Motor
asíncrono para tracción eléctrica con
rotor de cobre y acero especial
El 19 de julio de 2006 se dio a
conocer oficialmente al público en Santa Mónica (California) el Tesla Roadster, un automóvil deportivo totalmente eléctrico,
el primer modelo producido por Tesla Motors.
Se podría decir que marcó la
presentación “oficial” de un nuevo tipo de motorización acorde a la
problemática de los tiempos actuales coincidiendo, no por casualidad, con el
inicio del tercer milenio. Dicho vehículo fue y es un despliegue de tecnología
sobre ruedas, mucho más de lo que se ve a simple vista. Su motor asincrónico se presentó con
las siguientes características: 3 fases y 4 polos
- Potencia neta máxima: 248 CV
(185 kW) - Max r.p.m.: 14000 Par máximo, 270 Nm desde 0-6000 rpm - Eficiencia:
90% promedio.
En el presente documento vamos a
investigar la importancia de utilizar otros materiales en la construcción de un
motor para tracción.
Para ello se hará referencia a un
estudio realizado por la Universidad de L'Aquila (Italia)
y tres empresas que han colaborado:
- ThyssenKrupp ES Acciai Speciali
Terni, Italia, líder europeo en la producción de aceros eléctricos para
aplicaciones electromecánicas.
- LAFERT S.p.A., fabricante de motores de inducción.
- FAVI (Fonderie et Atelier du Vimeu),Francia,
empresa especializada en la fundición a presión de aleaciones de cobre.
El objetivo del proyecto es el
análisis y la construcción de varios prototipos de motores de inducción
utilizando soluciones tecnológicas innovadoras, con el fin de:
- definir los procedimientos de diseño
y estrategias;
- verificar las mejoras de eficiencia
reales;
- verificar la disposición de los
motores con respecto al Sistema Europeo de Clasificación.
El análisis se refiere a motores
industriales de inducción trifásicos de baja tensión, 4 polos, 50 Hz, 400
V, en el rango de potencia de 0,75 a 22
kW.
El programa de investigación propuesto
se subdividió en cuatro pasos de estudios de mayor eficiencia de los cuales en
esta oportunidad solo trataremos los resultados relacionados con el primer paso
del proyecto, cuando se ha utilizado una jaula de rotor de acero premium y
cobre en lugar de una jaula estándar de acero y aluminio.
Consideraciones sobre motores:
Hay dos
tipos principales de acero (hierro-silicio) eléctrico: con grano orientado y no
orientado. Los aceros eléctricos de grano orientado normalmente tienen un nivel
de 3% de silicio. Es procesado de tal manera que las propiedades óptimas se
desarrollan en la dirección de la laminación.
El acero
eléctrico no orientado por lo general tiene un nivel de silicio de 2 a 3,5% y
tiene propiedades magnéticas isotrópicas, esto es, similares en todas las
direcciones, por lo cual es menos costoso y es apropiado para su utilización en
máquinas eléctricas rotantes.
Hoy en día
se utiliza cada vez con más frecuencia laminaciones de material hierro-cobalto,
que se caracterizan por mejores rendimientos en el comportamiento
electromagnético, rango de uso más amplio antes de la saturación y cifras de
bajas pérdidas.
Las pérdidas de hierro también se reducen cuanto más
disminuimos el espesor de estas laminaciones, más reducimos las pérdidas por corrientes
de Foucault. La tendencia que prevalece hoy en día es tener laminaciones en
torno a 0,2 mm.
Ranura del rotor: La geometría de la
ranura del rotor afecta directamente sobre los valores
de inductancia y resistencia rotóricas. Tradicionalmente, el diseño de dicha
geometría ha marcado las características de funcionamiento y por tanto su aplicación. Para
motores de tracción es recomendable emplear una geometría de ranura que presente
baja resistencia para trabajar en deslizamientos nominales bajos, y por tanto
lograr buena eficiencia y, además, que presente inductancia relativamente baja
para incrementar el par máximo a altas velocidades.
