El 21 de junio, en el 2025 SMM (4ª) Congreso de Sistemas de Accionamiento Eléctrico y Foro de la Industria de Motores de Accionamiento - Foro de Sistemas de Accionamiento Eléctrico para Automoción, organizado conjuntamente por SMM Information & Technology Co., Ltd., Hunan Hongwang New Material Technology Co., Ltd., el Gobierno Popular del Distrito de Louxing y la Zona Económica y Tecnológica Nacional de Loudi, Jia Yuqi, subdirector del Instituto de Investigación del Centro de Innovación de Accionamiento Eléctrico de Zhejiang, compartió sus conocimientos sobre "Características de Diseño de Motores de Accionamiento en el Contexto de Alto Voltaje y Alta Frecuencia".
Antecedentes y Desafíos
1.1 Antecedentes - Política/Industria
El rango de velocidad de los motores de accionamiento de vehículos eléctricos (VE) es amplio y requieren aceleraciones y desaceleraciones frecuentes durante la conducción, lo que hace que las condiciones de funcionamiento sean mucho más complejas que las de los sistemas de control de velocidad generales. El sistema de accionamiento eléctrico es crucial para determinar el rendimiento dinámico de los VE.
• Plan de Desarrollo de VE 2025 del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE);
• Creciente demanda de los consumidores por autonomía y rendimiento;
• Mejores prácticas de las marcas automotrices locales en "adelantamientos en curvas" en la industria automotriz mundial;
• Un enfoque importante para lograr "protección ambiental baja en carbono, pico de carbono, neutralidad de carbono, ahorro de energía y reducción de emisiones";
Esto requiere que los sistemas de accionamiento eléctrico sean más livianos, compactos, eficientes y fiables, con demandas crecientes de densidad de potencia.
1.1 Antecedentes - Soluciones/Componentes y Devanados del Sistema de Accionamiento Eléctrico
Los inversores de SiC ofrecen altas frecuencias de conmutación, bajas pérdidas y altos voltajes de trabajo, lo que contribuye a aumentar la velocidad y la densidad de potencia del motor de accionamiento;
Los devanados de alambre plano tienen altos factores de relleno de ranura, baja resistencia de CC y buena conductividad térmica, lo que mejora la eficiencia y la densidad de potencia del motor en condiciones de funcionamiento de media a baja velocidad;
1.1 Antecedentes - Soluciones del Sistema de Accionamiento Eléctrico
Soluciones principales para sistemas de accionamiento eléctrico en vehículos de energía nueva: inversor de SiC + motor síncrono de imanes permanentes devanado con alambre plano;
1.2 Dificultades y Desafíos Técnicos - Alto Voltaje, Alta Frecuencia
El alto voltaje aumenta las pérdidas dieléctricas en los materiales aislantes y el riesgo de descargas parciales;
La alta frecuencia aumenta las pérdidas de CA en los devanados de alambre plano y la distribución desigual de las pérdidas dentro de las ranuras, lo que puede provocar fácilmente puntos calientes locales;
En condiciones de alto voltaje y alta frecuencia, la distribución desigual del voltaje entre espiras en los devanados se ve exacerbada por los parámetros parásitos de alta frecuencia, lo que causa daños y fallas en el aislamiento;
1.2 Dificultades y Desafíos Técnicos - Contramedidas
Considerar a fondo la distribución desigual de las pérdidas, el calor y la tensión eléctrica durante la etapa inicial de diseño;
Utilizar barnices aislantes, materiales aislantes y alambre esmaltado resistentes a altas temperaturas y a altas coronas;
Se deben tomar contramedidas integrales desde múltiples aspectos, incluidas nuevas topologías de motores, nuevas estructuras de devanados, nuevos materiales, nuevos procesos y sistemas eficientes de gestión térmica;
Consideraciones Clave en el Diseño de Motores de Accionamiento en Condiciones de Alto Voltaje
2 Consideraciones Clave en el Diseño de Motores de Accionamiento en Condiciones de Alto Voltaje
2.1 Diseño del Sistema de Aislamiento - Materiales
Bajo excitación de alta frecuencia y alta dv/dt, el aislamiento del devanado estará sujeto a los efectos duales de tensiones eléctricas y térmicas significativas. Dadas las demandas de alta densidad de potencia y alta fiabilidad, el margen de seguridad de aislamiento del motor se acerca gradualmente a los límites permitidos de los parámetros del material. Por lo tanto, es necesario realizar un análisis y una evaluación de seguridad del aislamiento entre espiras del motor durante la etapa de diseño inicial. Para garantizar los márgenes de seguridad del aislamiento y evitar daños y fallas prematuras, se pueden tomar medidas como aumentar el espesor del aislamiento, utilizar materiales de aislamiento con mayores índices de resistencia a la temperatura y materiales de aislamiento resistentes a la corona para garantizar la seguridad del aislamiento. Por ejemplo, el cable PEEK resistente a la corona desarrollado por Furukawa Electric en Japón y utilizado en el motor de accionamiento iMMD de Honda puede lograr un Voltaje de Inicio de Descarga Parcial (PDIV) más alto y una mejor conductividad térmica.
