiales avanzados para maximizar la disipación.
- Topologías innovadoras: Motores modulares que integran tracción, transmisión y electrónica, junto con diseños de bobinados novedosos (como bobinados de onda continua), aumentarán la densidad de potencia.
- Materiales sostenibles: El desarrollo de materiales magnéticos ecológicos y componentes reciclables reducirá la huella ambiental.
En resumen, la evolución apunta a motores más ligeros, eficientes y económicos, impulsando la electromobilitad. La combinación de innovaciones materiales, simulaciones avanzadas y soluciones de sistema integradas será clave para avances futuros.
Datos de los autores:
Jiaguanglong, Ju Xiaowei, Zhao Ze, Zhang Fengge (Centro Nacional de Investigación en Ingeniería de Máquinas de Imán Permanente de Tierras Raras y Facultad de Ingeniería Eléctrica, Universidad de Tecnología de Shenyang, Shenyang, China)
Revista: Journal of Shenyang University of Technology
DOI: 10.7688/j.issn.1000-1646.2024.05.04