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Un vehículo eléctrico puede mantener un par elevado a bajas velocidades gracias a la disposición de los imanes en el rotor. La tecnología clave que hay detrás de los vehículos eléctricos modernos y de los sistemas de accionamiento industriales de alto rendimiento es el motor de imanes permanentes internos (IPM).
En la era de los vehículos de nueva energía, la tecnología IPM está despertando cada vez más interés entre los ingenieros de diseño de motores y los especialistas en adquisición de sistemas de propulsión para vehículos eléctricos. A continuación se explicará el principio de funcionamiento de la tecnología IPM, así como la diferencia clave con respecto al motor de imanes permanentes de montaje superficial (SPM).
La elección entre IPM y SPM es una de las decisiones más importantes en el diseño de vehículos eléctricos, ya que la diferencia en la posición de los imanes determina el par de salida del motor, la curva de eficiencia y la fiabilidad a altas velocidades.
Los fundamentos de los motores de imanes permanentes: el papel de los imanes de tierras raras
El motor de imanes permanentes (PM), como tipo de motor de corriente alterna, genera un campo magnético mediante imanes integrados o montados en la superficie del rotor. En los vehículos eléctricos, el motor síncrono de imanes permanentes (PMSM) se utiliza ampliamente debido a su elevada densidad de par y su eficiencia, lo que lo convierte en uno de los tipos más comunes de motores de tracción.
Los motores suelen estar equipados con un imán de neodimio (Nd-Fe-B), conocido en el sector como «imán superpotente». Un imán de neodimio es capaz de proporcionar una potencia magnética considerable incluso con un tamaño reducido, ya que el campo magnético se concentra con una alta intensidad magnética por unidad de superficie.
Gracias a su alta eficiencia y a su elevada densidad de flujo magnético, el uso de imanes permanentes permite reducir el tamaño del motor a tan solo un tercio del de los modelos tradicionales, manteniendo al mismo tiempo el mismo nivel de rendimiento. Esto permite diseñar vehículos eléctricos más ligeros y reduce el consumo energético total del vehículo gracias a su alta eficiencia. Además, la vida útil magnética de los imanes de tierras raras puede alcanzar aproximadamente los 400 años, lo que garantiza que el motor funcione con un rendimiento estable a lo largo de toda su vida útil.
Además de los imanes de neodimio, los imanes de samario-cobalto (SmCo) también se utilizan en algunas aplicaciones a alta temperatura. Su fuerza magnética es ligeramente inferior a la del neodimio, pero resulta adecuado para aplicaciones en las que las temperaturas de funcionamiento superan con frecuencia los 150 °C, gracias a su resistencia a las altas temperaturas. Dado que la temperatura fluctúa en el entorno de funcionamiento de los motores de propulsión de los vehículos eléctricos, a la hora de seleccionar los imanes se deben tener en cuenta tanto la fuerza magnética como el rendimiento térmico.
IPM y SPM: vienen determinados por la posición del imán
Existen dos tipos de motores de imanes permanentes: el IPM y el SPM. Ambos generan flujo magnético mediante imanes permanentes, pero la ubicación de los imanes es diferente. En los IPM, los imanes están integrados en el interior del rotor, mientras que en los SPM se montan directamente sobre la superficie del rotor. Esta diferencia estructural modifica las características de rendimiento, las estrategias de control y el ámbito de aplicación de ambos tipos de motores, lo que constituye una de las clasificaciones más características en el diseño de motores eléctricos.
La estructura del rotor en los motores SPM es relativamente sencilla desde el punto de vista de la fabricación. El imán se integra directamente en la superficie exterior del rotor, con manguitos de fibra de carbono o acero inoxidable a modo de protección en algunos diseños, lo que puede evitar que el imán se desprenda debido a la fuerza centrífuga durante la rotación a alta velocidad. El proceso de fabricación del rotor de los motores IPM es más complejo. Es necesario mecanizar ranuras para los imanes en el interior del núcleo, ya que el rendimiento del motor puede verse afectado por la ubicación y la precisión angular de los imanes incrustados, lo que constituye una de las razones del elevado coste de fabricación.
