Refrigeración de los motores eléctricos en los vehículos eléctricos
Un motor de tracción de un vehículo eléctrico puede ser muy eficiente y, aun así, generar varios kilovatios de calor cuando entrega una potencia elevada. La refrigeración determina durante cuánto tiempo la unidad de propulsión puede mantener el par y la potencia sin superar los límites de sus devanados, imanes, rotor, rodamientos, lubricante, inversor o juntas.
De dónde procede el calor
La corriente que atraviesa los devanados del estator provoca pérdidas en el cobre proporcionales al cuadrado de la corriente y a la resistencia del devanado. El acero eléctrico añade pérdidas por histéresis y por corrientes de Foucault a medida que cambia su campo magnético. Los imanes permanentes y otras piezas conductoras del rotor pueden desarrollar corrientes de Foucault, mientras que una jaula de inducción o un rotor de excitación eléctrica tiene sus propias pérdidas resistivas.
Los rodamientos, las juntas, los engranajes, las bombas de aceite, la agitación del aceite y el rozamiento con el aire añaden pérdidas mecánicas. El inversor genera por separado calor en los semiconductores y componentes pasivos, a menudo junto al motor en una unidad de propulsión integrada.
La distribución de las pérdidas cambia a lo largo del mapa de velocidad y par. Una corriente elevada hace que el calor de los devanados predomine en muchos puntos de baja velocidad y alto par. Las pérdidas en el hierro y los imanes, las debidas al rozamiento con el aire y a la conmutación, y las pérdidas mecánicas cobran más importancia a medida que aumentan la frecuencia eléctrica y la velocidad de giro.
La potencia máxima no es potencia continua
La masa térmica del motor puede absorber una breve descarga de calor y permitir así la potencia máxima durante la aceleración. Para entregar potencia continua, el sistema de refrigeración debe evacuar el calor con la misma rapidez con la que lo produce la unidad de propulsión bajo unas condiciones definidas de refrigerante, temperatura del aire y velocidad.
Cuando las temperaturas estimadas se acercan a un límite, el software de control reduce la corriente o la potencia. Esta reducción térmica protege el aislamiento de los devanados, la coercitividad de los imanes, las estructuras del rotor, la electrónica de potencia, el lubricante y los rodamientos. Por tanto, dos vehículos eléctricos con la misma potencia máxima en kilovatios pueden comportarse de forma distinta durante aceleraciones repetidas, a alta velocidad sostenida, en ascensos, al remolcar, en circuito o con temperaturas elevadas.
Los sensores de temperatura no pueden cubrir todos los puntos calientes. Los controladores combinan las mediciones con modelos térmicos que estiman las temperaturas del devanado, el rotor, los imanes y las uniones de los semiconductores. Un modelo conservador deja rendimiento sin aprovechar; uno optimista entraña el riesgo de acelerar el envejecimiento o provocar una avería.
Refrigeración por aire y de la carcasa
La refrigeración por aire extrae calor de la carcasa del motor mediante un flujo de aire natural o impulsado por un ventilador. Es sencilla y evita las tuberías de líquido, pero la capacidad del aire para transferir calor es limitada. Resulta más adecuada para máquinas de menor potencia, motores auxiliares o ciclos de trabajo con una carga continua moderada que para una unidad de tracción compacta y de altas prestaciones.
El paso siguiente habitual es una camisa de agua y glicol alrededor de la carcasa del estator. El refrigerante circula por conductos fundidos o mecanizados y transfiere el calor a un radiador o a otro circuito térmico del vehículo. Esta solución consolidada mantiene el fluido conductor fuera de la cavidad eléctrica.
Su punto débil es el recorrido térmico. El calor del cobre debe atravesar el aislamiento, el material de impregnación, las laminaciones del estator, las interfaces de la carcasa y la pared de la camisa. Mejorar el contacto y la conductividad de los materiales puede ayudar, pero la camisa exterior sigue estando físicamente separada de los puntos calientes del devanado.
Refrigeración por aceite cerca de la fuente de calor
Un aceite compatible con los componentes eléctricos puede pulverizarse sobre las cabezas de bobina, dirigirse por conductos del estator, circular por un eje hueco o utilizarse para refrigerar el rotor y los rodamientos. Una unidad de propulsión puede emplear el mismo fluido base para lubricar los engranajes y refrigerar el motor, con bombas, surtidores, recuperación, filtrado y un intercambiador de calor entre refrigerante y aceite para controlar el circuito.
El aceite próximo al cobre acorta el recorrido térmico y puede aumentar la densidad de corriente continua admisible. La refrigeración por aceite del rotor es especialmente útil cuando este genera una cantidad considerable de calor o cuando la temperatura de los imanes es crítica.
La refrigeración directa por aceite también introduce resistencia viscosa, consumo de las bombas y exigencias relacionadas con la aireación, el filtrado, las juntas y la compatibilidad de los materiales. El flujo debe llegar a todas las zonas calientes sin inundar piezas que generen pérdidas excesivas por agitación. Las propiedades eléctricas del aceite y su envejecimiento deben mantenerse dentro de límites aceptables durante toda la vida útil.
