Movilidad eléctrica: cómo funciona el sensor resolver

 

Movilidad eléctrica: cómo funciona el sensor  resolver

Un resolver es un sensor electromecánico rotatorio analógico, utilizado para medir con gran precisión la posición angular y la velocidad de un eje giratorio, comúnmente en servomotores, maquinaria industrial y tracción eléctrica. A diferencia de los encoders digitales, el resolver es extremadamente robusto, funcionando mediante bobinas que operan en ambientes hostiles de alta temperatura, vibración o radiación.

 

   Resolver y encoder son dispositivos importantes para medir la posición angular dentro de los servomotores. Cada uno tiene sus propias ventajas y desventajas, por lo que es importante seleccionar el dispositivo adecuado para la aplicación específica.

En general, los encoders son más precisos y rápidos, mientras que los resolvers son más resistentes a las condiciones adversas.

 

Funcionamiento del resolver

El resolver es un tipo especial de transformador rotatorio que consta de un rotor y un estator cilíndricos. Tanto el rotor como el estator se fabrican con laminaciones multiranura y dos conjuntos de bobinados. Los bobinados se diseñan y distribuyen normalmente en la laminación ranurada con un patrón de paso constante y espiras variables o con un patrón de paso variable y espiras variables. En ambos casos, la distribución de los bobinados sigue un patrón sinusoidal.

 

Los devanados de un resolver de velocidad única generan una curva sinusoidal y una curva cosenoidal completas en una revolución mecánica, mientras que los devanados de un resolver de velocidad múltiple generan múltiples curvas sinusoidales y cosenoidales en una revolución mecánica. Si bien la velocidad única proporciona retroalimentación absoluta y la velocidad múltiple no, esta última ofrece mayor precisión. El número de velocidades disponibles está limitado por el tamaño del resolver. Los dos conjuntos de devanados están ubicados en las láminas a 90 grados entre sí.

 La supervisión y el control electrónico de sistemas mecánicos como motores industriales, servos, robótica y trenes de potencia vehicular son importantes para una mayor eficiencia, fiabilidad y seguridad. Sin embargo, el control efectivo requiere determinar la rotación angular y velocidad con alta precisión, lo cual es un desafío debido al entorno eléctricamente ruidoso e irregular. La solución se encuentra en un resolver compatible con un convertidor de resolver a digital (R/D) preciso y amplificadores operacionales.

 El resolver es un dispositivo electromecánico que convierte el movimiento mecánico en una señal electrónica analógica. Es esencialmente un transformador rotativo con una salida de voltaje de CA que sigue la posición angular del eje. Los dos elementos del resolver son un solo rotor bobinado que gira dentro del estátor fijo. El bobinado primario del resolver reside en el estátor y el bobinado secundario reside en el rotor (Figura 1).

Identificación de los Conductores Un resolver típico de 6 hilos se conecta de la siguiente manera:

Excitación (R1, R2 / Exc+, Exc-): Es el primario. Se conecta a la señal de referencia de alta frecuencia (generalmente CA) desde el drive.

Seno (S1, S3 / Sin+, Sin-): Bobinado secundario. Proporciona la señal de retroalimentación de seno.

Coseno (S2, S4 / Cos+, Cos-): Bobinado secundario. Proporciona la señal de retroalimentación de coseno

La mayoría de los voltajes del resolver están especificados entre 2 voltios RMS y 40 voltios RMS, con frecuencias de 50 hertz (Hz) a 20 kilohertz (kHz). La relación de transformación entre la amplitud de la señal del devanado primario y secundario está entre 0.2 voltios/voltio (V/V) y 1 V/V.

En general, un resolver de alto rendimiento requiere altos voltajes de entrada, que a su vez requieren una electrónica de mayor potencia para cumplir con un rango de salida alto y condiciones de velocidad de respuesta más rápidas. Las precisiones angulares varían de 5 minutos de arco a 0.5 minutos de arco, donde hay 60 minutos de arco en un grado y 60 segundos de arco en un minuto de arco.

En la Figura 1, la excitación del voltaje de referencia de CA (V_R = E₀SIN(wt)) para el devanado del rotor está entre R1 y R2. La magnitud del voltaje inducido en cualquier devanado del estátor es proporcional al seno del ángulo θ, entre el eje de la bobina del rotor y el eje de la bobina del estátor. Con un voltaje de referencia CA del rotor de E₀ sinωt, los voltajes de salida del terminal del estátor son:

R1 – R2 = E₀ sinωt                                                                                Eq. 1

S3 – S1 = T x E₀ sinωt x sin θ                                                               Eq. 2

S2 – S4 = T x E₀ sinωt x sin(θ + 90°) = T x E₀ sinωt x cosθ               Eq. 3

Las dos señales de salida del estator son el ángulo del eje modulado por el seno y el coseno. Una representación gráfica de la señal sinusoidal de excitación, con una amplitud máxima de 90° y 270° y las señales de salida de seno y coseno con una amplitud máxima de 0° y 180° (Figura 2).