2.1 Diseño del Sistema de Aislamiento - Refrigeración
A medida que aumenta la densidad de potencia del motor, inevitablemente también aumenta la densidad de pérdidas. Junto con los efectos de proximidad y efecto piel en condiciones de alta frecuencia, esto puede conducir fácilmente a una distribución desigual de la fuente de calor dentro de las ranuras del motor, lo que resulta en sobrecalentamiento localizado.
La vida útil de los materiales de aislamiento del motor está estrechamente relacionada con la temperatura. Por lo tanto, se debe prestar atención al plan de gestión térmica del motor y se debe fortalecer el desarrollo de estructuras de refrigeración eficientes, como la refrigeración de devanados en ranura y la refrigeración directa de devanados.
2.2 Sobretensión de Pulso - Causas y Modelos de Cálculo
Debido a la falta de coincidencia en la impedancia característica entre el inversor, los cables de transmisión y el motor, de acuerdo con el principio de reflexión de ondas, las ondas de pulso PWM se reflejarán varias veces entre el inversor y los devanados del motor. La superposición de voltajes reflejados e incidentes generará voltajes de oscilación de pulso en los extremos de los devanados del motor que son más altos o más bajos que el voltaje del bus, generando así voltajes de pulso. El voltaje pico es el factor más peligroso que causa descargas parciales en el aislamiento del motor.
2.2 Sobretensión de Pulso - Métodos de Supresión
Cuando la frecuencia de conmutación es inferior a este valor, no se producirá el fenómeno de superposición de doble pulso. Por lo tanto, se requiere un diseño de coincidencia de impedancia para garantizar que la frecuencia de conmutación sea inferior a esta frecuencia.
2.3 Mapa de eficiencia de motores a diferentes niveles de voltaje
Se realizó una comparación de la distribución de eficiencia de los motores de accionamiento a voltajes de bus de 400 V, 600 V y 800 V. A medida que aumenta el voltaje de bus, el área de la región de alta eficiencia del motor de accionamiento se amplía considerablemente. Además, a medida que aumenta la velocidad angular, la región de alta eficiencia muestra una clara tendencia a desplazarse hacia la región de alta velocidad, lo que coincide con la demanda de diseño de motores de alta velocidad. Por lo tanto, el desarrollo de sistemas de accionamiento eléctrico de alto voltaje para vehículos de energía nueva no solo cumple con los requisitos de carga rápida de las baterías, sino que también brinda nuevas oportunidades para el diseño de alta eficiencia y alta densidad de los motores de accionamiento.
