Tesla Motors y su motor de reluctancia con imán permanente

Tesla Motors y  su motor de reluctancia con  imán permanente

(motor sincrónico de reluctancia variable asistidos por imán permanente)

El Tesla Roadster  un automóvil deportivo totalmente eléctrico,  fue el  primer modelo producido por Tesla Motors, el cual se dio a conocer oficialmente al público el 19 de julio de 2006 en Santa Mónica (California). Este vehículo y luego el Tesla model S, un  liftback eléctrico de alta gama, fueron motorizados con un motor trifásico de inducción (asincrónico). Posteriormente Tesla hizo un cambio significativo en su estrategia de propulsión con la introducción del Modelo 3 en el cual reemplaza el motor de inducción por un motor de imán permanente.

 

El diseñador en Jefe de motores de Tesla, Ingeniero Konstantinos Laskaris, explica la lógica detrás del cambio.

“Es bien sabido que las máquinas de imanes permanentes tienen el beneficio de la preexcitación de los imanes y, por lo tanto, tiene algún beneficio de eficiencia por eso. Las máquinas de inducción tienen una regulación de flujo perfecta y, por lo tanto,se puede optimizar su eficiencia. Ambas tienen aplicación  para una única relación de transmisión mecánica con el objeto de  propulsión de los automóviles. Entonces, como saben, nuestro Model 3 ahora tiene una máquina de imanes permanentes. Esto se debe a que para la especificación del rendimiento y la eficiencia, la máquina de imán permanente resolvió mejor nuestra función de minimización de costos y fue óptima para la autonomía y el rendimiento objetivo”.

Todo indica que la decisión fue impulsada por la eficiencia y los costos, hacia una mejor eficiencia energética del vehículo, que es lo que se busca afanosamente ya que de ello depende su autonomía.

 

Breve descripción de este motor con características innovadoras  

Existen distintos diseños de motores trifásicos  con imán permanente en el rotor (IP) que responden a requisitos para distintas aplicaciones. El diseño del rotor determina la topología del motor IP. Los tipos más comunes son los motores con rotores de montaje en superficie (SM), motores IP internos (IPM) —con rotores de una capa o multicapa—, motores IP de inserción, motores IP de concentración de flujo, etc.  Los parámetros de un motor sincrono IP que suelen utilizarse en el control de motores son: resistencia del estator, inductancias del estator y la relación del flujo magnético (o la constante de fuerza contraelectromotriz). 

 

Por otro lado, tenemos el motor trifásico de reluctancia variable, en el cual con el objetivo de mejorar el factor de potencia, la eficiencia y la densidad de momento del mismo, se plantea utilizar imanes permanentes en el rotor. El devanado trifásico del estator puede ser el mismo de un motor de inducción, pero en las ranuras del rotor se le colocan imanes permanentes.

 

La síntesis de las características de cada motor no lleva al llamado IPMsynRM (motor de reluctancia síncrono asistido por imán permanente, IPM imanes permanentes interiores SynRM synchronous reluctance motors), es un tipo que combina el tipo de motor de imán permanente interno con el tipo de rotor de motor de reluctancia síncrono para lograr una característica más deseada en la aplicación de vehículos eléctricos, esto es: alta eficiencia a velocidades bajas y altas.

Tesla no es el primero en utilizar este tipo de motor, pero su versión está considerada como una de las mejores (simplemente por la alta eficiencia y autonomía que ofrecen los coches Tesla). La clave de la  innovación  de Tesla son los imanes segmentados (en lugar del imán sólido único) lo que ayuda a reducir las corrientes parásitas y reduce el riesgo de sobrecalentamiento de los imanes, entre otros beneficios.

En cálculos de rendimiento energético muy exigentes, perder del 3% al 4% de energía para generar corrientes en las barras del rotor del motor asincrónico no está en los planes del diseñador. Es por eso que para superar este problema, los ingenieros de Tesla lo reemplazaron con un motor de imanes permanentes PM.

Estos no experimentan pérdida de energía en el rotor, también se  produce un buen par a alta velocidad pero hay un problema, las pérdidas por fuerza electromotriz inducida (EMF) y las corrientes parásitas. Para resolver este inconveniente se utiliza una integración de un motor SynRM y un motor de imán permanente. El motor PM es eficiente para alta velocidad, mientras que SynRM es eficiente y no tiene problemas de EMF.

 

Puede verse en la siguiente figura (izquierda) el detalle de la disposición del imán colocado en los cortes ranurados profundamente del motor SynRM, dentro del núcleo de acero del rotor. Esta ubicación ayuda a reducir en gran medida los problemas de EMF en los devanados del estator.