El tipo de
ranura que se emplea en los diferentes diseños es la denominada ranura
trapezoidal semi-abierta. Esta geometría de ranura permite que el diente tenga
anchura constante y, por tanto, el nivel de densidad de campo magnético a lo
largo de los dientes de rotor sea también constante.
Material de la jaula de ardilla: Los
materiales comúnmente empleados para la
fabricación
de jaulas son el aluminio 99,5 y el cobre. Los rotores, al no tener grandes
dimensiones geométricas, se pueden fabricar por inyección de aluminio fundido
de manera fácil y económica. Por tanto,
este suele ser el proceso escogido para una producción seriada, a no ser que el
motor tenga una exigencia muy grande, como es el caso de tracción, donde cabe la posibilidad de que se
utilicen barras de cobre. El empleo de las barras de cobre permite, o mejorar
el rendimiento, o bien reducir el volumen frente al empleo de aluminio. Por otro
lado, es bien sabido que la incorporación de cobre para las barras del rotor y los
anillos de los extremos en lugar del aluminio daría lugar a atractivas mejoras
en la eficiencia energética del motor dado que las pérdidas en el rotor se
reducen.
El punto de
fusión de las aleaciones de aluminio está en el rango de 670 ° C. La construcción
del rotor de cobre fundido no difiere significativamente del aluminio y, en
esencia, los detalles de fabricación son idénticos. Los desafíos de fabricación
adicionales son el aumento de las temperaturas y presiones necesarias, para el
cobre que
funde a 1083 ° C. La
integridad y fiabilidad del cobre fundido a presión es tan buena como la del
aluminio.
Desarrollo y resultados:
Se eligieron tres motores como “motores de referencia”: son
motores comerciales con jaula de rotor de aluminio y acero eléctrico estándar;
dos motores de 3 y 7,5
kW que pertenecen a la clase de baja eficiencia Eff3,
el tercero de 15 kW pertenece a la clase
eficiencia media Eff2.
(Las clases de eficiencia disponibles en
el momento de la prueba (EFF1, EFF2, EFF3) en la Unión Europea fueron posteriormente reemplazada por la norma IEC
60034-30 que define las nuevas clases de eficiencia en todo el mundo)
Sobre la base de análisis preliminares y la dureza del
material, se eligió el acero de alta
permeabilidad 5350H (como acero premiun), el cual representa un muy buen
compromiso entre pérdida específica y permeabilidad.
El acero eléctrico 5350H se puede
definir como “Acero premium” porque combina bajas pérdidas específicas (3,5 W /
kg respecto
a
5,5
del
8050) con alta permeabilidad.
A partir de los motores ensayados y los resultados correspondientes han
permitido iniciar el siguiente paso en cuanto a la construcción de los
prototipos según las siguientes combinaciones, para cada potencia:
a) acero estándar 8050 y jaula de aluminio
b) acero estándar 8050 y jaula de cobre;
c) acero premium
5350H y jaula de cobre.
Las comparaciones entre los motores a) y b) permiten
evaluar las mejoras alcanzables solo con rotores de cobre.
Los resultados del motor c) muestran los efectos del acero
premium con respecto al acero estándar (en comparación con los motores b) y las
mejoras con respecto al motor estándar (en comparación con los motores a)).
La Tabla 2 presenta las principales
dimensiones y pesos de los motores ensayados mientras que la figura 3 muestra
una vista de los rotores de cobre.
Para realizar el ensayo se aplicó la
Norma CSA (Canadian
Standards Association) C390-98:"Método
para determinar rendimiento energético de motores de inducción trifásicos”. Esta
Norma es equivalente a la reconocida Norma IEEE 112-1996
Los métodos IEEE y CSA son pruebas de eficiencia de potencia de entrada
frente a salida, según la cual se separan las pérdidas en cinco categorías:
perdidas en el hierro, resistencia del
estator, resistencia del rotor, fricción y ventilación (F&W) y pérdidas por
carga parásita (SLL). Los primeros cuatro se miden directamente y el resto es
la categoría de "carga perdida".
