¿Por qué los motores síncronos de imanes permanentes se convierten en los principales motores de accionamiento?
El motor eléctrico convierte la energía eléctrica en energía mecánica y la transmite a las ruedas mediante el sistema de transmisión para impulsar el vehículo. Es uno de los sistemas de propulsión principales de los vehículos de nueva energía. Actualmente, los motores de propulsión más comunes en estos vehículos son principalmente motores síncronos de imanes permanentes y motores asíncronos de corriente alterna. La mayoría de los vehículos de nueva energía utilizan motores síncronos de imanes permanentes. Entre las marcas representativas se encuentran BYD y Li Auto. Algunos vehículos utilizan motores asíncronos de corriente alterna. Empresas como Tesla y Mercedes-Benz utilizan motores eléctricos.
Un motor asíncrono se compone principalmente de un estator fijo y un rotor giratorio. Cuando el devanado del estator se conecta a la fuente de alimentación de CA, el rotor gira y genera energía. El principio fundamental es que, al energizarse el devanado del estator (corriente alterna), se forma un campo electromagnético giratorio. El devanado del rotor, al ser un conductor cerrado, corta continuamente las líneas de inducción magnética del estator dentro de su campo magnético giratorio. Según la ley de Faraday, cuando un conductor cerrado corta una línea de inducción magnética, se genera una corriente, la cual a su vez genera un campo electromagnético. En este caso, existen dos campos electromagnéticos: uno es el campo electromagnético del estator, conectado a la corriente alterna externa, y el otro es el campo electromagnético del rotor, generado por el corte de las líneas de inducción electromagnética del estator. Según la ley de Lenz, la corriente inducida siempre se opone a la causa de la corriente inducida, es decir, intenta evitar que los conductores del rotor corten las líneas de inducción magnética del campo magnético giratorio del estator. El resultado es que los conductores del rotor se "sincronizan" con el campo electromagnético giratorio del estator, lo que provoca que el rotor siga el campo magnético giratorio del estator y, finalmente, el motor comience a girar. Durante este proceso, la velocidad de rotación del rotor (n2) y la del estator (n1) están desincronizadas (la diferencia de velocidad es de aproximadamente un 2-6%). Por lo tanto, se denomina motor de CA asíncrono. En cambio, si la velocidad de rotación es la misma, se denomina motor síncrono.
El motor síncrono de imanes permanentes es un tipo de motor de corriente alterna. Su rotor está hecho de acero con imanes permanentes. Cuando el motor está en funcionamiento, el estator se energiza para generar un campo magnético giratorio que impulsa el rotor. La sincronización significa que la velocidad de rotación del rotor durante el funcionamiento en estado estacionario se sincroniza con la velocidad de rotación del campo magnético. Los motores síncronos de imanes permanentes tienen una mayor relación potencia-peso, son más pequeños, más ligeros, tienen un mayor par de salida y un excelente rendimiento de frenado y velocidad límite. Por lo tanto, se han convertido en el motor eléctrico más utilizado en los vehículos eléctricos actuales. Sin embargo, cuando el material del imán permanente se somete a vibraciones, altas temperaturas y sobrecargas de corriente, su permeabilidad magnética puede disminuir o desmagnetizarse, lo que puede reducir el rendimiento del motor. Además, los motores síncronos de imanes permanentes de tierras raras utilizan materiales de tierras raras, y el costo de fabricación no es estable.
En comparación con los motores síncronos de imanes permanentes, los motores asíncronos necesitan absorber energía eléctrica para su funcionamiento, lo que consume energía y reduce su eficiencia. Los motores de imanes permanentes son más caros debido a la incorporación de estos imanes.
Los modelos que eligen motores asíncronos de CA tienden a dar prioridad al rendimiento y aprovechan las ventajas de rendimiento y eficiencia de los motores asíncronos de CA a altas velocidades. El modelo representativo es el primer Model S. Características principales: Cuando el automóvil circula a alta velocidad, puede mantener un funcionamiento a alta velocidad y un uso eficiente de la energía eléctrica, reduciendo el consumo de energía mientras mantiene la máxima potencia de salida;
Los modelos que optan por motores síncronos de imanes permanentes priorizan el consumo de energía y aprovechan el rendimiento y la eficiencia de estos motores a bajas velocidades, lo que los hace idóneos para vehículos pequeños y medianos. Sus características principales son su tamaño compacto, peso ligero y mayor autonomía de la batería. Además, ofrecen una buena regulación de velocidad y mantienen una alta eficiencia ante arranques, paradas, aceleraciones y desaceleraciones repetidas.
Los motores síncronos de imanes permanentes son los predominantes. Según las estadísticas de la "Base de datos mensual de la cadena de la industria de vehículos de nueva energía" publicada por el Instituto de Investigación Industrial Avanzada (GGII), la capacidad instalada nacional de motores de tracción para vehículos de nueva energía entre enero y agosto de 2022 fue de aproximadamente 3,478 millones de unidades, lo que representa un aumento interanual del 101%. De estos, la capacidad instalada de motores síncronos de imanes permanentes fue de 3,329 millones de unidades, un aumento interanual del 106%; la capacidad instalada de motores asíncronos de CA fue de 1,295 millones de unidades, un aumento interanual del 22%.
