Proceso de diseño y desarrollo de motores eléctricos

Cómo desar­rol­lar un motor eléc­tri­co de alto rendimien­to y qué soft­ware es el más ade­cua­do para ello. El pro­ced­imien­to aquí descrito puede uti­lizarse tan­to para motores de CA como para motores de CC. Los motores de CA tam­bién incluyen los motores BLDC, que tam­bién se denom­i­nan motores de CC sin esco­bil­las. Los motores de flu­jo axi­al y los motores de induc­ción, como los Tes­la, tam­bién se dis­eñan con este méto­do. A con­tin­uación se describen los pasos para el dis­eño de motores y los cál­cu­los elec­tro­mag­néti­cos de motores eléctricos.

Proceso de diseño y desarrollo de motores eléctricos
Pro­ce­so de dis­eño y desar­rol­lo de motores eléctricos

1) Definir los requerimientos del motor eléctrico

El primer paso en el dis­eño de un motor eléc­tri­co es escribir lo que el motor eléc­tri­co debe hac­er y ser capaz de hac­er. En el sec­tor, esto tam­bién se conoce como definir los req­ui­si­tos del motor eléc­tri­co. ¿Qué par y veloci­dad debe ten­er el motor eléc­tri­co? Qué poten­cia y rendimien­to, qué lon­gi­tud debe ten­er el motor, qué diámetro debe ten­er. Siem­pre hay que empezar por estable­cer los req­ui­si­tos para la apli­cación especí­fi­ca, por ejem­p­lo, un vehícu­lo eléc­tri­co, un bar­co eléc­tri­co o un avión eléc­tri­co. De ahí se derivan los req­ui­si­tos para el accionamien­to eléc­tri­co y el sis­tema de baterías. De los req­ui­si­tos del accionamien­to eléc­tri­co se derivan los del motor eléc­tri­co y el inver­sor. Tam­bién hay que pri­orizar los req­ui­si­tos para que todos los miem­bros del equipo de desar­rol­lo sep­an qué es lo más impor­tante. El establec­imien­to de pri­or­i­dades es impor­tante para poder selec­cionar pos­te­ri­or­mente el tipo de motor eléc­tri­co adecuado.

Requisitos de los motores eléctricos
Req­ui­si­tos de los motores eléctricos

2) Crear la arquitectura del sistema de accionamiento eléctrico

Tam­bién debe crearse una arqui­tec­tura del sis­tema de accionamien­to eléc­tri­co, com­puesto por el motor eléc­tri­co, un inver­sor y posi­ble­mente tam­bién una caja de cam­bios. Una arqui­tec­tura de sis­tema ayu­da a com­pren­der cómo inter­ac­túan entre sí los dis­tin­tos com­po­nentes, es decir, mecáni­ca, eléc­tri­ca y tér­mi­ca­mente. La arqui­tec­tura ayu­da a com­pren­der las inter­rela­ciones y la inter­ac­ción del motor eléc­tri­co, el inver­sor y la caja de cam­bios. La arqui­tec­tura puede uti­lizarse para estu­di­ar cómo opti­mizar el sis­tema de accionamien­to y ahor­rar costes.

Arquitectura del sistema de motor eléctrico
Arqui­tec­tura del sis­tema de motor eléctrico

3) Selección del tipo de motor eléctrico y comparación

En el pro­ce­so de pre­s­e­lec­ción, debe con­sid­er­arse muy detenida­mente qué tipo de motor eléc­tri­co es el más ade­cua­do para la apli­cación cor­re­spon­di­ente. Cada motor eléc­tri­co tiene sus ven­ta­jas e incon­ve­nientes. Con la ayu­da de los req­ui­si­tos pre­vi­a­mente ano­ta­dos y un orden de pri­or­i­dades, debe com­para­rse qué tipo de motor eléc­tri­co es el más ade­cua­do para la apli­cación especí­fi­ca. Tam­bién debe ten­erse muy en cuen­ta el número de unidades en que se fab­ri­cará pos­te­ri­or­mente el motor eléc­tri­co. Puesto que la tec­nología de bobi­na­do uti­liza­da para el motor eléc­tri­co tam­bién se deri­va del número de unidades. Y la tec­nología de bobi­na­do tiene una gran influ­en­cia en el dis­eño del motor eléctrico.

4) Seleccionar el punto de partida para el diseño del motor

Ele­gir el pun­to de par­ti­da ade­cua­do para su cál­cu­lo no es tan impor­tante. Exis­ten ecua­ciones para esti­mar el tamaño del motor eléc­tri­co para una poten­cia deter­mi­na­da. Pero lo mejor es fijarse sim­ple­mente en qué dimen­sión uti­lizan otros fab­ri­cantes y com­peti­dores que tienen req­ui­si­tos sim­i­lares. La may­oría de las veces, el pun­to de par­ti­da para el cál­cu­lo del tamaño del motor eléc­tri­co ya viene dado por los req­ui­si­tos de lon­gi­tud y diámetro del motor.

5) Diseño analítico de motores electromagnéticos

Para el dis­eño y el cál­cu­lo se uti­lizan her­ramien­tas infor­máti­cas analíti­cas. En el soft­ware se intro­ducen parámet­ros como el diámetro, la lon­gi­tud y la ten­sión del motor eléc­tri­co. A con­tin­uación, el soft­ware de dis­eño de motores cal­cu­la el par y la veloci­dad analíti­ca­mente medi­ante una ecuación. Sólo se tar­dan unos segun­dos en obten­er un resul­ta­do. A con­tin­uación, se mod­i­f­i­can los parámet­ros has­ta obten­er el par desea­do. Ajus­tar los parámet­ros requiere mucha expe­ri­en­cia, porque cada parámetro influye direc­ta­mente en dis­tin­tas propiedades del motor eléc­tri­co. Tam­bién puedes uti­lizar algo­rit­mos de opti­mización que te ayu­den a desar­rol­lar un motor eléc­tri­co espe­cial­mente efi­ciente. Sin embar­go, el cál­cu­lo analíti­co tiene un gran incon­ve­niente, y es la pre­cisión del resul­ta­do de veloci­dad, par y efi­cien­cia. La pre­cisión suele estar entre el 70% y el 80%. Depende de la com­ple­ji­dad del motor eléc­tri­co y del soft­ware uti­liza­do. ¿Cómo se puede mejo­rar aho­ra la pre­cisión o com­pro­bar el resultado?

