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Motores para vehículos eléctricos

Las principales características deseables en un accionamiento de tracción para un vehículo eléctrico son: alta densidad de potencia, alta eficiencia, alto torque de arranque (zona de torque constante), operación de potencia constante a alta velocidad (i.e. par reducido), robustez y bajo requerimiento en mantenimiento.

Varios tipos de motores de corriente alterna (AC) y corriente directa (DC) han sido utilizados para la aplicación de vehículos eléctricos, los que comparten los bajos requerimientos de mantención y similares características de control a velocidades bajas, exhibiendo operación en zona de torque constante, al ser alimentados por inversores con control por campo orientado. Para automóviles, el concepto más prevalente es motores sincrónicos con imanes permanentes (PMSM, por sus siglas en inglés) a veces identificado como su variante BLDC (brushless direct current,) (OakRidge) (Doppelbauer & Winzer, 2017). Para un ejemplo específico y detallado, se puede ver el análisis del motor del Toyota Prius, desarrollado por el Laboratorio Nacional (US) Oak Ridge (Hsu, et al., 2007). Este tipo de motores tiene imanes permanentes de tierras raras para producir el campo magnético.

De esta forma, los PMSM no requieren de corrientes adicionales de campo, lo que resulta en construcciones simples, de muy alta eficiencia (cercanas al 97%) (Doppelbauer & Winzer, 2017) y alta densidad de potencia.

Es reconocido que la mayoría de los vehículos eléctricos e híbridos actuales, usan motores de imanes de tierras raras (OakRidge). Ejemplos de esto son: el Chevrolet Volt, el Nissan Leaf, el BMW i3, entre otros (Doppelbauer & Winzer, 2017) (Kane, 2016). El uso de motores con imanes permanentes es ventajoso en muchos aspectos, pero tiene desventajas a alta velocidad, donde se requiere de corriente adicional para debilitar el campo y lograr operación de potencia constante (Jahns T. , 1987). Esto afecta levemente la eficiencia completa del drive (inversor + motor) en alta velocidad. En el caso del OEM BMW, se ha optimizado extensivamente la excitación permanente de sus motores sincrónicos para mantener la eficiencia a alta velocidad, incorporando cerca de 2 kilómetros de cableado de cobre en el estator, bobinados especialmente para mantener dimensiones extra compactas.

Producción de motores PMSM es internalizada dentro de BMW Group, con personal altamente capacitado
 
Todo el cable de cobre (2 km, aproximadamente) es bobinado cuidadosamente para mantener compacta la configuración.
 
Figura 1: Línea de producción motor eléctrico PMSM de BMW, planta Dingolfing, Alemania (Kane, 2016)

¿Qué son las tierras raras?

Se llama tierras raras a cualquiera de los 15 elementos químicos llamados técnicamente Lantánidos, desde los números atómicos 57 a 71. En particular esta clase de materiales incluyen al Neodimio (Nd, nro. atómico 60) y al Samario (Sm, nro. atómico 62), que son utilizados para la fabricación de imanes permanentes de alto producto B*H (SmCo o NdFeB), comúnmente llamados imanes de alta energía.

Además, a algunos actores les preocupa la dependencia de tierras raras, que actualmente son producidas principalmente por China (aproximadamente un 90%) (Bloomberg, 2017). Presumiblemente, por estas razones, algunos fabricantes han preferido alternativas como: Renault, con su modelo Zoe en el que utiliza un motor sincrónico de rotor bobinado (SPSM, por sus siglas en inglés) (Doppelbauer & Winzer, 2017); y Tesla, con su icónico motor de Inducción (IM, por sus siglas en inglés). Estas alternativas tienen eficiencias algo menores a velocidades bajas (Jahns T. , 2017), típicamente estimadas en el orden del 94% (Doppelbauer & Winzer, 2017), pero más amplia zona de operación en alta velocidad (Jahns T. , 2017). Esto, potencialmente le otorga mayor eficiencia de ciclo completo de conducción a esta configuración, dependiendo de los ciclos típicos y estilos de conducción.

 
 
Figura 2: Motor SPSM de Renault, modelo ZOE (James, 2015)
Figura 3: Motor Inducción (IM) de Tesla, Modelo S (Morris, 2018)

Finalmente, las alternativas de motores que operen solo por el principio de reluctancia parecen estar ganando interés, por su inherente robustez y bajo costo (Jahns T. , 2017). Estos motores, particularmente los de reluctancia conmutada (SR), tienen características superiores a alta velocidad, con una amplia zona de operación de potencia constante, incluso mayor que IM; con alta eficiencia y densidad de potencia (comparable a aquellas de IM) y algo menores a las de PMSM (Jahns T. , 2017). En sus variantes de motores de SR, ya están en uso en equipamiento pesado para la minería en maquinaria híbrida, con motor primario diésel, pero por ahora parecen solo en etapa de prototipos para EV de calle (Jaguar Land Rover Ltda., 2015). La principal desventaja de esta configuración son las pulsaciones en la corriente y en el torque, que producen mayor ruido acústico que cualquiera de las alternativas anteriores (Jahns T. , 2017).

