Motores de reluctancia en vehículos eléctricos
Los motores de reluctancia generan par atrayendo un rotor magnéticamente asimétrico hacia la posición en la que el flujo magnético puede seguir el camino más fácil. El principio aparece en varias familias diferentes, como las máquinas de reluctancia síncrona y reluctancia conmutada sin imanes, además de los diseños asistidos por imanes permanentes.
La reluctancia es una propiedad magnética
La reluctancia magnética es la oposición que un circuito magnético presenta al flujo magnético. Un recorrido por acero eléctrico de alta permeabilidad tiene menos reluctancia que uno por aire o por una barrera de flujo. Si la forma del rotor hace que sus propiedades magnéticas varíen con la dirección, el campo energizado del estator crea un par que tiende a alinear con él el eje de baja reluctancia del rotor.
Los ingenieros de control describen el rotor mediante dos ejes magnéticos perpendiculares. El eje directo, d, y el eje en cuadratura, q, tienen inductancias diferentes en un rotor saliente. Esa diferencia permite que la corriente del estator genere par de reluctancia. El efecto no requiere imanes permanentes, aunque pueden añadirse para combinar el par magnético con el de reluctancia.
Por eso la reluctancia no pertenece a una única etiqueta de producto. Es un mecanismo de generación de par que también contribuye de forma notable en muchos permanent-magnet synchronous motors de imanes interiores.
Motores de reluctancia síncrona
Un motor de reluctancia síncrona, abreviado habitualmente SynRM, emplea un rotor de acero laminado con barreras de flujo u otra geometría que produce una marcada saliencia magnética. El inversor impulsa un campo giratorio en el estator y el rotor lo sigue a velocidad síncrona.
El rotor puede prescindir de imanes, bobinados, anillos rozantes y conductores de jaula de ardilla. Esto puede reducir el coste de material y el calor del rotor, a la vez que admite velocidades de giro elevadas. Al no haber flujo de imanes permanentes, el motor desenergizado tampoco genera la misma fuerza contraelectromotriz que una máquina de imanes permanentes.
La contrapartida es que el par depende de la diferencia alcanzable entre las inductancias de los ejes d y q. Las barreras de flujo mejoran esa diferencia, pero eliminan acero del rotor, complican el diseño mecánico y pueden limitar la densidad de par. El factor de potencia y la corriente exigida al inversor también pueden ser menos favorables que en una máquina de imanes permanentes bien diseñada.
Reluctancia síncrona asistida por imanes permanentes
Un motor de reluctancia síncrona asistido por imanes permanentes incorpora una cantidad relativamente pequeña de material magnético dentro de un rotor saliente. Los imanes aportan par, mejoran el factor de potencia y pueden ampliar la zona eficiente, mientras la geometría del rotor sigue proporcionando una parte importante del par de reluctancia.
No existe una frontera física tajante entre esta familia y un motor síncrono de imanes permanentes interiores. Fabricantes e investigadores pueden describir rotores parecidos de maneras distintas según quieran destacar la aportación de los imanes, la de la reluctancia o el menor contenido de tierras raras. Las preguntas útiles son cuánto par aporta cada mecanismo, cuánto material magnético hay y cómo rinde el motor completo en su mapa de velocidad y par.
Motores de reluctancia conmutada
Un motor de reluctancia conmutada, o SRM, tiene polos salientes tanto en el estator como en el rotor. Su rotor suele ser un paquete de laminaciones de acero eléctrico sin bobinados ni imanes. Las bobinas concentradas del estator se energizan en secuencia para atraer cada polo del rotor hacia una posición alineada; después debe reducirse la corriente de fase antes de la alineación si mantenerla produciría par de frenado.
Este principio difiere del campo giratorio aproximadamente sinusoidal utilizado por la mayoría de los motores de tracción trifásicos. Un SRM convencional suele usar un convertidor asimétrico que puede energizar y desmagnetizar cada fase por separado. La información de posición del rotor y un control de corriente sincronizado con precisión son esenciales para una tracción y una regeneración eficientes.
El rotor sencillo de un SRM soporta calor y alta velocidad, y sus fases eléctricamente separadas pueden ofrecer una tolerancia a fallos útil. Los retos principales son la ondulación del par, la variación de las fuerzas radiales, el ruido acústico, la saturación magnética no lineal y un convertidor cuyas exigencias de tensión y corriente deben estudiarse junto al motor, no a posteriori. Un rotor simple no convierte automáticamente en simple el conjunto del accionamiento.
Ondulación del par y comportamiento acústico
El par de reluctancia cambia cuando los polos del rotor y del estator entran y salen de la alineación. Si el par de las fases no se combina con suavidad, el eje sufre pulsaciones. Las fuerzas magnéticas radiales variables también pueden excitar resonancias del estator, la carcasa y los soportes, y crear ruido tonal incluso con un par medio estable en el eje.
Los ingenieros abordan estos efectos conjuntamente:
- las formas de los polos del rotor y del estator alteran las ondas de par y fuerza radial;
- la inclinación, la segmentación y la elección del arco polar reparten los armónicos de fuerza;
- el perfil de corriente y el solapamiento de conducción entre fases suavizan el par total;
- la estrategia de conmutación desplaza o reduce los componentes espectrales molestos;
- la rigidez y el aislamiento de la carcasa impiden que las fuerzas electromagnéticas se conviertan en ruido interior.
Reducir un síntoma puede empeorar otro. Un mayor solapamiento de fases puede suavizar el par, pero elevar las pérdidas en el cobre, mientras una geometría que disminuya la vibración puede afectar a la densidad de par o al dimensionamiento del inversor. El mejor resultado surge de optimizar conjuntamente electromagnetismo, convertidor, control, estructura y refrigeración.
Papel de las máquinas de reluctancia en los vehículos eléctricos
Las máquinas de reluctancia resultan atractivas cuando pesan especialmente el suministro de imanes, la temperatura del rotor, la resistencia a alta velocidad o la tolerancia a fallos. Los diseños sin imanes también evitan el arrastre de los imanes permanentes y la tensión en circuito abierto, aunque en una unidad de propulsión completa permanecen las pérdidas de rodamientos, retenes, engranajes y aceite.
No son universalmente más sostenibles ni más baratas. Más acero eléctrico, cobre, capacidad de semiconductores, tratamiento acústico o complejidad de fabricación pueden compensar el ahorro de imanes. Una comparación justa debe utilizar la misma envolvente de par y velocidad, refrigeración, tensión CC, límites del inversor, ciclo de trabajo y volumen de producción.
Para quien compra un vehículo eléctrico, la etiqueta del motor predice poco por sí sola. Las pruebas útiles son el mapa de eficiencia de la unidad de propulsión, su potencia sostenida, el comportamiento acústico, la masa y el consumo energético del vehículo.
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