 

 Interesante video en:

https://youtu.be/K1175iFX_JE?si=r6IrrEJ8gczkH7Rj

Ejemplo de aplicación en motores del powertrain de  BYD, Renault, Toyota

El resolver, en particular junto con el servocontrolador, es de vital importancia para el motor eléctrico. En términos sencillos, se puede afirmar que el resolver genera la base de datos sobre la cual se determina la posición del servomotor. 

 Se establece una comunicación permanente entre el resolver y el controlador. Gracias al resolver, el servocontrolador conoce la posición y la velocidad del rotor en cada milisegundo. De este modo, el servocontrolador puede accionar el servomotor con precisión. Esto resulta especialmente importante en numerosos procesos que requieren cambios dinámicos de velocidad y posición. Algunas marcas que utilizan resolver en sus motores son:

Vehículos Eléctricos: La mayoría de los vehículos eléctricos actuales de marcas como BYD,Toyota, Tesla, Nissan, Chevrolet y Hyundai emplean motores síncronos de imanes permanentes que requieren resolvers para la retroalimentación de la posición del rotor.

Híbridos (HEV) y Enchufables (PHEV): Vehículos como el Toyota Prius, Ford Fusion Hybrid y otros modelos con motores de tracción eléctrica utilizan resolvers por su alta fiabilidad y resistencia a condiciones extremas de temperatura.

Camiones y Maquinaria Eléctrica: Vehículos pesados que requieren motores eléctricos con un control de precisión y alta robustez utilizan resolvers en lugar de sensores Hall.

 

Ricardo Berizzo

Ingeniero Electricista                                                                                    2026.-

 

 

 

Incidencia de la eficiencia del tipo de motor en la autonomía de un vehículo eléctrico

 

Incidencia de la eficiencia del tipo de motor en la autonomía de un vehículo eléctrico

 Veinte años atrás cuando despuntaba la electrificación masiva de la planta motriz de los vehículos, la tecnología de las baterías de litio era incipiente. Altos valores del costo del Kw-h y relativamente bajas densidades de potencia Kw/kg ó Kw/m3 de las baterías limitaba el alcance de conducción. Entonces la clave para obtener mayor autonomía para un diseño motor – batería dado era que el sistema de motorización (motor + inverter)  fuera lo más eficiente posible, es decir que se aprovechara al máximo la energía disponible en baterías. Para ello, se probaron todo tipo de motores  sin importar el costo del mismo. 

 

En la actualidad la tecnología de las baterías se ha desarrollado de manera sólida y sostenida alcanzando costos en $/kw-h sensiblemente menores y  densidades Kw-h/kg mucho mayores. Por otro lado, se puede decir sin lugar a error, que la motorización comercial quedó circunscripta a motores asincrónicos y sincronicos de imanes permanentes.

 Este artículo pretende establecer cuanto se justifica la utilización de uno u otro tipo de motor para aumentar la autonomía ya que hoy disponemos de una tecnología de baterías de mayores prestaciones.

 Recordamos algunas consideraciones

Los accionamientos de tracción  necesitan operar de la manera más eficiente posible para maximizar la autonomía de conducción de los vehículos. El medio más frecuente para evaluar la eficiencia energética de los vehículos es examinar su rendimiento a través de  ciclos de conducción y de los mapas de eficiencia motor-inverter.

Un ciclo de conducción es un perfil representativo de la velocidad del vehículo en función del tiempo bajo diferentes circunstancias, que representa una forma típica de conducir en una ciudad y/o autopista. Estos ciclos de manejo tienen una gran importancia, entre otros fines, para planear adecuadamente el desarrollo de alguna ciudad, en el desarrollo de tecnología para los nuevos automóviles, en la validación de modelos que predicen el comportamiento de los vehículos en la vía pública y rutas.

Un mapa de eficiencia de una máquina eléctrica/controlador describe las diferentes curvas o zonas de eficiencia. La misma se obtiene en función de los parámetros constructivos del motor, principalmente. La eficiencia de las máquinas eléctricas es normalmente inferior a la del  inversor y muestra una mayor variabilidad con el punto de funcionamiento y el tipo de máquina.