En la figura (derecha), se indica las direcciones de los ejes directo (eje d), y cuadrático (eje q), que identifican la dirección de mayor permeancia (menor reluctancia) y de menor permeancia (mayor reluctancia), respectivamente.

En el motor de reluctancia, previamente a la colocación de los imanes permanentes,  el momento se produce según la posición del rotor que  tiende a alinear su eje d con la dirección del campo magnético rotatorio del estator.

Donde:

Vs= tensión en el estator (V)

Is=  corriente en el estator (A)

Vds  y  Vqs=  proyecciones de la tensión Vs sobre los ejes d y q, respectivamente (V)           

Ids  e   Iqs=  proyecciones de la corriente Is sobre los ejes d y q, respectivamente (A)

Rs=  resistencia del estator (W)

Xq  y  Xd=  reactancias en el eje q y d, respectivamente (W)

Φ = ángulo de factor de potencia (rad)

 

La magnitud del momento que se desarrolla depende directamente de la diferencia entre las permeancias del eje d y del eje q, o lo que resulta análogo, de la diferencia (Ld - Lq), es decir, la diferencia entre las inductancias del eje d y del eje q. La ecuación de momento está dada por:

 

 

La colocación de los imanes en el eje q, lleva a la reducción de Lq (valor de la inductancia en la dirección del eje q), debido a que el flujo magnético en esa dirección se opone al flujo del estator. Como resultado, la relación de saliencia (K = Ld/Lq) aumenta, lo que se evidencia, tanto si se expresa como Ld/Lq, como si se hace utilizando (Ld - Lq).

 

En el PMa-SynRM, con los imanes colocados de manera que establecen un flujo magnético en la dirección del eje q, el momento desarrollado consiste de dos componentes:

    a.- El momento de reluctancia y

    b.- el momento debido a los imanes permanentes insertados.

El momento producido por la adición de  los imanes permanentes se determina por la ecuación:

donde λpm son las concatenaciones de flujo provocadas por los imanes permanentes.

En el diagrama fasorial de acción motora, la fuerza contra electromotriz está dada por:

 

En el caso del SynRM, Vds es siempre negativo y Vs queda en el segundo cuadrante.

Sin embargo, para el PMa-SynRM en que aparece Epm, según sea su valor, Vs  se desplazará más o menos hacia el primer cuadrante y, en consecuencia,  Φ   y   cosΦ variarán. Por  ejemplo, si EPM aumenta,  Φ disminuye  y cos Φ aumenta.

Existe una ligera caída en las concatenaciones de flujo en el eje d, debido a la saturación de los dientes en el estator y en las costillas del rotor (estructura de acero), con la consiguiente pequeña reducción de Ld. De todas formas, la disminución de Lq es siempre mucho mayor que la de Ld.

Con la inclusión de los imanes permanentes, el factor de potencia de estas máquinas puede sobrepasar 0.9 con el empleo de NdFeB.

Este comportamiento actúa en la dirección de aumentar la eficiencia de la máquina. También permite una reducción de la capacidad en VA del accionamientos de frecuencia variable (AFV) y por tanto, de las dimensiones.

 

A modo de ejemplo se muestra un cuadro comparativo de tres motores de 36 ranuras,   7.5 hp (5.6 kW) nominales.  La comparación  se  hace  para  la  misma  corriente  nominal  del  estator del IM (motor trifásico de inducción) para mantener las pérdidas de cobre de las tres máquinas iguales y asegurarse que los devanados están adecuadamente cargados.

 

Se evidencia que la potencia de salida de PMa-SynRM es 33% mayor que la del IM. El  factor  de  potencia  es  más  reducido en el SynRM que en el motor de inducción (y evidentemente muy bajo), mientras que esa magnitud se modifica en el PMa-SynRM, dando un valor del factor de potencia superior al de IM.

Se puede observar también  que el PMa-SynRM desarrolla más momento que el SynRM y el IM; y que el rizado de momento es mayor en el PMa-SynRM que en el SynRM, lo que se debe a momentos parásitos que son  producidos por la presencia de los imanes permanentes. Sin embargo, aun así, resulta menor que en el IM.

 

En general los motores IPM-SynRM tienen una excelente performance y en particular los de Tesla Motors:

1.                  Son 95% eficientes, en comparación con su propio motor de inducción  93% eficiente.

2.                  Densidad de par y potencia incrementada.

3.                  Aumento del par por unidad de volumen.

4.                  Reducción de sus dimensiones.

5.          El enfriamiento efectivo es fácil de alcanzar

Con la ayuda de estas mejoras, los IPM-SynRM definitivamente han establecido nuevos y atractivos estándares en el mundo de los vehículos eléctricos.

 

Ing. Ricardo Berizzo

Cátedra: Movilidad Eléctrica

U.T.N. Regional Rosario                                                                                                                                                                                                                                                         2021.-