Marcando el Comienzo de la Siguiente Fase del Diseño de Motores Eléctricos

Desde la industria automotriz hasta la aviación y las aplicaciones industriales, los motores eléctricos están en el centro de atención hoy en día. Pero todavía existen desafíos para una adopción generalizada, incluidos los niveles de potencia y la confiabilidad. Optiphase Drive Systems está utilizando el software Ansys para lanzar un innovador diseño de motor de cinco fases que podría impulsar un cambio revolucionario. 

Cuando se trata de ingeniería de motores de vehículos eléctricos (EV), un diseño trifásico es el estándar de la industria para transformar energía eléctrica en energía mecánica. Inventados por M. Dolivo-Dobrovolski en 1889 para AEG, Alemania, los motores trifásicos se basan en tres corrientes alternas de la misma frecuencia para generar las interacciones electromagnéticas capaces de impulsar un vehículo.

Los motores trifásicos son muy adecuados como motores de tracción para unidades de propulsión de vehículos eléctricos. Sus niveles de potencia de salida pueden llegar a 400 kW con una velocidad de rotación del motor de hasta 25.000 rpm, soportando velocidades del eje del vehículo de hasta 1.200 rpm.

Si bien el rendimiento de los motores trifásicos es impresionante, también tienen limitaciones. Por ejemplo, carecen del par y la potencia necesarios para aplicaciones de vehículos eléctricos de próxima generación, como la maquinaria aeroespacial y pesada. También tienen una tolerancia limitada a fallos; si falla sólo una de las tres fases, el motor pierde par y se detiene. Y, por último, la solución más común para los motores de tracción de vehículos eléctricos utiliza imanes permanentes de alta energía que contienen metales de tierras raras, lo que supone un problema de sostenibilidad.

Daniel Vicario y Siavash Sadeghi fundaron Optiphase Drive Systems (ODS) para abordar estas limitaciones y ampliar el uso de vehículos eléctricos más allá de los vehículos livianos. La startup con sede en Texas está aprovechando el software Ansys para lanzar un diseño de motor EV de cinco fases que podría cambiar la industria y está atrayendo la atención tanto de inversores como de agencias gubernamentales. El programa Ansys Startup apoya sus esfuerzos para hacer que los motores de vehículos eléctricos sean más potentes, más confiables y más sostenibles.

Vicario y Sadeghi trabajaron juntos en Capstone Turbine (ahora Capstone Green Energy), un fabricante de turbinas de gas. Cuando ambos dejaron la empresa en 2015, decidieron mantenerse en contacto gracias a su pasión compartida por el diseño de motores y el emprendimiento. Vicario pasó a ocupar puestos en Parker Aerospace y Eaton, mientras que Sadeghi trabajó para Honeywell, Supernal e Hyperloop. Durante años mantuvieron un estrecho contacto.

“Sabía que Siavash estaba perfeccionando su diseño para un motor eléctrico de cinco fases, y representaba una gran idea, una que realmente podría revolucionar la industria energética y ofrecer enormes beneficios a la sociedad”, dice Vicario, director ejecutivo de ODS. “Sólo teníamos que esperar el momento adecuado”.

El innovador diseño del motor fue desarrollado por Sadeghi, ahora director de tecnología de ODS, mientras obtenía su doctorado. en diseño y control de máquinas eléctricas en el Instituto de Tecnología de Georgia. “Como estudiante de doctorado, investigué mucho y creé prototipos para el concepto del motor de cinco fases, y seguí perfeccionándolo en mi tiempo libre a medida que mi carrera despegaba”, señala.

“Finalmente, pude llegar a un punto en el que creí que la tecnología podría comercializarse con éxito”, continúa Sadeghi. “Tanto Daniel como yo nos dimos cuenta de que era hora de dedicarnos a esto a tiempo completo”.

A principios de 2017, Vicario y Sadeghi fundaron ODS para centrarse en transformar esa idea en un producto patentado y comercializado.

Los motores cinco fases funcionan de la misma manera que los motores trifásicos. Sin embargo, como el par es proporcional al número de fases, a partir del mismo volumen de motor y misma corriente se consigue un aumento de más del 15% del par. Los motores cinco fases ODS ofrecen un 17 % más de potencia, un rango de velocidad un 6 % más alto y un 40 % menos de carga de corriente por interruptor, todo sin aumentar el tamaño o el peso del motor, una enorme mejora con respecto a los motores trifásicos. Esas especificaciones podrían hacer que los motores de vehículos eléctricos sean adecuados para una nueva gama de aplicaciones de alta potencia.