La figura siguiente muestra las múltiples  razones por las cuales la eficiencia no es constante en una máquina de tracción. La frecuencia de alimentación y la velocidad de rotación modifica de manera sustancial las pérdidas y con ello el rendimiento.

 

 Con  un programa de computación adecuado es posible aplicar el modelo matemático de la maquina eléctrica/controlador para realizar una simulación digital del comportamiento del sistema ante determinadas condiciones de operación. Entonces se realizan las simulaciones en Matlab, Scilab u otro programa para conocer la potencia P, el par T, la velocidad angular ω  requeridas al motor eléctrico a partir de un rango de solicitaciones.

 Del mapeo de los puntos de operación del motor en función del ciclo de conducción se obtienen datos que deben compararse cuidadosamente con el mapa de eficiencia del motor. De manera de  cotejar en que región el  motor  opera con más frecuencia (dato que se obtiene del gráfico, puntos de operación de acuerdo al ciclo de conducción) y cuál es  la eficiencia en esos puntos (datos que se obtienen de  las curvas de eficiencia motor-controlador). En consecuencia, para mejorar la eficiencia de un vehículo para un determinado ciclo de conducción, la máxima eficiencia del motor debe diseñarse para cubrir su área de trabajo habitual.

 

Eficiencia y costo de motores

Motor trifásico de inducción. Características

Presenta pérdidas adicionales en el rotor debido a las corrientes inducidas. Su eficiencia disminuye más cuando trabaja con baja carga mecánica (baja velocidad). Eficiencia típica Máxima: 94–96 %  -  Promedio durante la conducción: 88–91 %

 

Motor síncrono de imanes permanentes. Características

Tiene mayor par por kilogramo de masa. Mantiene una eficiencia elevada en un amplio rango de velocidades y cargas. Eficiencia típica Máxima: 96–98 %  -  Promedio durante la conducción: 93–96 %

 En términos generales, el motor síncrono de imanes permanentes ofrece una eficiencia promedio entre 3 y 5 puntos porcentuales superior a la de un motor de inducción equivalente, especialmente en condiciones de conducción urbana y cargas parciales.

 Costo

 Tomemos como ejemplo un motor de 100 kW (≈134 HP) de potencia:

 ¿Por qué el sincronico de imanes permanentes es más costoso?

Justamente por los imanes, ellos son de neodimio-hierro-boro (NdFeB). Algunos diseños también se utilizan disprosio o terbio para mejorar el desempeño a altas temperaturas. El estator de ambos motores (Sincro – Asincro) son similares.

Estos materiales son onerosos y su precio depende del mercado de las tierras raras.

En cambio, el motor de inducción  no utiliza imanes, su rotor es una "jaula de ardilla" de aluminio o cobre, mucho más económica de fabricar pero requiere una mayor corriente para producir el mismo par.

 

Análisis entre la eficiencia de la motorización y la autonomía

Para calcular la autonomía estimada del vehículo, primero debemos proyectar cuánta de la energía almacenada en la batería llega finalmente a las ruedas a través de cada tipo de motor. A continuación, realizaremos el cálculo utilizando, por ejemplo, una batería de 60 Kw-h bajo un ciclo de conducción promedio (combinación de ciudad y autopista).

 Previamente fijamos los valores de las siguientes variables:

Datos de diseño y prueba

Capacidad de la batería: 60  kWh (Capacidad neta útil)

Demanda de potencia promedio en las ruedas: 15  kW (Consumo típico para mantener un auto mediano a velocidad constante en ciclo mixto).

Velocidad promedio del ciclo: 60  km/h.

Eficiencia combinada de los otros componentes:

Batería    ηbat: 95%

Inversor  ηinv: 97%

Transmisión/Reductor   ηtrans: 97%

Eficiencia  combinada: 0.95 * 0.97 * 0.97  = 89.38

 

A: Motor Asincrónico de Inducción (ASM)

Eficiencia promedio del motor (ciclo mixto): 88 % (Debido a mayores pérdidas por disipación de calor en entornos urbanos de paradas y arranques).

 .- Calculo de la eficiencia global del tren motriz

ηglobal asm =0.8938 * 0.88=0.7865  es decir 78.65%

 .- Calculo de la energía real disponible en las ruedas

Energía ruedas =  60 kWh * 0.7865= 47.19  kWh

 .- Calculo del tiempo de conducción y la autonomía

Tiempo de viaje = 47.19  kWh / 15 kW =  3.146 hs

Autonomía ASM = 3.146 h  *  60  km/h  =  188.8  km

 

B: Motor Sincrónico de Imanes Permanentes (PMSM)

Eficiencia promedio del motor (ciclo mixto): 94 % (Mantiene un rendimiento óptimo principalmente a bajas velocidades).

