Motor síncrono de rotor bobinado utilizado en movilidad eléctrica

 

 

Motor síncrono de rotor bobinado utilizado en movilidad eléctrica

 En el mes de Julio 2022 nos hemos anoticiado que el Grupo Renault inauguró una nueva línea de producción de motores eléctricos “ePT-160kW”en su planta de Cléon, Francia. De esa forma la fábrica se convertirá en un importante centro de fabricación acumulando  una capacidad de producción de 120.000 motores por año.
El motor a fabricar  desarrollado en el marco de la Alianza Renault-Nissan-Mitsubishi  contará con una potencia de 160 kW (218 CV),  se trata de un motor síncrono de rotor bobinado. Una tecnología que el Grupo Renault utiliza desde hace diez años y que ofrece según sus desarrolladores una mayor eficiencia que el motor de imanes permanentes. Además, la ausencia de tierras raras asegura el suministro al tiempo que limita su impacto ambiental y los costos de producción.

 Maquina sincrónica

La máquina sincrónica se ha utilizado principalmente como generador de energía eléctrica en corriente alterna, son, o mejor dicho, fueron contadas las aplicaciones como motor. Es evidente que la implementación de la movilidad eléctrica conlleva desarrollos tecnológicos  tiempo atrás impensados.  

A continuación se expondrá  un resumen de un estudio comparativo entre un  motor sincrónico de imanes permanentes y un motor  sincrónico de rotor bobinado.  EV Traction Wound Field Synchronous Motor, autores, Shigeo Sakurai, Takeshi Suwazono.

En los vehículos eléctricos, la mejora de las eficiencias se requiere especialmente en la región de salida de par bajo donde el motor de tracción funciona con mayor frecuencia.

El motor síncrono de imanes permanentes interiores (IPMSM) se usa ampliamente como motor tractor debido a su alta eficiencia y alto rendimiento. Sin embargo, como se muestra en la figura 1, el punto de rendimiento de máxima eficiencia se encuentra en la región de par de velocidad media.

 

Es difícil para mantener una alta eficiencia en todo el rango de operación, por lo que una solución para este problema es adoptar un motor de flujo rotórico variable que sea capaz de cambiar a un flujo magnético óptimo de acuerdo con la presente región operativa. El  motor  síncrono de rotor bobinado (WFSM)  es óptimo para este caso. La figura 2 muestra un WFSM.

 

El flujo de campo magnético se  controla mediante una corriente continua transportada desde un circuito externo a través de anillos rozantes.

Se comparar dos motores de igual potencia 100 kW, 135 HP.

 

 El IPMSM básico está diseñado para usar un núcleo de rotor donde los imanes permanentes están incrustados en una formación en forma de V.

La figura 3 muestra el sistema de conducción del WFSM. Se utiliza un inversor trifásico para suministrar corriente de armadura del estator mediante un método convencional y corrientes continuas reguladas por un convertidor de CC/CC que se alimentan a los devanados de campo colocados en el rotor.

 

 

Resultados.

 Control de corriente de campo

De la misma manera que para los IPMSM convencionales, la fase de corriente del estator es controlada a un par máximo en las inmediaciones de un valor de par máximo y el control de eficiencia máxima se realiza en otras regiones. Si el voltaje resultante por estos controles excede el nivel límite, entonces se lleva a cabo un control de debilitamiento de flujo.

En el caso del WFSM, además de la corriente de estator, se lleva a cabo un control óptimo de las corrientes de campo. La siguiente figura muestra esta optimización de  corriente. En esta figura, se muestran los cambios en las eficiencias del motor cuando se cambia la corriente de campo, observados en varios puntos de operación en la región de bajo torque.

 

Dado que existe un punto de operación donde la eficiencia se maximiza por el efecto de la corriente de campo, es necesario realizar un control óptimo de la corriente de estator y de la corriente de campo.

 Máximo rendimiento de salida

La figura  muestra las curvas de par máximo cuando las corrientes de estator, las corrientes de campo y las tensiones de CC están limitadas. Se reconoce que tanto IPMSM como WFSM satisfacen el par y la salida máximos especificados.

 

 Eficiencias

La figura muestra un mapa diferencial de eficiencia

 

 Las eficiencias de la unidad general, incluidos el motor y el circuito de control, se calculan para el IPMSM y el WFSM respectivamente. Dado que la pérdida de hierro se reduce por el efecto de la función de campo variable, se mejoran las eficiencias en la región de par bajo de velocidad media y alta.

Por el contrario, las eficiencias empeoran en la región de alto par  y baja velocidad debido a que el efecto de un aumento en las pérdidas de cobre en los devanados de campo se vuelve mayor.

En la región de par medio de alta velocidad, las eficiencias se mejoran en virtud de la reducción de una corriente de campo más débil y el flujo magnético relacionado con los armónicos.

La figura siguiente muestra el contenido de pérdidas para el WFSM y el IPMSM, respectivamente.

 

Las  pérdidas en WFSM e IPMSM se muestran con un par de torsión del 10 % (20 N•m). En el WFSM, se reducen las pérdidas de hierro y las pérdidas de carga dispersa.

 

Conclusiones

Como resultado de la comparación de las características de desempeño entre el WFSM y el IPMSM, se obtiene el siguiente resultado:

.-  En comparación con el IPMSM, las eficiencias del WFSM tienden a empeorar en una región de mayor par y de menor velocidad. A pesar de esto, las eficiencias se mejoran en la región de par bajo en velocidad media y alta. Por esta razón, el WFSM es adecuado para uso frecuente en esta región.

.- Debido al efecto de la reducción del par de reluctancia y la saturación magnética, el volumen del núcleo aumenta en un 7,5 % en comparación con el IPMSM cuando se debe garantizar la misma potencia de salida.

Existen  ventajas sobre el IPMSM en términos de aplicaciones, costo razonable y estable; por lo que es, un candidato interesante como motor de tracción.

 

 

Bibliografia:

 https://evobsession.com/renault-zoe-gets-15-boost-in-rangefrom-new-motor/ S.Sakurai, T. Suwazono, T. Mizuno, K. Nagata, T. Ashikaga:

Performance Comparison Study of Wound Field Synchronous Motor and Interior Permanent Magnet Synchronous Motor,EVS 31 & EVTeC 2018, No.20189411

 

 

Ing. Ricardo Berizzo

Cátedra: Movilidad Eléctrica

U.T.N. Regional Rosario                                                                                                     2022.-