Manteniéndolo Fresco: Soluciones de Gestión Térmica Para Motores de Tracción Eléctrica

El diseño de un motor eléctrico requiere una comprensión profunda de las diferentes tecnologías que pueden afectar la masa, el rendimiento y el costo del motor, idealmente en una etapa temprana, cuando aún se están considerando opciones de diseño y el costo del cambio es bajo. A medida que las máquinas eléctricas se vuelven más pequeñas, más livianas y más potentes, las restricciones térmicas imponen limitaciones significativas al rendimiento final de los motores eléctricos. Sólo las aplicaciones en el mercado automotriz requieren sistemas de gestión térmica eficaces, un proceso de varias etapas para tener en cuenta las métricas de rendimiento y los materiales adecuados para ser viables en el mercado actual.  

Básicamente, la refrigeración del motor garantiza que los componentes eléctricos funcionen de forma eficiente en los sistemas de motores de tracción de los vehículos eléctricos (EV). Los principales métodos de enfriamiento utilizados para los motores de tracción de vehículos eléctricos son el enfriamiento por camisa de agua y el enfriamiento por pulverización de aceite. De los dos, el enfriamiento con camisa de agua se considera uno de los métodos de enfriamiento menos complicados. Con este método, una carcasa incorporada llena de agua envuelve el estator, o parte estacionaria del motor, y los conectores de entrada y salida permiten que el agua circule. El enfriamiento del estator es el resultado del intercambio de calor estándar.

Durante el proceso de enfriamiento por pulverización de aceite, el calor es absorbido por el aceite pulverizado sobre los componentes del motor que generan calor bajo cargas elevadas. A pesar de su diferente complejidad, cualquiera de los métodos puede ofrecer una refrigeración potente, según la aplicación.

Para elegir el método de refrigeración adecuado, los ingenieros deben tener un conocimiento sólido de las necesidades de rendimiento térmico dado el tamaño y el tipo de motor con el que trabajan. Específicamente en el caso de los vehículos eléctricos, el rendimiento del vehículo se ve afectado negativamente por las altas temperaturas del motor, y unos resultados deficientes en esta área podrían impedir que un vehículo cumpla con las especificaciones de calidad y seguridad. Con un sistema de refrigeración eficaz en un motor de tracción, los ingenieros pueden tener más libertad para adoptar un enfoque más sencillo para la refrigeración general del vehículo, que incluye la refrigeración de la batería, la refrigeración de los componentes electrónicos de potencia y el sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC).

Por ejemplo, en un vehículo típico que funciona con gasolina, los termostatos, el refrigerante y el radiador trabajan juntos para eliminar el calor del motor de combustión. Sin embargo, en los vehículos eléctricos, la gestión térmica implica diferentes responsabilidades: enfriar las baterías, la electrónica de potencia y el motor de tracción. Debido a que el movimiento de las ruedas del EV está impulsado por un motor, la temperatura de funcionamiento del motor de tracción eléctrica es fundamental para el rendimiento del vehículo. Cuando aumentan las cargas, el motor consume más energía de la batería y se calienta. Esto presenta una matriz cada vez más compleja de objetivos de ingeniería con desafíos de acoplamiento térmico y electromagnético en juego.

Para optimizar el diseño del sistema, los ingenieros están recurriendo a herramientas de simulación para obtener información precisa que pueda respaldar los cambios de diseño y la selección de componentes rápidamente. Considerando únicamente el motor de tracción, existen varias decisiones de diseño que impactan el funcionamiento de todo el vehículo. Esto, junto con la necesidad de ofrecer una mayor densidad de potencia y eficiencia energética en una forma más compacta, coloca la gestión térmica en el centro de los diseños de motores eléctricos más eficientes.

No toda la energía que proporciona una estación de carga acaba destinándose a alimentar el motor. Se puede perder energía debido al calor, la fricción y otros factores en el camino. La gestión del calor mejora la eficiencia mecánica, especialmente ante el aumento de la densidad de potencia. El método de enfriamiento correcto puede extender la vida útil del motor y mejorar su eficiencia al retardar el envejecimiento del aislamiento, mantener el material magnético por debajo de la temperatura de desmagnetización (en máquinas de imanes permanentes), adaptarse a las limitaciones conocidas de los componentes electrónicos de potencia y los lubricantes, y limitar la resistencia.

Ansys ofrece capacidades de simulación multifísica para todos los tipos de refrigeración, lo que ayuda a permitir un diseño exitoso de motores eléctricos por primera vez, teniendo en cuenta la estrecha dependencia del rendimiento térmico y electromagnético. Ansys Fluent y Ansys Maxwell son dos de varias herramientas que brindan un acoplamiento electromagnético y térmico bidireccional perfecto con computación escalable necesaria para enfrentar los desafíos térmicos en el diseño de motores eléctricos.

Cuando se enfrentan a altas temperaturas, los materiales eventualmente exceden su rango operativo normal, provocando cambios de fase, ablandamiento, fusión, degradación y fatiga del material. Por ejemplo, algunos metales de tierras raras se desmagnetizan cuando se sobrecalientan, lo que acorta la vida útil de un motor. Los ingenieros se enfrentan al desafío de equilibrar la gestión térmica con el coste de los materiales modernos y resistentes al calor.

Desde la selección hasta los desafíos de la cadena de suministro, la gestión de materiales juega un papel importante en el éxito del diseño de un motor eléctrico. Los datos de materiales para los devanados del estator, el aislamiento térmico, los ejes del rotor y otros componentes críticos se pueden encontrar en Ansys Granta MI . Garantizar que la simulación multifísica utilice los modelos de materiales más precisos para las propiedades estructurales, térmicas y electromagnéticas del motor marca la diferencia en la creación de prototipos virtuales. 

Ansys ofrece un flujo de trabajo integrado para que los ingenieros exploren los requisitos de diseño y las compensaciones con un flujo de trabajo de ingeniería creado específicamente para diseñadores de motores eléctricos. Ayuda a los ingenieros a tomar decisiones tempranas, como el dimensionamiento del motor en Ansys Motor-CAD , mediante análisis electromagnéticos, térmicos y mecánicos detallados. La solución también incluye el software Ansys optiSLang de optimización de diseño e integración de procesos (PIDO) y una cadena de herramientas integrada para unir sin problemas el software en la plataforma de simulación. Las soluciones de Ansys ayudan a tener en cuenta la estrecha dependencia entre el rendimiento térmico; ruido, vibración y aspereza (NVH); y el rendimiento electromagnético observado en los subsistemas de vehículos eléctricos.