 .- Calculo de  la eficiencia global del tren motriz

 ηPMSM = 0.8938 *  0.94 = 0.8402   es decir  84.02%

 .- Calculo de la energía real disponible en las ruedas

Energía ruedas =  60 kWh *  0.8402 =  50.41  kWh

 .- Calculo del tiempo de conducción y la autonomía

Tiempo de  viaje = 50.41  kWh / 15  kW = 3.361 horas

Autonomía PMSM = 3.361 h  *  60 km/h  =  201.7  km

 

  Con exactamente la misma batería de 60 kWh, el motor de imanes permanentes (PMSM) alcanza casi 13 kilómetros extra de autonomía en este ciclo mixto. Esto explica por qué la mayoría de los vehículos eléctricos modernos enfocados en la eficiencia urbana eligen la tecnología PMSM, mientras que los motores asincrónicos a menudo se reservan como un segundo motor para altas velocidades o tracción integral temporal.

  Comparación económica aproximada

El precio estimado en el mercado mayorista y de conversión para motores de vehículos eléctricos con una potencia de 60 kW nominales, por ejemplo, varía según la tecnología:

 •          Motor Síncrono de Imanes Permanentes (PMSM): Su rango aproximado oscila entre u$s 1,500  y  u$s 3,500  solo por el motor, o entre u$s 2,500  y  u$s 4,500  si se adquiere en un kit que incluye su respectivo inversor/controlador.

 •          Motor Asincrónico (ASM): Su rango estimado es inferior, situándose entre      u$s 900  y  u$s  2,200 por el motor solo, y aproximadamente de u$s 1,800  a  u$s 3,200 con el kit de control.

 De todo este análisis teórico tenemos que existe una diferencia de autonomía de 12,9 Km  entre motores y una diferencia de costo entre los mismos,  promedio, de 1000 u$s.

Con 1000 u$s se pueden adquirir aproximadamente entre 6.5 kWh y 9 kWh de baterías de litio a precios actuales de mercado internacional. El costo promedio global de las celdas y paquetes de litio ronda los $108 a $151 dólares por kWh, aunque los equipos armados y con BMS integrado varían según el formato. Y con una batería de 6.5 kWh se puede recorrer aproximadamente 50 - 60 Km, mientras que con 9 kWh se obtienen  entre 90 - 100 km, dependiendo de cómo se conduzca.

 

 Conclusión

Hoy en día, por los valores y las ofertas tecnológicas del mercado que se maneja, la transformación de vehículo de combustión a eléctrico necesita de una evaluación no solo técnica sino  también económica, afinada. Por otro lado, y esta es una opinión propia que no necesariamente debe ser compartida, el motor asincrónico es de una sencillez insuperable que puede ayudar a bajar su costo por sobre otro tipo de motores.

Compensando su menor eficiencia con apenas un poco más de batería (Kwh), para la misma autonomía.

 

Ricardo Berizzo

Ingeniero Electricista                                                                                    2026.-

 

Un nuevo motor de alta eficiencia fabricado con acero amorfo

 

Un nuevo motor de alta eficiencia fabricado con acero amorfo

 

Horse Powertrain (empresa conjunta dedicada a la producción de sistemas de propulsión de automóviles, incluidos motores de combustión interna y sistemas híbridos. El holding se creó en mayo de 2024 y es propiedad a partes iguales de Renault y Geely (con sede en Londres) ha presentado un nuevo motor de transmisión híbrido específico que, según la compañía, alcanza una eficiencia máxima del 98,2 %. 

 Denominado Motor Amorfo, este motor ofrece 140 kW y 360 Nm, y utiliza un estator de aleación de acero amorfo para reducir las pérdidas por efecto Joule y mejorar la conversión energética general. Horse afirma que esta tecnología puede contribuir a una reducción del 1 % en el consumo total de combustible y energía del vehículo en aplicaciones híbridas.

 La principal innovación reside en el material del estator. En lugar de las laminaciones de acero eléctrico convencionales, HORSE utiliza acero amorfo, una aleación magnética blanda con pérdidas en el núcleo muy bajas. En este motor, las capas del estator tienen tan solo 0,025 mm de espesor, aproximadamente una décima parte del espesor de las utilizadas en los motores tradicionales. Según la empresa, esto ayuda a reducir las pérdidas de hierro del estator en un 50 % en comparación con diseños equivalentes.