Respecto a la construcción, mantención y robustez, los motores eléctricos son superiores a los de combustión al tener menos partes móviles (INL).

Las partes móviles, en la mayoría de los casos eléctricos, se reducen a dos: estator y rotor, y una caja reductora de razón fija. Éstos, son alimentados por el convertidor estático, sin partes móviles, compuesto por tarjetas electrónicas y semiconductores de potencia. Esto reduce dramáticamente la cantidad de repuestos y partes que forman el conjunto, simplificando la mantención, además de aumentar significativamente la eficiencia. Un ejemplo de lo anterior es que Tesla ofrece su modelo S con 8 años de garantía (Tesla, 2017).

En vehículos pesados, se puede mencionar que, en tracción de trenes eléctricos e híbridos, el motor típicamente usado es el de inducción (Jahns T. , 2017), solución que también se aplica para tracción en camiones mineros híbridos (Komatsu, 2015). En vehículos pesados para la minería, como cargadores frontales, los motores de reluctancia conmutada SR se han ocupado con éxito (Jahns T. , 2017).

Como resumen, se muestra la Tabla 1, adaptada de (Jahns T. , 2017) donde se comparan las ventajas y desventajas relativas de las distintas opciones de motorizaciones eléctricas para EV, descritas previamente.

COMPARACIÓN DE CARACTERÍSTICAS PARA DISTINTAS ALTERNATIVAS DE MOTORES PARA TRACCIÓN DE EV DE PASAJEROS
Significado colores
 
Comparativamente fuerte
 
Intermedio
 
Comparativamente débil
Característica IPM
Neodimio
SynR IM SR
Densidad de Torque / Potencia        
Eficiencia a Operación Nominal        
Eficiencia a alta Velocidad y Carga Parcial        
Alto CPSR (razón de velocidad de operación a potencia constante)        
Capacidad de operar a Temperaturas estremas y robustez del motor        
Bajo Costo        
Bajo ruido acústico y ripple en el torque        
Capacidad de autodetección de la posición a baja velocidad        
Tolerancia a fallas        
Significado colores        
Fuente: Elaboración propia en base a referencia (Jahns T. , 2017)

Referencias

OakRidge. (s.f.). Oak Ridge National Laboratory. Recuperado el Noviembre de 2017, de Innovations in Transportation. Power electronics and Electric Machinery: http://web.ornl.gov/sci/transportation/research/electric/

Doppelbauer, M., & Winzer, P. (2017). A lighter motor for tomorrow's electric car. IEEE Spectrum. Vol. 54, nº7, pp. 26-31.

Hsu, J., Ayers, C., Coomer, C., Wiles, R., Burres, T., Campbell, S., y otros. (2007). Report on Toyot/Prius Motor Design and Manufacturing Assessment. Oak Ridge National Laboratory.

Jahns, T. (1987). Flux-Weakiening Regime Operation of an Interior Permanent-Magnet Synchronous Motor Drive". IEEE Transactions on Industry Applications. Vol. IA-23, No. 4, july/aug. 1987.

Bloomberg. (noviembre de 2017). The rare-earth metals ETF that's surged 60% this year. Recuperado el noviembre de noviembre, de https://www.bloomberg.com/news/videos/2017-11-15/this-rare-earth-metals-etf-has-surged-60-this-year-video

Jahns, T. (2017). Getting rare-earth magnets out of EV traction machines: a review of the many approaches being pursued to minimize or eliminate rare-earth magnets from future EV drivetrains. IEEE Electrification Magazine. Vol. 5, No. 1, March.

Jaguar Land Rover Ltda. (2015). A switched reluctance motor with reduced torque ripple. US20170117787.

INL. How do gasoline and electric vehicule compare? Idaho National Laboratory.

Tesla. (2017). Tesla Motors. Recuperado el Noviembre de 2017, de https://www.tesla.com/es_MX/models/design

Komatsu. (2015). 980E-4 Electric Drive Truck. Obtenido de http://www.komatsuamerica.com/equipment/trucks/electric/980e-4

Kane, M. (Agosto de 2016). BMW Shows Off its battery and electric motor production facility. Obtenido de InsideEVs: https://insideevs.com/bmw-presents-battery-and-electric-motor-production/

Morris, C. (Marzo de 2018). Tesla to establish electric motor R&D group in Greece. Obtenido de CHARED Electric Macazine: https://chargedevs.com/newswire/tesla-to-establish-electric-motor-rd-group-in-greece/

Osses, M. (Marzo de 2019). Registro Tesla Modelo S, Los Angeles California. Fotografía .

James, J. (Junio de 2015). Renault Zoe's new electric motor to be buit at Cléon. Obtenido de Paultan.org: https://paultan.org/2015/06/19/renault-zoe-new-electric-motor-cleon-plant/

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