Modelado de motores para la electrificación de vehículos
Hoy en día, hay muchos diseños de motores diferentes disponibles, dirigidos a diferentes mercados. Algunos motores se desarrollan para que sean económicos, otros para que sean eficientes y otros para que sean potentes. Sin embargo, nunca antes ha habido un incentivo tan fuerte para combinar los tres criterios en un solo diseño. La búsqueda de soluciones de energía limpia ha creado una sensación de urgencia; con una nueva generación de vehículos eléctricos en auge y muchos miles de millones de dólares invertidos en el desarrollo de sistemas de transmisión eléctricos, tanto por parte de la industria como de los interesados gubernamentales, existe una gran necesidad de análisis numérico avanzado.
Además, no existe un único diseño que se imponga sobre el resto. Hay al menos un puñado de tipos de motores que podrían reclamar el trono, y sus requisitos difieren según la aplicación particular, ya sea el transporte de mercaderias, el tráfico público o los deportes de motor, por ejemplo. Para llevar el límite aún más lejos, algunas empresas han combinado diferentes tipos de motores, como lo hizo recientemente Koenigsegg Automotive AB (Ängelholm, Suecia) con su motor de "flujo radial". Por último, las industrias aeroespacial y marina también están impulsando soluciones eléctricas. En general, existe un amplio panorama de opciones para explorar para lograr el mejor diseño de motor, y el modelado de motores en 3D será fundamental para su éxito.
Comparación de diseños de motores en 3D
3D extruido
Modelo 3D relativamente simple. Requisitos mínimos de hardware. Coincidencia muy estrecha con los modelos 2D. Ayuda a investigar y validar los conceptos básicos del modelado 3D (figura 2).
3D simétrico
Supone simetría en el punto medio del eje. (La parte delantera y trasera se resuelven secuencialmente). Requisitos de hardware moderados. Método eficaz para investigar los efectos finales y varias configuraciones desvirtuadas (figura 3).
3D de longitud completa
Supone solo simetría de sector. Requisitos de hardware moderados a sustanciales. Más adecuado para diseños complicados (asimetría combinada de rotor y estator) y fenómenos multifísicos (fenómenos físicos acoplados en simulación por computadora) completamente acoplados que pueden romper la simetría. Admite una amplia gama de configuraciones para calibrar modelos 2D (figura 4).
Calibración de modelos de motor 2D
Una vez probados y acondicionados correctamente, los modelos de motor 2D y 2,5D pueden resultar muy útiles, especialmente en el contexto de la optimización de la topología o el barrido de parámetros. Muchos efectos 3D se pueden replicar o aproximar con modelos 2D. Esto se puede hacer para máquinas de flujo radial y, en cierta medida, también para máquinas de flujo axial (figura 5).
Sin embargo, los modelos 2D tienen varios puntos ciegos. Tradicionalmente, se han tenido que calibrar y verificar mediante ciclos de desarrollo de prototipos muy costosos. Los fabricantes consolidados normalmente se han basado en datos que han recopilado durante muchos años, apegándose a diseños familiares. Ahora, con los recientes avances en el desarrollo de hardware y software, los modelos de motor 3D pueden cerrar la brecha, lo que permite una reducción considerable de costos y un desarrollo más rápido del producto.
Un paso preliminar importante es desarrollar confianza en los modelos 3D. Esto se puede hacer analizando casos simples para los que se sabe que la solución 2D es exacta, como un modelo 3D que no es más que una simple extrusión. Estas configuraciones se pueden utilizar para ajustar las mallas 3D y los parámetros del solucionador para encontrar un buen equilibrio entre velocidad de resolución y precisión. La comparación con mediciones también es una opción.
A partir de este punto, el modelo 3D puede adoptar muchas formas (con o sin asimetría, con o sin giros en los extremos, con o sin cortes de segmentación magnética, etc.) y se puede utilizar una comparación entre estas formas para aislar determinados efectos. El siguiente paso es determinar hasta qué punto se pueden replicar en 2D y, si no se pueden, si existe alguna lógica subyacente que se pueda utilizar para aumentar los modelos 2D y reproducir mejor los resultados 3D (y, en última instancia, las mediciones).
Al hacerlo, los modelos 3D son muy útiles para mapear los puntos clave de interés: incluso si no sabemos con precisión qué materiales se van a utilizar o qué condiciones térmicas se van a aplicar, aún podemos investigar qué parámetros de entrada tienen una fuerte influencia en el rendimiento de la máquina y cuáles se pueden ignorar (o se pueden utilizar para ahorrar costos).
Finalmente, es importante tener en cuenta que el motor eléctrico es una máquina multifísica. Por lo tanto, un diseño óptimo también tendrá en cuenta el rendimiento mecánico, acústico y térmico.