Las formas de los dos diseños de imanes también son diferentes. El SPM utiliza principalmente imanes en forma de anillo o de arco, mientras que en el IPM se emplean imanes rectangulares o paralelepípedos con ranuras mecanizadas. Además, hay estudios que demuestran que el IPM solo requiere el 66,71 % del material magnético utilizado en el SPM, lo que supone una ventaja en términos de costes ante el aumento del precio de las tierras raras.
La transformación que han traído consigo los vehículos híbridos y eléctricos
El rendimiento a alta velocidad es la mayor ventaja del IPM, lo cual resulta importante en el ámbito de las aplicaciones para vehículos. Por otro lado, la curva potencia-velocidad del SPM tiene forma hiperbólica, lo que significa que aumenta progresivamente hasta alcanzar una meseta de potencia constante en un rango de velocidad reducido, y disminuye a partir de ahí. El SPM era hasta hace poco el dominante en el mercado de los motores de imanes permanentes, pero la situación ha cambiado recientemente. La demanda de IPM aumenta debido al auge de los vehículos híbridos y eléctricos. El motor IPM es capaz de mantener una potencia de salida constante en un amplio rango de velocidades y, por lo tanto, resulta adecuado para aplicaciones como motores de tracción y motores auxiliares.
La ventaja de un motor IPM resulta más evidente en las aplicaciones para vehículos, ya que permite un mejor control del estado de magnetización del circuito magnético, lo que se traduce en un rango más amplio y una salida de par constante. Por lo tanto, al modificar la corriente, es posible controlar el rendimiento operativo de los motores eléctricos, lo que constituye una tecnología esencial en los sistemas de propulsión de los vehículos eléctricos modernos.
Se prevé que la demanda de mercado de los IPM aumente durante la próxima década, a medida que crezca la tasa de adopción de vehículos eléctricos a nivel mundial. Casi todas las plataformas de vehículos eléctricos de próxima generación de las principales marcas de automoción utilizan IPM como motor de tracción principal, y se espera que esta tendencia refuerce la posición dominante de los IPM en el sector de los motores de tracción.
Propiedades estructurales del SPM
Los imanes están montados en la superficie del rotor, donde la resistencia mecánica es relativamente baja. Esta estructura limita la velocidad mecánica máxima de funcionamiento segura del motor. Además, el valor de inductancia medido en el extremo del rotor es constante independientemente de la posición de este, lo que hace que la generación de par por parte del SPM se base principalmente en el mecanismo único del par magnético.
A pesar de estas limitaciones de rendimiento, el SPM se ha utilizado ampliamente en aplicaciones que no requieren una gran resistencia mecánica, como los electrodomésticos y las bombas de agua de baja velocidad, debido a que su fabricación es sencilla y los costes son más bajos.
Ventajas estructurales de la gestión integrada de plagas (IPM)
La estructura del IPM, que integra los imanes en el interior del rotor, proporciona un mejor rendimiento mecánico y, por lo tanto, resulta adecuada para aplicaciones de alta velocidad. Presentan una relación de inductancia Lq/Ld relativamente alta, lo cual constituye un indicador clave para medir la diferencia de reluctancia magnética a lo largo de los distintos ejes del rotor.
El IPM puede generar par mediante mecanismos tanto de par magnético como de par de reluctancia gracias a su estructura, lo que permite adaptarse a las diferentes necesidades de los vehículos eléctricos. De este modo, se puede mantener un par de salida óptimo tanto al circular a bajas velocidades por la ciudad como a altas velocidades en autopista.
Normalmente se adopta la estrategia de control de par máximo por amperio (MTPA) para aprovechar al máximo las ventajas del par dual del IPM. Tanto la fuente de par magnético como la de par de reluctancia deben mantenerse equilibradas mediante un ajuste dinámico del vector de corriente para obtener una eficiencia óptima. Por lo tanto, los algoritmos de control para el IPM, que requieren sensores más precisos y mayor potencia de cálculo, son más complejos que los del SPM.