Diseño analítico de motores eléctricos
Dis­eño analíti­co de motores eléctricos

6) Simulación de motor eléctrico 2D FEM

La mejor man­era de com­pro­bar el cál­cu­lo analíti­co es con una sim­u­lación por ele­men­tos fini­tos en 2D. 2D sig­nifi­ca que el motor se divide en muchas piezas pequeñas en las dos dimen­siones X e Y. Cuan­to más pequeñas sean las piezas, más pre­ciso será el resul­ta­do. Cuan­to más pequeñas sean estas piezas, más pre­ciso será el resul­ta­do, pero esto tam­bién requiere más tiem­po de cál­cu­lo. Los resul­ta­dos pueden uti­lizarse para mejo­rar los parámet­ros del cál­cu­lo analíti­co. ¿Por qué hay que dar un paso atrás en el cál­cu­lo analíti­co? En una sim­u­lación bidi­men­sion­al, nor­mal­mente sólo se cal­cu­la un pun­to de car­ga, es decir, la efi­cien­cia en exac­ta­mente un pun­to de velocidad/par. Esto suele lle­var de var­ios min­u­tos a horas, por lo que tiene más sen­ti­do cal­cu­lar un mapa de efi­cien­cia analíti­ca­mente, con parámet­ros adap­ta­dos de la sim­u­lación 2D.

2D FEM simulación de motor eléctrico
2D FEM sim­u­lación de motor eléctrico

Los 10 mejores soft­ware de dis­eño de motores »

7) Simulación 3D FEM de motores eléctricos

¿Cuán­do y por qué sigue sien­do nece­saria una sim­u­lación 3D? Pues bien, con la sim­u­lación 2D se supone que la estruc­tura se repite en la direc­ción Z. Pero si se mira el motor eléc­tri­co des­de arri­ba, por ejem­p­lo, esto no es así en los extremos supe­ri­or e infe­ri­or de un motor eléc­tri­co. En los extremos supe­ri­or e infe­ri­or del motor pueden pro­ducirse flu­jos parási­tos y hay que esti­mar la mag­ni­tud de sus influ­en­cias. En el caso de motores eléc­tri­cos muy cor­tos, la influ­en­cia de los flu­jos parási­tos puede ser grande. Por lo tan­to, los resul­ta­dos de la sim­u­lación 3D deben retroal­i­men­ta­rse a la sim­u­lación 2D. Ya que el cál­cu­lo de la cur­va car­ac­terís­ti­ca de un motor eléc­tri­co en una sim­u­lación 3D requeriría demasi­a­da capaci­dad de cál­cu­lo y tiem­po. Otro ejem­p­lo en el que se nece­si­tan sim­u­la­ciones 3D son los motores de flu­jo axi­al, en los que el cam­po elec­tro­mag­néti­co cam­bia en las 3 dimen­siones. Inclu­so con motores eléc­tri­cos muy lar­gos, pueden pro­ducirse vibra­ciones de flex­ión del eje, lo que hace que la dis­tan­cia entre el rotor y el esta­tor cam­bie a lo largo de la lon­gi­tud. Esta dis­tan­cia tam­bién se denom­i­na entre­hier­ro y su cam­bio influye nat­u­ral­mente en el par y su curso.

Puntos adicionales en el desarrollo de motores eléctricos

Prueba y medición de motores eléctricos

Por supuesto, quien sim­u­la y cal­cu­la tam­bién debe saber cómo com­pro­bar sus resul­ta­dos. Porque la difer­en­cia entre la teoría y la prác­ti­ca es may­or en la prác­ti­ca que en la teoría. La com­pro­bación de los resul­ta­dos puede dividirse en 3 pasos. Medición de los mate­ri­ales, por ejem­p­lo los imanes y la cha­pa. Medición de los com­po­nentes, por ejem­p­lo, el rotor con los imanes y el esta­tor con los bobi­na­dos. Y por últi­mo, por supuesto, una medición acti­va y pasi­va del motor eléc­tri­co com­ple­to. Hay que empezar a medir los mate­ri­ales y com­po­nentes lo antes posi­ble y dejar que los resul­ta­dos fluyan hacia la sim­u­lación para mejorarla.

Diseño mecánico y térmico del motor eléctrico

El dis­eño mecáni­co y tér­mi­co y la sim­u­lación del motor eléc­tri­co tam­bién son muy impor­tantes. Porque sólo con la sim­u­lación tér­mi­ca se puede averiguar cuán­to tiem­po puede pro­por­cionar real­mente el motor eléc­tri­co la poten­cia máx­i­ma. El pro­ced­imien­to de dis­eño y cál­cu­lo tér­mi­co es muy sim­i­lar al dis­eño elec­tro­mag­néti­co descrito ante­ri­or­mente. Los resul­ta­dos de la sim­u­lación elec­tro­mag­néti­ca, como las pér­di­das de poten­cia, se incor­po­ran a la sim­u­lación tér­mi­ca. Una sim­u­lación mecáni­ca es espe­cial­mente impor­tante si el motor eléc­tri­co gen­era grandes pares o alcan­za altas velocidades.