La Tabla 3 muestra los resultados de motores probados de 3 kW. La sustitución de cobre por aluminio directamente logró el
75% del ahorro total en pérdidas del rotor y participó indirectamente en el
ahorro del otro 25% en pérdidas de resistencia del estator. Las pérdidas del rotor I2R se
redujeron en un 46% y la eficiencia resultó 2,1 puntos porcentuales más alta.
El acero de primera calidad como
material magnético estuvo involucrado ganando aproximadamente medio punto en
eficiencia. Ahorrando en hierro las pérdidas se compensan parcialmente por el
aumento de las pérdidas del devanado del estator, como consecuencia del aumento
de la corriente de magnetización. En
el caso del motor de 3 kW, el rotor de cobre y la adopción de acero premium ha
permitido pasar a la clase Eff2.
En la Tabla 4
se observa que el aumento de temperatura del
devanado del estator ΔTSW se redujo en 4 ° C con jaula de cobre y en 16 ° C con
acero premium y jaula de cobre, en comparación con el motor comercial. Ese es
un detalle muy importante porque el aumento de temperatura es significativo en el
límite de potencia y
durabilidad del
motor. El factor de potencia fue constante mientras que el deslizamiento fue
significativamente menor para ambos motores de cobre. De hecho, debido a la
diferencia de conductividad entre los dos materiales, el motor de cobre genera
un par mayor en el mismo deslizamiento que el motor de aluminio.
Los resultados que muestran las Tablas
5 y 6 sobre los motores de 7,5 kW confirman lo que se encontró para los motores
más pequeños. Las pérdidas de los rotores fueron 50% menores en los rotores de
cobre y las pérdidas totales se redujeron en un 23% y 26% (en el caso de la
adopción de rotores de cobre y acero premium).
El aumento de temperatura del devanado
del estator ΔTSW se redujo en 18 ° C con jaula de cobre y en 24 ° C con acero
premium en comparación con el motor comercial.
Las tablas 7 y 8 muestran los
resultados de la prueba de motores de 15
kW.
En este caso, los rotores de cobre
produjeron una reducción promedio del 44% en las pérdidas medidas del rotor,
mientras que las pérdidas totales se redujeron en un 10%.
Con rotor de acero y cobre premium,
las pérdidas de hierro se redujeron en un 24% y las pérdidas totales en un 20%
y un 11% con respecto al motor estándar y al motor de cobre. En comparación con
el motor estándar, las mejoras de eficiencia fueron de 0.9 puntos con rotor de
cobre y 1.8 puntos con rotor de acero y cobre premium.
Sobre el rotor de cobre de 15 kW, es
interesante resaltar que la tolerancia sobre la eficiencia podría clasificar
este motor como Eff1. Con la adopción de un rotor de cobre y acero de primera
calidad, el motor de 15 kW está completamente en la clase Eff1.
En la siguiente tabla se resume las eficiencias generales de los
motores y las reducciones de pérdidas de rotor:
Conclusiones
Los resultados comparativos son más que elocuentes:
La sustitución del cobre por aluminio
ha permitido trasladar de clase los motores de 3 y 7,5 kW a la clase Eff2. Las
mejoras de eficiencia no son uniformes para todos los tamaños y varían desde
0,9 puntos para los de 15 kW a 3,2 puntos para los de 7,5 kW. Para los de 15 kW
es interesante remarcar que la tolerancia sobre la nueva eficiencia podría
clasificar este motor como Eff1. El uso de acero eléctrico 5350H mejora las eficiencias de 0,4, 0,7 y 0,9
puntos de motores más pequeños a más grandes.
Sin embargo, el rotor de acero premium
y cobre no da lugar a ningún movimiento adicional (desde Eff2) para los de 3 kW
y 7,5 kW, mientras que el de 15 kW alcanza la clase Eff1.
En definitiva, para tracción eléctrica
es ineludible la utilización de los
materiales mas adecuados junto a un inverter (control electrónico)
calculado específicamente para el modelo de motor dado con el objeto de poder obtener la máxima eficiencia del
conjunto.