Consideraciones clave en el diseño de motores de accionamiento en condiciones de alta frecuencia
3.1 Pérdidas por armónicos de corriente: causas y peligros
Los motores de accionamiento para vehículos de energía nueva suelen ser accionados por inversores de fuente de voltaje que utilizan la tecnología de modulación por ancho de pulso de vector espacial (SVPWM). Durante el encendido y apagado continuos de cada dispositivo en el ciclo de conmutación, se generan armónicos de corriente de alta frecuencia. Mientras tanto, el tiempo muerto y los tiempos de encendido/apagado de los dispositivos pueden causar distorsión en las formas de onda de voltaje y corriente de salida del inversor, introduciendo así armónicos de alta frecuencia. Estos armónicos de voltaje y corriente suelen ubicarse cerca de la frecuencia portadora y sus múltiplos, aumentando las pérdidas y reduciendo la eficiencia.
3.1 Pérdidas por armónicos de corriente: métodos de supresión
A medida que aumenta la frecuencia de conmutación, mejora el grado sinusoidal de la forma de onda de corriente y aumenta la frecuencia de los principales subarmónicos, pero la amplitud de las corrientes armónicas disminuye considerablemente.
Por lo tanto, el método de supresión de las pérdidas por armónicos de corriente es mejorar el grado sinusoidal de la forma de onda de corriente, reducir el contenido armónico de cada orden y, por lo tanto, reducir las pérdidas por armónicos de corriente. Las principales medidas incluyen aumentar la frecuencia de conmutación del inversor, sesgar las ranuras/polos, optimizar la estructura de los polos magnéticos, seleccionar la forma de devanado y elegir la combinación de ranuras y polos, entre otras.
3.2 Pérdidas de CA de alta frecuencia en los devanados: causas y peligros
Cuando la corriente alterna fluye a través de un conductor o cuando se coloca en un campo magnético alterno, se inducen efectos de corriente parásita, a saber, el efecto piel y el efecto de proximidad. El efecto piel hace que la corriente tienda a fluir por la superficie del conductor cuando pasa una corriente alterna, mientras que el efecto de proximidad hace que la corriente en dos conductores adyacentes tienda a fluir por los lados debido a la influencia mutua de sus campos magnéticos. Ambos efectos reducen el área conductora real del conductor y aumentan las pérdidas.
Cuanto mayor sea la frecuencia de funcionamiento del motor de accionamiento, más graves serán las pérdidas de CA en los devanados de alambre plano. Además, los motores de accionamiento para vehículos de energía nueva funcionan en diversas condiciones y, en ciertos puntos de funcionamiento, la proporción de pérdidas de CA en los devanados de alambre plano es muy alta. Los impactos adversos se presentan principalmente en tres aspectos: la reducción de la eficiencia del motor, lo que no favorece la mejora de la densidad de potencia del sistema de accionamiento eléctrico; el aumento de los requisitos de disipación de calor, lo que impone mayores demandas a la estructura de refrigeración del motor y a la gestión térmica; y la distribución desigual de las pérdidas dentro de las ranuras, lo que provoca puntos calientes locales y amenaza la seguridad del aislamiento del motor.
Por lo tanto, se debe prestar suficiente atención durante la etapa de desarrollo del motor.
3.2 Pérdidas de CA de alta frecuencia en los devanados - Métodos de supresión
Los métodos de supresión de las pérdidas de CA en los devanados de alambre plano de alta frecuencia incluyen principalmente:
Aumentar el tamaño de la abertura de la ranura del estator (para reducir las pérdidas del conductor causadas por el campo magnético del inducido);
Aumentar la distancia entre el conductor y la abertura de la ranura del estator (para reducir las pérdidas del conductor causadas por el campo magnético de fuga en la ranura bajo el campo magnético del imán permanente);
Reducir el tamaño del conductor (para debilitar los efectos del efecto piel y del efecto de proximidad);
Aumentar adecuadamente el tamaño del puente de aislamiento magnético;
Transponer los conductores entre las ranuras y las capas (para reducir las pérdidas por corrientes circulantes cuando el número de ramas paralelas es mayor que uno);
Utilizar alambre Litz para los devanados (transposición entre las hebras).