Modelado de motores 2D vs. 3D
Históricamente, el modelado de motores 2D ha sido dominante porque ha proporcionado suficiente precisión con muy poco esfuerzo computacional. Sin embargo, en los últimos años, la demanda de resolver completamente los fenómenos 3D ha aumentado. Junto con un software de modelado de motores mejorado y un hardware cada vez más potente, esta demanda abre un mercado completamente nuevo.
El modelado 3D de fidelidad total proporciona información valiosa sobre muchos efectos que de otro modo serían difíciles de cuantificar de manera confiable. Algunos de ellos se pueden replicar en 2D, algunos se pueden aproximar y algunos se pueden compensar. Utilizando el software COMSOL Multiphysics, se ha investigado varios de estos efectos, siendo estos:
Campos electromagnéticos marginales
Reducción de la ondulación del par mediante la inclinación de ranuras del rotor, la inclinación del estator
Fuga de flujo entre ranuras del rotor inclinados por pasos
Corrientes de Foucault en los imanes y el efecto de los cortes de segmentación de imanes para suprimirlas
Efectos resistivos, efectos inductivos y pérdida en las espiras finales
Efectos de proximidad y de superficie dentro y entre las espiras
Singularidades del campo eléctrico que aumentan el riesgo de ruptura electromagnética
Además, hay varios efectos multifísicos a considerar, como los relacionados con la transferencia de calor, la mecánica estructural, la acústica y la dinámica de fluidos.
Un paso hacia el modelado de motores en 3D parece inevitable, pero no debe verse como una solución en sí misma. En la práctica, la mejor estrategia de desarrollo implica una combinación de modelado 2D, modelado 3D y creación de prototipos. Las investigaciones que requieren un gran esfuerzo computacional, como los estudios de optimización topológica, normalmente se seguirán realizando utilizando modelos 2D muy perfeccionados antes de volver a los 3D. En este contexto, los modelos 3D sirven como el eslabón perdido entre los modelos 2D y los prototipos: permiten a los diseñadores obtener una comprensión más profunda de la máquina eléctrica, los ayudan a interpretar mejor las mediciones y calibrar los modelos 2D y, lo más importante, los ayudan a tomar mejores decisiones de diseño.
Motores para vehículos livianos
La movilidad eléctrica liviana, que comprende todos aquellos vehículos con motores eléctricos y potencia entre 4 y 40 kW, de dos o cuatro ruedas, está ganando cada vez más cuota de mercado en la movilidad eléctrica. Esto se debe principalmente a las políticas orientadas al medio ambiente y a la necesidad de soluciones de transporte sostenibles. Las previsiones prevén que el valor de este mercado crezca de 98.200 millones de dólares en 2024 a 268.000 millones de dólares en 2034. Este crecimiento se verá impulsado también por el proceso de fabricación relativamente sencillo y accesible de los motores eléctricos ligeros, en comparación con otras tecnologías. Aunque la producción es, sobre el papel, accesible y sencilla, empezar "desde cero" sigue planteando sus propios retos: principalmente, el conocimiento de qué máquinas se necesitan en cada fase del proceso.
Básicamente, hay cuatro líneas independientes que trabajan en coordinación para fabricar el motor eléctrico:
la línea del estator;
la línea del rotor;
la línea de impregnación;
la línea de montaje.
Cada línea tiene diferentes máquinas para cubrir cada fase del proceso necesaria para ensamblar finalmente el motor eléctrico. Normalmente, los proveedores se especializan en máquinas que se encargan de una o dos fases del proceso como máximo. Esto significa que los fabricantes de motores eléctricos tienen que construir un sistema suministrado por diferentes socios, especializados en diferentes fases de todo el proceso.
Las preocupaciones relacionadas con los desafíos que los nuevos fabricantes potenciales de movilidad eléctrica ligera tienen que afrontar al iniciar un nuevo proyecto de la manera descrita anteriormente podrían detener las inversiones en movilidad eléctrica ligera. Hasta la fecha, esta ha sido la única solución adoptada en Italia porque ningún proveedor ha podido ofrecer una alternativa. Esta situación ha desafiado a los nuevos participantes en el campo de los motores eléctricos de movilidad eléctrica liviana debido a:
- el conocimiento sobre las máquinas necesarias para cada fase de fabricación;
- el conocimiento necesario para construir un sistema con varios socios especializados
- la complejidad de coordinar las diferentes fases.
- A menudo, un motor de nuevo diseño no es fácil de producir en un proceso industrial, lo que obliga al cliente a adoptar soluciones artesanales costosas y que requieren mucho tiempo. La tecnología actual aborda este desafío ofreciendo un servicio de ingeniería simultánea: un estudio de viabilidad que garantiza la compatibilidad del diseño con la producción industrial. Se trata de un análisis fundamental que garantiza que el motor resultante del proceso de producción será coherente con el diseño acordado y, por lo tanto, factible.
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Fuente original: https://www.electricmotorengineering.com/motor-modeling-for-vehicle-electrification
Ricardo Berizzo
Ingeniero Electricista 2024.-
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