Motores síncronos de excitación eléctrica
Un motor síncrono de excitación eléctrica (EESM) sustituye los imanes permanentes del rotor por un electroimán cuyo campo puede ajustarse mientras el vehículo circula. También se denomina motor síncrono de campo bobinado (WFSM), motor síncrono de rotor bobinado (WRSM) o motor síncrono excitado por corriente.
Cómo funciona
El inversor de tracción suministra corriente trifásica controlada al estator, como en otros motores de tracción de CA. Un circuito de excitación independiente suministra corriente continua a los devanados del rotor. Esa CC crea polos magnéticos que se acoplan al campo giratorio del estator, de modo que el rotor gira en sincronía con él.
En un diseño convencional para automoción, unas escobillas estacionarias tocan anillos rozantes en el eje giratorio para suministrar la corriente de excitación. El conjunto de escobillas es compacto y está encerrado dentro de la unidad de propulsión; no es el conmutador que utiliza un motor de tracción de CC con escobillas. Los excitadores sin escobillas basados en transferencia de potencia inductiva, capacitiva o similar a un transformador son otra vía de diseño, pero añaden componentes y requisitos de control.
El campo del rotor se crea mediante excitación de CC, no añadiendo una resistencia externa a un rotor de inducción bobinado. La velocidad y el par se controlan mediante la corriente del estator, la frecuencia eléctrica, el ángulo de corriente y la corriente de campo del rotor.
Un campo magnético ajustable
Los imanes permanentes suministran un flujo rotórico esencialmente fijo. Un EESM ofrece al controlador otro grado de libertad: la corriente de excitación.
A par elevado, el controlador puede reforzar el campo del rotor dentro de los límites térmicos, magnéticos y del inversor. A baja carga, puede reducir la excitación para no mantener más flujo del que necesita el punto de funcionamiento. A alta velocidad, puede debilitar directamente el campo, reduciendo la fuerza contraelectromotriz sin depender por completo de una corriente estatórica opuesta.
Esta flexibilidad puede ampliar la zona de funcionamiento eficiente y simplificar el debilitamiento de campo a alta velocidad. La mejor combinación de corrientes sigue siendo una optimización del sistema: deben considerarse conjuntamente las pérdidas de cobre del estator, las pérdidas de excitación del rotor, las pérdidas del inversor, la tensión, el par, la velocidad y la temperatura.
Por qué lo eligen los fabricantes
El rotor no necesita imanes permanentes, por lo que el diseño puede evitar los materiales de tierras raras utilizados habitualmente en PMSM de alta densidad de potencia. Esto modifica la exposición a los precios de los imanes y a las cadenas de procesamiento, aunque el motor completo sigue utilizando cantidades considerables de cobre y acero eléctrico.
El flujo controlable resulta útil en una amplia gama de velocidades. Cuando un eje no produce par, la corriente de campo puede reducirse o eliminarse, limitando las pérdidas inducidas magnéticamente. Ante un fallo, el sistema de control también puede retirar la excitación del rotor, aunque la energía magnética almacenada y la tensión inducida deben seguir gestionándose con seguridad.
La arquitectura puede ofrecer alta potencia y funcionamiento estable a alta velocidad. Su ventaja no es un «rendimiento gratuito»: la energía utilizada para excitar el rotor forma parte del cálculo de pérdidas.
Los costes técnicos
La excitación del rotor produce pérdidas de cobre I²R en una pieza giratoria. Ese calor debe atravesar el rotor, el eje, el entrehierro o un conducto interno de refrigerante, y la alimentación de excitación consume una potencia que un imán permanente no necesita.
Las escobillas y los anillos rozantes introducen superficies de desgaste, gestión de residuos, resistencia de contacto y otro posible modo de fallo. Los sistemas para automoción se diseñan como conjuntos sellados de larga duración, no como anillos rozantes industriales sometidos a mantenimiento rutinario, por lo que no puede suponerse un programa de mantenimiento genérico. La durabilidad depende del material de las escobillas, la densidad de corriente, la velocidad del eje, el sellado, la refrigeración, la vibración y el objetivo de diseño del fabricante.
La excitación sin escobillas elimina el contacto eléctrico deslizante, pero añade un transformador giratorio, un acoplador capacitivo u otro hardware de alimentación del campo, además de rectificación y control. Desplaza el compromiso en lugar de eliminarlo.
La densidad de potencia y el coste también dependen del conjunto de excitación, el espacio para los devanados del rotor, la refrigeración y la capacidad nominal del inversor. Un EESM bien diseñado puede competir con solidez frente a las propulsiones de imanes permanentes y de inducción, pero ninguna topología vence en todos los puntos de funcionamiento.
Ejemplos de producción
El eDrive de quinta generación de BMW utiliza motores síncronos excitados por corriente en vehículos como los i4, i5, i7 e iX. BMW afirma que el campo del rotor se produce eléctricamente, lo que permite prescindir de materiales magnéticos de tierras raras en estos motores.
Renault también identifica su tecnología de rotor EESM como una vía sin imanes y la ha desarrollado para múltiples cadenas de tracción eléctricas. No debe suponerse que las implementaciones de ambos fabricantes sean idénticas: devanados, conjunto de escobillas, refrigeración, control, tensión e integración siguen siendo decisiones de diseño propias.
Al comparar vehículos con EESM, los datos útiles incluyen potencia máxima y continua, velocidad máxima, mapa combinado de rendimiento de motor e inversor, método de excitación, refrigeración y si el rendimiento declarado incluye la potencia del campo del rotor.
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