 

Que es el acero amorfo

El acero amorfo, también conocido como vidrio metálico, es un material metálico sólido con una estructura atómica desordenada. A diferencia de los metales convencionales, que tienen una estructura cristalina (átomos organizados en una red repetitiva), los átomos del acero amorfo están distribuidos de forma aleatoria, similar a la de un líquido pero en estado sólido. Este desorden atómico le otorga características físicas excepcionales que lo diferencian del acero estándar.

 Sus propiedades principales son:

    Alta eficiencia magnética: Posee una permeabilidad magnética muy alta, lo que permite que se magnetice y desmagnetice con pérdidas mínimas de energía.

    Resistencia y dureza: Es significativamente más duro y resistente a la deformación que el acero convencional. Algunas aleaciones amorfas pueden ser hasta tres veces más fuertes.

    Resistencia a la corrosión: Al no tener límites de grano (puntos débiles donde suele iniciar la oxidación), es mucho más duradero en entornos hostiles.

    Elasticidad: Puede absorber y devolver energía de manera más eficiente que los metales cristalinos.

 

Debido a sus propiedades, se utiliza en sectores tecnológicos avanzados, dentro de las aplicaciones destacadas  se puede enumerar:

     Transformadores eléctricos: Es su uso más común. Los núcleos de acero amorfo reducen drásticamente las pérdidas de energía por calor, mejorando la eficiencia de las redes eléctricas.

    Motores de alta eficiencia: Se emplea en motores eléctricos modernos para alcanzar rendimientos cercanos al 98%.

    Dispositivos médicos: Se fabrican bisturís de metal amorfo que son más afilados y duraderos que los de acero inoxidable o diamante.

    Electrónica y deportes: Se usa en carcasas de dispositivos móviles de alta gama y en componentes deportivos (como palos de golf o puentes de guitarras) por su resistencia e inercia acústica.

 

¿Cómo se fabrica?

Para obtener esta estructura, el metal fundido debe enfriarse a una velocidad extremadamente rápida (cientos o miles de grados por segundo). Esto impide que los átomos tengan tiempo de organizarse en una red cristalina, "congelando" su estructura desordenada.

 

 Mejoras sobre un motor

Desde una perspectiva de ingeniería, esto es importante porque las pérdidas de hierro del estator son uno de los principales límites de eficiencia en los sistemas de propulsión electrificados, especialmente a frecuencias de conmutación más altas y en amplios rangos de operación. Las aleaciones amorfas son atractivas porque su estructura no cristalina reduce las pérdidas por histéresis y corrientes parásitas. Proterial, especialista en materiales magnéticos amorfos, afirma que los núcleos de aleación amorfa pueden reducir las pérdidas de hierro a entre un tercio y un quinto de las del acero al silicio convencional en aplicaciones adecuadas.

 Lo que hace que el anuncio de Horse sea especialmente relevante es su aplicación objetivo. No se trata de un prototipo de laboratorio, sino de un motor de transmisión híbrido destinado a vehículos híbridos eléctricos (HEV), híbridos enchufables (PHEV) y vehículos eléctricos de autonomía extendida (EV). Esto hace que el desarrollo sea significativo para los fabricantes de equipos originales (OEM) que aún invierten en arquitecturas electrificadas de combustión de alta eficiencia, donde incluso pequeñas mejoras en la eficiencia del motor pueden optimizar el consumo de combustible, el rendimiento de emisiones y la gestión térmica. Horse posiciona explícitamente el motor como una solución para la próxima generación de sistemas de propulsión híbridos de bajas emisiones.

 La relevancia técnica radica en que esta innovación proviene de la ingeniería de materiales, más que de un cambio radical en la topología del motor. El principio electromagnético sigue siendo conocido, pero el uso de acero amorfo en el estator resuelve uno de los canales de pérdida más difíciles en las máquinas eléctricas. Si HORSE logra industrializar el material y el proceso de fabricación a gran escala, el Motor Amorfo podría representar un importante avance en la evolución de los sistemas de propulsión híbrida de alta eficiencia.

Un desafío persistente con los estatores amorfos ha sido la complejidad de su fabricación, un problema que fuentes de la industria han señalado durante años a pesar del potencial de bajas pérdidas comprobado del material.

 

Documento base:   A new high-efficiency motor made from amorphous steel                                         Por: Lara Morandotti  para   https://www.electricmotorengineering.com/

 Ricardo Berizzo

Ingeniero Electricista                                                                      2026.-