Orientación futura de la gestión integrada de plagas (IPM) y la gestión sostenible de plagas (SPM)
El IPM es la opción preferida para aplicaciones de alta velocidad, como los motores de tracción, ya que puede proporcionar un par de salida comparable con menos material magnético. Además del par magnético, en el IPM también se utiliza el par de reluctancia para generar un par de salida elevado. La tecnología de control vectorial también se aplica en el IPM para adaptarse a los diferentes cambios en la demanda durante el funcionamiento de los motores de alta velocidad.
En la comparación de las curvas de rendimiento, el SPM puede alcanzar un alto rendimiento a velocidades bajas y estables gracias al sencillo diseño de su circuito magnético, mientras que el IPM puede mantener un alto rendimiento en un rango de velocidades más amplio. Por lo tanto, la eficiencia del IPM es mayor a altas velocidades. En el IPM se puede mantener una alta eficiencia en un amplio rango de velocidades ajustando el estado de magnetización del circuito magnético. Los imanes están encapsulados en el interior del rotor y no se desprenden por la fuerza centrífuga. Por lo tanto, la fiabilidad mecánica mejora gracias a la gran durabilidad de la estructura global del rotor. El IPM permite ahorrar aproximadamente un 30% en consumo energético en comparación con los diseños tradicionales con la misma potencia de salida, lo que supone una ventaja atractiva para la industria de los vehículos eléctricos, que se centra en la autonomía y la eficiencia energética.
El uso de la tecnología de debilitamiento de campo del IPM a alta velocidad permite reducir el campo magnético efectivo del rotor una vez superada la velocidad básica, lo que permite al motor mantener una potencia de salida constante en un amplio rango de velocidades. Como resultado, se puede mantener una alta eficiencia en los vehículos eléctricos, tanto en subidas a baja velocidad como en marcha a alta velocidad, y es por ello que el IPM goza de gran popularidad en el sector de los vehículos de nueva energía.
¿Cómo elegir?
En el caso de aplicaciones que no requieran un amplio rango de velocidades, o en las que el presupuesto sea un factor primordial, se recomienda optar por el SPM debido a su estructura sencilla y a su menor coste.
Si se requiere una alta eficiencia en un amplio rango de velocidades, especialmente para aplicaciones que implican un funcionamiento a alta velocidad y grandes exigencias de par, como los motores de tracción de vehículos eléctricos o las aplicaciones de nuevas energías, se debe considerar el uso de IPM debido a su rendimiento a alta velocidad, su mayor densidad de par y su mayor fiabilidad mecánica.
El IPM ofrece un cierto grado de disipación del calor gracias a la estructura de encapsulación del núcleo, que mantiene el imán a temperaturas más bajas y evita la degradación del rendimiento magnético provocada por las altas temperaturas. Por el contrario, en los SPM la disipación del calor es deficiente debido a la exposición directa de los imanes. Esta es también la razón por la que se prefiere el IPM para aplicaciones de alta densidad de potencia.
En conclusión, para aplicaciones con requisitos reducidos en cuanto al rango de velocidades y la consistencia del par, como los electrodomésticos y las bombas de agua de baja velocidad, se prefiere el SPM debido a su ventaja en cuanto a costes. En el caso de los motores de tracción o los sistemas de accionamiento industriales que funcionan en un amplio rango de velocidades, aunque el coste inicial de utilizar el IPM es elevado, este se puede amortizar gracias a las ganancias de eficiencia a largo plazo y al menor consumo de materiales magnéticos.
Antes de tomar la decisión, se recomienda consultar con el proveedor de material magnético sobre las necesidades operativas, como la velocidad objetivo y los límites presupuestarios. De este modo, se garantiza que se elija la opción más adecuada sin que sea necesario realizar modificaciones de diseño en el futuro debido a discrepancias en las especificaciones.
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