Motores síncronos de imanes permanentes
Un motor síncrono de imanes permanentes (PMSM) lleva un campo magnético persistente en el rotor y sigue el campo giratorio del estator a velocidad síncrona. En un vehículo eléctrico, esta arquitectura puede ofrecer una elevada densidad de par y una amplia zona de alto rendimiento, pero sus detalles importan más que las siglas.
Cómo genera par un PMSM
El inversor suministra corriente trifásica controlada al estator. El campo magnético resultante gira alrededor del entrehierro y arrastra consigo el campo magnético del rotor. En funcionamiento síncrono normal, el rotor y el campo del estator completan el mismo número de revoluciones magnéticas por unidad de tiempo; no existe el deslizamiento de un motor de inducción.
Los imanes pueden montarse cerca de la superficie del rotor o quedar enterrados dentro de sus laminaciones:
- Un motor de imanes permanentes superficiales tiene una geometría magnética relativamente sencilla y baja saliencia del rotor. Retener los imanes frente a la fuerza centrífuga a alta velocidad es una tarea mecánica esencial.
- Un motor de imanes permanentes interiores coloca los imanes detrás de puentes de acero o en barreras de flujo perfiladas. Esto protege los imanes y crea una reluctancia magnética distinta en los ejes directo y en cuadratura del rotor.
Esta diferencia direccional permite que una máquina con imanes interiores produzca par de reluctancia además de par magnético. Muchos motores para automoción descritos como IPMSM, máquinas síncronas de reluctancia asistidas por imanes permanentes o máquinas síncronas de reluctancia con imanes permanentes ocupan terrenos técnicos que se solapan. La denominación por sí sola no revela qué proporción del par procede de cada mecanismo.
Control de corriente, velocidad base y debilitamiento de campo
La posición del rotor debe conocerse o estimarse para que el inversor pueda colocar el campo del estator en el ángulo que produce el par solicitado. Los sistemas de producción suelen utilizar un resolver o sensor de posición, a menudo complementado con una estimación basada en modelos.
El control orientado al campo representa la corriente del estator en dos ejes giratorios. De este modo, las componentes que producen par y las que modifican el flujo pueden controlarse por separado. Por debajo de la velocidad base, el controlador suele buscar un par elevado por amperio respetando los límites de corriente, tensión, temperatura y desmagnetización.
A mayor velocidad, los imanes del rotor generan una fuerza contraelectromotriz creciente. Cuando la tensión disponible del bus de CC se convierte en la limitación, el inversor aplica una componente de corriente que se opone a parte del flujo magnético. Este debilitamiento de campo amplía la velocidad, pero consume capacidad de corriente y añade pérdidas. La saliencia de un rotor con imanes interiores puede ayudar a crear una zona útil de velocidad a potencia constante.
Durante el frenado regenerativo, la corriente solicitada genera un par negativo en el eje y el inversor devuelve potencia eléctrica a la batería dentro de los límites de adherencia y de la batería.
Por qué los PMSM son eficientes y compactos
El campo del rotor no requiere excitación eléctrica continua, por lo que no hay pérdidas en una jaula de inducción ni pérdidas de excitación de un rotor bobinado durante el funcionamiento normal. Unos imanes potentes y un circuito magnético optimizado pueden suministrar un elevado flujo en el entrehierro desde un rotor compacto. Estas propiedades favorecen una alta densidad de par y de potencia.
El rendimiento sigue siendo un mapa de funcionamiento, no un atributo fijo del motor. Las pérdidas de cobre del estator dominan en muchos puntos de alto par; las pérdidas en el hierro, por corrientes de Foucault en los imanes, por ventilación, en los rodamientos, el inversor y los engranajes adquieren importancia en otros puntos. A muy alta velocidad, la corriente de debilitamiento de campo puede modificar sustancialmente el resultado del sistema.
Imanes, temperatura y suministro de materiales
Los motores de tracción de altas prestaciones suelen utilizar imanes de neodimio-hierro-boro por su fuerza magnética. El disprosio, el terbio u otros aditivos pueden emplearse de forma selectiva para conservar la coercitividad a temperatura elevada. Los imanes de samario-cobalto y ferrita son alternativas para determinados objetivos de temperatura, coste o cadena de suministro, pero cada uno cambia los compromisos de tamaño, circuito magnético y control.
Los imanes tienen límites térmicos. Una temperatura excesiva del rotor o un campo magnético adverso pueden provocar una desmagnetización parcial e irreversible. Los ingenieros gestionan este riesgo mediante el grado y la segmentación de los imanes, la geometría del rotor, los límites de corriente y la refrigeración. La extracción de tierras raras, la concentración del procesamiento, la volatilidad de los precios y la fabricación de imanes también influyen en la decisión de arquitectura.
Por tanto, la afirmación «los PMSM requieren tierras raras» es demasiado amplia: los imanes permanentes no tienen que contener elementos de tierras raras. Es más exacto decir que muchos PMSM para automoción de alta densidad de potencia emplean actualmente imanes de tierras raras.
Devanados y fabricación
El estator puede utilizar hilos trenzados o conductores rectangulares conformados. Los devanados de horquilla pueden aumentar el llenado de cobre de las ranuras, mejorar la repetibilidad de fabricación y crear contacto térmico directo, pero los conductores de mayor tamaño pueden sufrir pérdidas adicionales de CA a alta frecuencia eléctrica. El paso del devanado, el número de ranuras y polos, la longitud de las cabezas de bobina, el aislamiento, las uniones y la refrigeración se diseñan conjuntamente con el rotor y el inversor.
La colocación de los imanes es igual de exigente. Los puentes del rotor deben soportar la velocidad máxima al tiempo que limitan las fugas magnéticas. La segmentación de los imanes puede reducir las pérdidas por corrientes de Foucault, y en los diseños de alta velocidad pueden ser necesarios manguitos u otras estructuras de retención.
Marcha libre y ejes secundarios
Un rotor de imanes permanentes en movimiento sigue creando flujo magnético. Por ello produce fuerza contraelectromotriz y pérdidas en el núcleo o los imanes incluso cuando el par solicitado es cero. La fuerza contraelectromotriz por sí sola no implica un gran par de frenado si se impide la corriente de fase, pero la unidad de propulsión inactiva sigue teniendo pérdidas en rodamientos, retenes, engranajes, aceite y elementos electromagnéticos.
Los fabricantes gestionan estas pérdidas mediante el control del inversor, un diseño de motor de bajas pérdidas, un embrague de desacoplamiento o un tipo de motor diferente en el eje secundario. La mejor solución depende del coste, el tiempo de respuesta, la integración y la frecuencia con la que se necesita tracción total.
Lo que no revela la denominación
«PMSM» no especifica si los imanes son superficiales o interiores, su composición, el número de polos, el tipo de devanado, la refrigeración, la velocidad máxima, la zona de debilitamiento de campo, la duración de la potencia máxima ni el mapa de rendimiento. Estas decisiones de diseño determinan cómo se comporta el motor en un vehículo.
El Taycan de Porsche muestra un enfoque de producción: motores síncronos de imanes permanentes, devanados de horquilla en el estator, refrigeración líquida y control por inversor se integran con transmisiones específicas para cada eje. Otros vehículos eléctricos utilizan distintas disposiciones de imanes, métodos de bobinado o sistemas de tracción total con varios tipos de motor. La topología del motor debe interpretarse como una parte del diseño completo de la unidad de propulsión.
Para una explicación detallada del fabricante sobre la construcción compacta de un PMSM, el vídeo técnico existente de Lucid sigue siendo útil:
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