“La impresionante potencia y par que ofrece este motor abrirá la puerta a una gama completamente nueva de industrias y clientes”, señala Sadeghi. “Los vehículos pesados, como los de las industrias aeroespacial, de defensa, marina, de construcción y agrícola, ahora pueden electrificarse, sin la necesidad de propulsarlos con múltiples motores”. Un algoritmo de control patentado desarrollado por Sadeghi, llamado ADAPTIV, ayuda a minimizar la corriente requerida por cada interruptor, mientras maximiza la densidad de potencia. El resultado es un diseño más pequeño y liviano que ofrece una potencia extremadamente alta.

Los motores de cinco fases de ODS también tienen una tolerancia a fallos mucho mayor que los diseños trifásicos actuales. Pueden fallar hasta dos fases y el motor ODS seguirá produciendo par. Esto representa una mejora significativa en la confiabilidad con respecto a los diseños trifásicos.

Debido a que Vicario es un ex oficial de la Marina de los Estados Unidos y aviador, el tema de la confiabilidad le preocupa especialmente. “Durante el tiempo que volaba en misiones de ataque y reconocimiento de largo alcance de los buques de guerra de la Marina de los EE. UU., experimenté una falla en el equipo causada por un cortocircuito, que casi me cuesta la vida”, explica. “Por eso me apasiona tanto el rendimiento fiable. Ya sea un automóvil familiar que circula por una ubicación remota, un vehículo de primeros auxilios que se dirige a una emergencia o una aplicación aeroespacial avanzada, simplemente no podemos permitir fallas en los motores de los vehículos eléctricos. Nuestro diseño de cinco fases reduce drásticamente ese riesgo”. 

El impacto medioambiental también juega un papel clave en los motores eléctricos. Gracias a su tecnología de cinco fases y sus diseños patentados, los motores para vehículos eléctricos de ODS requieren menos metales de tierras raras. Según Vicario y Sadeghi, esa es una ventaja importante en una industria basada en la premisa de la responsabilidad ambiental. También contribuye a una reducción de costes estimada del 25 % en comparación con la generación actual de motores eléctricos trifásicos.

Si bien Vicario y Sadeghi no quieren revelar demasiado, los fabricantes de equipos pesados, los fabricantes de automóviles y las agencias gubernamentales de EE. UU. ya están notando el diseño de su motor de cinco fases. Como solo un ejemplo, ODS demostró recientemente su tecnología a la Fuerza Aérea de EE. UU. como parte de su Desafío de generación de energía de sistemas de aeronaves no tripuladas (UAS). ODS obtuvo este honor al presentar una propuesta y avanzar a la siguiente ronda de competencia, superando a algunos de los líderes aeroespaciales del mundo.

Según Sadeghi, la simulación de ingeniería ha sido fundamental para hacer avanzar el concepto, verificar el rendimiento y demostrar su potencial tanto a clientes como a inversores. “A finales de 2022, construimos un prototipo de motor físico en colaboración con la Universidad de Texas en Dallas. No hubo sorpresas porque la simulación ya había predicho el éxito del diseño. Siempre será necesaria una prueba física de concepto, pero la simulación ahorra enormes cantidades de tiempo y dinero en el camino para llegar allí.

“Sin simulación, necesitaríamos gastar millones de dólares para construir prototipos físicos e iterarlos, y eso simplemente no es posible para una startup”, añade Sadeghi. “El software Ansys nos permite modificar componentes como imanes de forma iterativa, no solo para probar inicialmente nuestro concepto, sino también para ajustar el diseño básico para diferentes aplicaciones industriales y de clientes. Ansys es único porque la gama de su conjunto de herramientas nos permite observar simultáneamente los aspectos electromagnéticos y electromagnéticos. aspectos de rendimiento mecánico, así como explorar compensaciones”.

Tanto Vicario como Sadeghi están agradecidos por la oportunidad de acceder a las licencias de software de Ansys a través del Ansys Startup Program. “Ansys está literalmente invirtiendo en el futuro de pequeñas empresas como ODS al brindarnos acceso a herramientas de desarrollo líderes en la industria”, enfatiza Vicario. “Cuando inicias un negocio, no tienes mucho flujo de caja. El programa Ansys Startup realmente nos ha mantenido en el juego financieramente. Estamos en un lugar realmente emocionante y no estaríamos aquí sin Ansys”.

“El software Ansys nos permite modificar componentes como imanes de forma iterativa, no solo para probar inicialmente nuestro concepto, sino también para ajustar el diseño básico para diferentes aplicaciones industriales y de clientes. Ansys es único porque la gama de su conjunto de herramientas nos permite observar simultáneamente los aspectos electromagnéticos y electromagnéticos. aspectos de rendimiento mecánico, así como explorar compensaciones”.

Siavash Sadeghi, director de tecnología de ODS