El 22 de abril, en la Conferencia de la Industria del Cobre CCIE 2025 SMM (20.ª) y la Feria de la Industria del Cobre - Foro de la Industria de la Transmisión y Distribución de Energía Eléctrica, organizada por SMM Information & Technology Co., Ltd., SMM Metal Trading Center y Shandong Aisi Information Technology Co., Ltd., con Jiangxi Copper Corporation y Yingtan Land Port Holdings Co., Ltd. como patrocinadores principales, Shandong Humon Smelting Co., Ltd. como coorganizador especial y Xinhuang Group y Zhongtiaoshan Nonferrous Metals Group Co., Ltd. como coorganizadores, Liang Dong, representante principal de la Oficina de Beijing de la International Copper Association y líder del proyecto Low-Carbon Drive/ingeniero senior, pronunció un discurso titulado "Tendencias de desarrollo de los materiales de bobinado a base de cobre en la industria de motores y transformadores".
Introducción a las aplicaciones del cobre en motores y transformadores
Clasificación y áreas de aplicación de los productos de cables y alambres
Áreas de aplicación de los alambres de bobinado
Tendencias de investigación de los alambres de bobinado de aleación de cobre
Conductores de alto rendimiento: conductores de bajo contenido de oxígeno, alta flexibilidad, alta resistencia y alta conductividad
Aplicaciones del cobre en motores y transformadores
Citó ejemplos de aplicaciones del cobre en motores y transformadores para ilustrar sus puntos.
Tendencias de desarrollo de motores y transformadores
Tendencia mundial hacia la descarbonización
• UE: Reducir las emisiones de gases de efecto invernadero en un 55 % para 2030 en comparación con los niveles de 1990 y lograr la neutralidad de carbono para 2050
• Japón: Lograr la neutralidad de carbono para 2050
• Reino Unido: Lograr emisiones netas cero para 2045 y neutralidad de carbono para 2050
• Canadá: Lograr la neutralidad de carbono para 2050
• China: Alcanzar el pico de emisiones de carbono para 2030 y lograr la neutralidad de carbono para 2060
• Hasta septiembre de 2023, más de 150 países se han comprometido a lograr la neutralidad de carbono, lo que cubre más del 80 % de las emisiones mundiales de CO2, el PIB y la población.
El proceso de alcanzar el pico de emisiones de carbono y lograr la neutralidad de carbono es un proceso de electrificación y reelectrificación en toda la sociedad.
La reelectrificación requiere una mayor mejora de la eficiencia energética en el lado de la demanda.
El proceso de alcanzar el pico de emisiones de carbono y lograr la neutralidad de carbono es un proceso de electrificación y reelectrificación en toda la sociedad; la electrificación se refiere a la transición de las fuentes de energía tradicionales (como el carbón y el petróleo) a la energía eléctrica; la reelectrificación implica una mayor optimización, como el uso de energía renovable para la generación de electricidad o la mejora de la eficiencia del sistema eléctrico.
Eficiencia de diferentes sistemas de accionamiento
La eficiencia térmica estimada de las máquinas de vapor en 1840 era de alrededor del 3 %, mientras que las máquinas de vapor de condensación posteriores alcanzaron el 8 %, y la eficiencia térmica más alta de las máquinas de vapor no superó el 20 %. ⇒ La eficiencia térmica de los motores de gasolina en los turismos suele ser inferior al 40 %, mientras que los motores diésel pueden alcanzar el 40-46 %.
Los sistemas de accionamiento eléctrico tienen la mayor eficiencia, generalmente superior al 90 % y pueden superar el 95 %.
Eficiencia térmica de los motores de combustión interna
• El límite superior de la eficiencia térmica de los motores de combustión interna es el ciclo de Carnot, lo que significa que cuanto mayor sea la diferencia de temperatura entre la fuente de calor de alta temperatura y la fuente de calor de baja temperatura, mayor será la eficiencia térmica.
• Para que un motor alcance una eficiencia del 95 % del ciclo de Carnot, la fuente de calor de alta temperatura tendría que ser de 23 000 °C.