Los motores síncronos de imanes permanentes se han convertido en los principales motores de tracción en el mercado de los automóviles eléctricos de pasajeros.
A juzgar por la selección de motores para modelos convencionales tanto a nivel nacional como internacional, los vehículos de nueva energía lanzados por empresas nacionales como SAIC Motor, Geely Automobile, Guangzhou Automobile, BAIC Motor y Denza Motors utilizan motores síncronos de imanes permanentes. Estos motores se utilizan principalmente en China. En primer lugar, debido a su buen rendimiento a bajas velocidades y su alta eficiencia de conversión, lo que los hace muy adecuados para condiciones de trabajo complejas con frecuentes arranques y paradas en el tráfico urbano. En segundo lugar, debido a los imanes permanentes de neodimio-hierro-boro (NdFeB) que contienen, los cuales requieren el uso de recursos de tierras raras. China posee el 70% de los recursos mundiales de tierras raras y su producción total de materiales magnéticos NdFeB alcanza el 80% a nivel mundial, lo que impulsa su interés en el uso de motores síncronos de imanes permanentes.
Las empresas extranjeras Tesla y BMW colaboran en el desarrollo de motores síncronos de imanes permanentes y motores asíncronos de corriente alterna. Desde la perspectiva de la estructura de aplicación, el motor síncrono de imanes permanentes es la opción principal para los vehículos de nueva energía.
El costo de los materiales para imanes permanentes representa aproximadamente el 30% del costo de los motores síncronos de imanes permanentes. Las materias primas para la fabricación de estos motores incluyen principalmente neodimio-hierro-boro, láminas de acero al silicio, cobre y aluminio. De estos, el neodimio-hierro-boro se utiliza principalmente para fabricar los imanes permanentes del rotor, con una proporción de costo de aproximadamente el 30%; las láminas de acero al silicio se utilizan principalmente para fabricar núcleos de rotor personalizados, con una proporción de costo de aproximadamente el 20%; el devanado del estator, con una proporción de costo de aproximadamente el 15%; el eje del motor, con una proporción de costo de aproximadamente el 5%; y la carcasa del motor, con una proporción de costo de aproximadamente el 15%.
¿Por qué son?Compresor de aire de tornillo con motores de imanes permanentes OSG¿Más eficiente?
El motor síncrono de imanes permanentes se compone principalmente de estator, rotor y carcasa. Al igual que los motores de CA convencionales, el núcleo del estator tiene una estructura laminada para reducir las pérdidas de hierro debidas a las corrientes parásitas y los efectos de histéresis durante el funcionamiento del motor; los devanados también suelen ser estructuras simétricas trifásicas, aunque la selección de parámetros es bastante diferente. El rotor presenta diversas formas, incluyendo un rotor de imanes permanentes con jaula de ardilla de arranque y un rotor de imanes permanentes puros, ya sea empotrado o montado en superficie. El núcleo del rotor puede ser de estructura sólida o laminada. El rotor está equipado con material magnético permanente, comúnmente denominado imán.
En condiciones normales de funcionamiento, los campos magnéticos del rotor y del estator del motor de imanes permanentes se encuentran en estado síncrono. No se produce corriente inducida en el rotor, ni pérdidas por efecto Joule, histéresis o corrientes parásitas. Por lo tanto, no es necesario considerar el problema de las pérdidas y el calentamiento del rotor. Generalmente, el motor de imanes permanentes se alimenta mediante un convertidor de frecuencia especial y, por lo tanto, cuenta con una función de arranque suave. Además, al ser un motor síncrono, el factor de potencia se ajusta mediante la intensidad de la excitación, lo que permite diseñarlo a un valor específico.
Desde el punto de vista inicial, debido a que el motor de imanes permanentes se arranca mediante una fuente de alimentación de frecuencia variable o un inversor auxiliar, el proceso de arranque del motor de imanes permanentes es muy sencillo; es similar al arranque de un motor de frecuencia variable y evita los defectos de arranque de los motores asíncronos de jaula de ardilla convencionales.
En resumen, la eficiencia y el factor de potencia de los motores de imanes permanentes pueden alcanzar valores muy altos, su estructura es muy simple y el mercado ha experimentado un gran auge en los últimos diez años.
Sin embargo, la pérdida de excitación es un problema inevitable en los motores de imanes permanentes. Cuando la corriente es excesiva o la temperatura es muy alta, la temperatura de los devanados del motor aumenta instantáneamente, la corriente se incrementa bruscamente y los imanes permanentes pierden rápidamente la excitación. En el control del motor de imanes permanentes, se instala un dispositivo de protección contra sobrecorriente para evitar que el devanado del estator se queme, pero la consiguiente pérdida de excitación y la parada del equipo son inevitables.
Fecha de publicación: 12 de diciembre de 2023