3.3 Eficiencia del motor a diferentes frecuencias de conmutación
Se realizó una comparación de las pérdidas en los motores de accionamiento a frecuencias de conmutación de 10 kHz, 20 kHz y 50 kHz. A medida que aumenta la frecuencia de conmutación, las pérdidas en cada parte del motor muestran una tendencia a disminuir. Sin embargo, cuando la frecuencia de conmutación aumenta hasta un determinado valor, las pérdidas del motor ya no cambian de manera significativa. Por lo tanto, dentro de un determinado rango, una frecuencia de conmutación más alta es beneficiosa para reducir las pérdidas totales del motor, lo que también facilita el diseño de motores de alta velocidad.
No obstante, a medida que aumenta la frecuencia de conmutación, las pérdidas del inversor aumentarán en consecuencia. Por lo tanto, la elección de la frecuencia de conmutación requiere un equilibrio entre las pérdidas del motor y las del inversor para lograr las pérdidas totales más bajas en todo el sistema de accionamiento eléctrico.
Resumen
4.1 Requisitos
Requisitos de diseño básicos para motores de accionamiento en condiciones de alta tensión y alta frecuencia:
Ø Aislamiento fiable: los pulsos PWM de alta frecuencia se reflejan varias veces entre el inversor y los devanados del motor, lo que provoca una superposición de voltaje en los extremos de los devanados y supone una amenaza para la seguridad del aislamiento de los devanados;
Ø Eficiencia electromagnética: el funcionamiento a alta frecuencia exacerba los efectos superficiales y las pérdidas por armónicos, lo que requiere un modelado electromagnético preciso para optimizar la topología de los devanados de alambre de cobre plano, la estructura de la abertura de las ranuras y el diseño de las barreras magnéticas, empleando varios métodos para mejorar de manera integral la eficiencia de la conversión electromagnética;
Ø Refrigeración eficaz: la alta densidad de potencia provoca pérdidas concentradas y un aumento de la densidad de energía térmica. Se pueden combinar tecnologías como los canales de refrigeración impresos en 3D y la refrigeración por agua en las ranuras para establecer un sistema de refrigeración multicanal, utilizando simulaciones de acoplamiento de campos fluidos y térmicos para optimizar las trayectorias de refrigeración y mantener las temperaturas de los componentes del motor dentro de rangos razonables.
4.2 Contradicciones
• Aumentar el voltaje de alimentación amplía considerablemente la zona de alta eficiencia del motor de accionamiento, pero el alto voltaje de pulso dv/dt emitido por el SiC aumenta al mismo tiempo la tensión de aislamiento en los devanados del motor, lo que amenaza la seguridad del aislamiento de los devanados;
• Frecuencias de funcionamiento más altas facilitan el aumento de la velocidad de giro y del número de polos, así como una mayor densidad de potencia del motor de accionamiento, lo que cumple con las demandas del sistema de diseño en miniatura y ligero. Sin embargo, esto también provoca un aumento de las pérdidas en los devanados de CA y de las pérdidas mecánicas, y las primeras exacerban la distribución térmica desigual dentro de las ranuras.
4.3 Equilibrio
• Al ser un sistema multivariable, fuertemente acoplado y no lineal, la resolución de un problema técnico en el diseño de motores inevitablemente introduce otro. El diseño de motores es un proceso de búsqueda del equilibrio entre contradicciones, que requiere compensaciones entre la mejora del rendimiento, la supresión de pérdidas, la estructura de refrigeración, la gestión térmica y la seguridad del aislamiento;
• Superar la inercia del pensamiento centrado en un solo producto para considerar los problemas de manera más macroscópica, desde mejorar todo el sistema de propulsión eléctrica hasta aumentar la eficiencia general del vehículo y la densidad de potencia.
Además, se presentó una visión general, la posición, los objetivos de construcción, los planes estratégicos, el robot humanoide y la economía de baja altitud del Centro de Innovación de Propulsión Eléctrica de Zhejiang.
》Haz clic para ver el Informe Especial del Foro de la Industria de Motores de Propulsión y la Conferencia del Sistema de Propulsión Eléctrica (4ª) SMM 2025