• El ciclo de Carnot es un proceso ideal y, en la realidad, cuanto mayor sea la temperatura, más difícil será lograr las condiciones adiabáticas, lo que da como resultado una eficiencia real mucho menor que la del ciclo de Carnot.
• El único método de accionamiento con una eficiencia energética superior al 95 % en la práctica es el sistema de motores eléctricos.
Direcciones de desarrollo de motores y transformadores eléctricos de alta eficiencia
➢ "Opiniones orientativas sobre la coordinación del ahorro de energía, la reducción de carbono y el reciclaje para acelerar la actualización y transformación de equipos de productos clave": Para 2025, la proporción de motores de alta eficiencia y ahorro de energía en funcionamiento (nivel de eficiencia 2 y superior) aumentará en más de 5 puntos porcentuales en comparación con 2021, y la proporción de motores de alta eficiencia y ahorro de energía recién añadidos aumentará en 15 puntos porcentuales en comparación con 2021, con la proporción de transformadores de alta eficiencia y ahorro de energía aumentando en más de 10 puntos porcentuales.
➢ "Plan de acción para la mejora de la eficiencia energética industrial": Centrarse en equipos de consumo general de energía, como motores, transformadores y calderas, y llevar a cabo continuamente acciones de mejora de la eficiencia energética, aumentando la aplicación de equipos de consumo de energía de alta eficiencia.
➢ "Plan de acción de ahorro de energía y reducción de carbono para 2024-2025": Para 2025, la proporción de motores de alta eficiencia y ahorro de energía y transformadores de alta eficiencia y ahorro de energía en funcionamiento aumentará en más de 5 y 10 puntos porcentuales, respectivamente.
➢ "Directrices de implementación para la actualización, transformación y reciclaje de motores (edición 2023)": Alentar a los fabricantes de motores a aumentar la innovación y mejorar la eficiencia energética, y promover que las empresas de industrias clave verifiquen la eficiencia energética y el estado de mantenimiento de sus equipos, actualizando y transformando los motores con una eficiencia energética por debajo del nivel de entrada (nivel de eficiencia 3).
Tendencias mundiales de motores eléctricos de alta eficiencia
Proporcionó una introducción detallada a las tendencias de desarrollo de los motores eléctricos de alta eficiencia en varios países del mundo.
Formas de mejorar la eficiencia de los motores eléctricos
Aumentar el uso de materiales efectivos, reducir las pérdidas de bobinado y hierro; utilizar mejores materiales magnéticos y medidas de proceso para reducir las pérdidas de hierro; reducir el tamaño del ventilador para disminuir las pérdidas de ventilación; reducir las pérdidas parasitarias mediante medidas de diseño y proceso; aplicar el diseño de optimización asistido por ordenador para reducir las pérdidas y mejorar la eficiencia; utilizar rotores de imanes permanentes y rotores de cobre para reducir las pérdidas del rotor; combinar la tecnología de la información y la electrónica de potencia para mejorar la eficiencia del sistema.
Nuevo tipo de motor eléctrico – Motor eléctrico de doble rotor
El estator de un motor de doble rotor está ubicado en el medio, con un rotor dentro del estator y un rotor fuera del estator.
• Los rotores interior y exterior giran sincrónicamente.
• Se instalan cables electromagnéticos en el estator central para generar un campo magnético.
• Las principales ventajas de los motores de doble rotor son su eficiencia significativa y la reducción sustancial del consumo de materiales (principalmente acero eléctrico).
Motor eléctrico de copa hueca
• Los motores de copa hueca reciben su nombre por el diseño de su rotor. El rotor de un motor de copa hueca se aleja de la estructura tradicional del motor, utilizando un rotor sin núcleo, que es una estructura hueca en forma de copa con bobinados e imanes en su interior.
• Esta estructura de rotor elimina completamente las pérdidas por corrientes parásitas causadas por el núcleo, reduciendo significativamente el peso y la inercia de rotación, lo que disminuye las pérdidas de energía mecánica en el propio rotor.
• En 1958, DFFaumhaber en Alemania desarrolló la tecnología de bobinado oblicuo y, después de un desarrollo y mejora continuos, obtuvo la patente de la tecnología de bobinado oblicuo del rotor del motor de copa hueca en 1965, marcando el nacimiento del motor de copa hueca.