Refrigeración directa de los devanados y las ranuras
La refrigeración directa de los devanados coloca un intercambiador de calor o un conducto de refrigerante en contacto inmediato con el conductor, o muy cerca de él. Entre los distintos conceptos figuran intercambiadores de calor dentro de las ranuras, aceite que circula por canales de ranura sellados, elementos refrigerantes conductores junto al devanado y conductores huecos que transportan refrigerante por su interior.
Estos métodos evitan parte de la resistencia térmica del aislamiento y del núcleo del estator. La investigación y los prototipos muestran un gran potencial para aumentar la densidad de corriente y la densidad de potencia del motor, pero amplían el ámbito de la ingeniería: el aislamiento eléctrico, la caída de presión, el equilibrio del flujo, la corrosión, la detección de fugas, las uniones, las tolerancias de fabricación y la reparación pasan a formar parte del diseño del devanado.
Los conductores huecos ofrecen el recorrido más corto entre el calor del cobre y el refrigerante, pero sacrifican parte de la sección conductora y requieren conexiones de fluido fiables para cada trayectoria paralela. Deben considerarse una arquitectura avanzada, no una característica habitual de los vehículos eléctricos de pasajeros actuales.
Refrigeración del rotor y el eje
Un rotor de inducción genera pérdidas en la jaula, un rotor de excitación eléctrica genera pérdidas en el devanado de campo y los imanes permanentes pueden necesitar protección frente al calor y las pérdidas por corrientes de Foucault. La refrigeración puede llegar al rotor mediante aceite en el entrehierro, surtidores internos, un eje hueco o por conducción a través del eje y los rodamientos.
Introducir refrigerante en un conjunto giratorio añade requisitos de comportamiento del flujo centrífugo, juntas rotativas, equilibrado, presión y fatiga. El beneficio térmico debe justificar esos costes mecánicos y de fiabilidad.
Gestión térmica integrada de la unidad de propulsión
El motor, el inversor, la caja de cambios y el diferencial funcionan mejor a temperaturas distintas y utilizan fluidos diferentes. Un eje eléctrico compacto puede combinar un circuito de agua y glicol para la carcasa del estator y el inversor con un circuito de aceite para los engranajes, los rodamientos, el rotor y los devanados. Un intercambiador de calor conecta ambos circuitos sin mezclar los fluidos.
La integración acorta el cableado y reduce las necesidades de espacio, pero también acopla las fuentes de calor. El aceite caliente puede afectar a la eficiencia de los engranajes de manera distinta que a los devanados del motor, mientras que el inversor puede necesitar una temperatura del refrigerante inferior a la de la carcasa del motor. Las bombas, válvulas, derivaciones y el software dirigen el calor según las necesidades durante el calentamiento, la conducción, la carga y las situaciones de alta demanda.
El propio sistema de refrigeración consume energía. Al comparar diseños deben incluirse el consumo de las bombas y los ventiladores, así como el rozamiento del aceite. La refrigeración máxima en todo momento rara vez es la solución más eficiente; un caudal variable debe proporcionar la evacuación de calor que exija el ciclo de trabajo en ese momento.
Fiabilidad y mantenimiento
La refrigeración avanzada traslada parte del riesgo de la temperatura a las tuberías y los materiales. Los ingenieros deben tener en cuenta la vida útil de las juntas, la porosidad de las mangueras y las piezas fundidas, la corrosión galvánica, la conductividad del refrigerante, la oxidación del aceite, la obstrucción de los filtros, los residuos, el desgaste de las bombas, la protección contra la congelación, los daños por colisión y la detección de fugas.
Un motor con refrigeración directa puede producir más potencia continua con menos material activo, pero el mantenimiento puede resultar más complejo si el devanado, el rotor y el circuito de aceite forman un conjunto inseparable. Las pruebas de durabilidad deben abarcar los ciclos de presión y temperatura, las vibraciones, el exceso de velocidad, la contaminación y la interacción química entre el fluido, el aislamiento, los adhesivos, los imanes y las juntas.
Qué pueden deducir los conductores
La mayoría de las especificaciones de los vehículos eléctricos no publican el caudal de refrigerante, la temperatura de los devanados ni una potencia continua del motor. Las pruebas repetibles de aceleración, el comportamiento a alta velocidad sostenida, los límites de remolque y las indicaciones para el uso en circuito pueden revelar parte de la estrategia térmica, pero no permiten aislar la refrigeración del motor de los límites de la batería y el inversor.
Los datos más útiles del fabricante indicarían la duración de la potencia máxima, la potencia continua a unas temperaturas definidas del refrigerante y del ambiente, la velocidad máxima del motor, el método de refrigeración y si la potencia nominal corresponde solo al motor o a la unidad de propulsión completa.
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