• Los motores de copa hueca se utilizan principalmente en articulaciones de manos ágiles.
Requisitos para los materiales de cobre en los sistemas de motores eléctricos de nuevo tipo
► Motor eléctrico de copa hueca
• Requisitos de conductividad: Los bobinados de los motores de copa hueca suelen utilizar alambres de cobre de alta conductividad para reducir la resistencia y la pérdida de energía, mejorando la eficiencia y el rendimiento del motor.
• Requisitos de resistencia: Aunque los bobinados de los motores de copa hueca enfatizan principalmente la conductividad, el alambre de cobre también necesita un cierto nivel de resistencia mecánica para soportar las fuerzas electromagnéticas y centrífugas durante el funcionamiento del motor. Además, componentes como los conmutadores y las escobillas pueden utilizar aleaciones de cobre, como cobre plateado y cobre cromocirconio, que mantienen una alta conductividad al tiempo que ofrecen una mayor resistencia y desgaste, adecuadas para el contacto frecuente de las escobillas y la transmisión de corriente.
► Motor eléctrico de doble rotor
• Requisitos de conductividad: Los bobinados del rotor de los motores de doble rotor suelen utilizar materiales de cobre de alta conductividad para reducir la resistencia de los bobinados, minimizar la pérdida de energía y mejorar la eficiencia y la densidad de potencia del motor. La excelente conductividad del cobre conduce eficazmente la corriente, garantizando el funcionamiento normal del motor.
• Requisitos de resistencia: La estructura del rotor de los motores de doble rotor es relativamente compleja y debe soportar altas tensiones mecánicas y fuerzas electromagnéticas. Por lo tanto, el material de cobre debe tener suficiente resistencia y tenacidad para garantizar la estabilidad y fiabilidad del rotor bajo rotaciones de alta velocidad y variaciones de carga. Algunos motores de doble rotor de alto rendimiento pueden utilizar aleaciones de cobre, que proporcionan una mayor resistencia y dureza al tiempo que mantienen un cierto nivel de conductividad.
Tendencias de desarrollo de los materiales a base de cobre
Motores de alta eficiencia - Alambres planos de cobre
En el campo de los motores de accionamiento de vehículos eléctricos, los motores de alambres planos son actualmente la forma principal de bobinados de motores.
En comparación con los alambres redondos, los alambres planos facilitan un aumento en el factor de llenado de las ranuras de los motores. Generalmente, el factor de llenado de las ranuras de los motores de alambres redondos es de alrededor del 50 %, mientras que el de los motores de alambres planos puede superar el 70 %.
El uso de alambres planos permite que se llenen más alambres de cobre dentro del mismo espacio de ranura del estator, permitiendo un mayor flujo de corriente, generando un campo magnético más fuerte y, por lo tanto, mejorando la densidad de potencia.
También proporciona un ejemplo que compara el rendimiento de los alambres redondos y planos en un determinado motor de accionamiento.
Motores de alta eficiencia - Rotores de cobre
Mejorar la eficiencia, reducir el aumento de temperatura, garantizar un funcionamiento fiable, reducir el tamaño y el peso y disminuir los costes de los motores.
Compara un motor de 75 kW-2 con rotor de cobre y otro con rotor de aluminio.
Los rotores de cobre también enfrentan problemas como la gran cantidad de puntos de soldadura, procesos complejos, resistencia inestable, control de calidad difícil, baja consistencia, la necesidad de procesar por separado los anillos de extremo y las barras (lo que aumenta los costos), baja eficiencia de producción y dificultades para la producción a gran escala.
También presenta aleaciones de cobre fundido a presión con tierras raras y aleaciones de cobre de alta resistencia y alta conductividad (generalmente se refiere a aleaciones con σb ≥ 600 MPa y conductividad ≥80 % IACS).
Soluciones de cobre de alta eficiencia: mejorar la conductividad
El "súper cobre" se fabrica apilando grafeno (conocido por su conductividad y propiedades mecánicas) con láminas de cobre, logrando una ventaja complementaria del grafeno y el cobre. Actualmente, la conductividad del súper cobre puede aumentarse hasta 106-108 % IACS.
