Para agilizar su proyecto, puede etiquetar las pilas de laminación con detalles como tolerancia, material, acabado superficial, si se requiere o no aislamiento oxidado, cantidady mucho más.
Las unidades de accionamiento integradas no perdonan los errores geométricos. Una vez que se fijan las proporciones del estator y el rotor, se bloquean la densidad del par, el comportamiento acústico, la complejidad de la refrigeración, la lista de materiales e incluso las palabrotas que dirán los técnicos de servicio sobre la unidad diez años después. El software recorta los bordes; el metal determina la forma del problema.
La mayoría de los documentos sobre EDU hablan de mapas de eficiencia y densidad de potencia, pero los equipos de vehículos se preocupan por otro conjunto de cifras: el espacio entre ejes, los rieles de choque, los puntos de recogida del subchasis y el espacio libre del túnel de la batería. Las reseñas de las EDU modernas muestran la misma tendencia: el motor, la caja de cambios y el inversor se dimensionan juntos como un único objeto mecánico, y no como tres componentes separados que solo comparten un eje.
Esto significa que el diámetro exterior del estator y la envolvente del rotor no son «variables de diseño del motor» aisladas. Son requisitos que compiten por el volumen con el conjunto de engranajes, el diferencial y el inversor. Los ejes eléctricos de alta velocidad de AVL y otros fabricantes lo demuestran claramente: reducen al máximo la longitud y el diámetro del rotor, y luego lo compensan con una mayor velocidad y una mayor relación de reducción en el tren de engranajes.
Por lo tanto, cualquier debate sobre las ventajas e inconvenientes del tamaño del rotor que ignore la fundición del EDU, los ángulos del semieje o el grosor del ladrillo del inversor ya es incompleto.
En teoría, se podría partir del par y la velocidad base, elegir una topología de motor y dejar que el CAD determine dónde colocar todo lo demás. En un programa real, a menudo se hace al revés. Los puntos de fijación de la carrocería en bruto proporcionan un «cilindro delimitador» del motor entre los semiejes y la cara del inversor. La caja de cambios quiere su propia parte de ese espacio. Los ingenieros térmicos reclaman entonces el grosor de las paredes y los conductos de aceite. Solo después de este tira y afloja se descubre qué diámetro de rotor y qué longitud de pila quedan realmente.
El motor compacto de Lucid es un buen ejemplo: el rotor, el estator, el hardware de refrigeración y el conjunto planetario están estrechamente entrelazados, con el diferencial integrado en el eje del rotor. El motor no puede crecer axialmente porque el conjunto de engranajes debe quedar alineado; tampoco puede crecer radialmente porque la carcasa debe permanecer entre los elementos de la suspensión.
Así que la respuesta honesta es: ni el estator ni el rotor son realmente lo primero. Lo primero es la envolvente EDU, y la geometría del rotor/estator es lo que hay que resolver para que esa envolvente funcione eléctrica, térmica y mecánicamente.
Todos los que trabajan en este campo conocen las proporcionalidades básicas. El par motor varía en función del radio del entrehierro, la longitud axial y la tensión de cizallamiento. Es tentador intentar aumentar el par motor simplemente aumentando el diámetro del rotor hasta que la carcasa se resienta. Esto funciona durante un tiempo. Pero luego aparecen los problemas.
Los diámetros más grandes aumentan la velocidad de la punta del rotor para unas revoluciones mecánicas determinadas. La tensión centrífuga en el manguito y los imanes aumenta con el cuadrado de la velocidad, por lo que los márgenes de seguridad mecánica se reducen rápidamente una vez que se supera un determinado radio para unas revoluciones máximas determinadas. Los estudios sobre ejes de alta velocidad y los nuevos conceptos de refrigeración del rotor ponen de relieve el gran esfuerzo que se está dedicando actualmente a gestionar estas tensiones y temperaturas en las máquinas compactas de los vehículos eléctricos.
Por otro lado, los rotores largos y delgados tienen sus propios problemas. Aumentan los modos de flexión, pueden amplificar las excitaciones del engranaje en las EDU y resultan molestos desde el punto de vista de la tolerancia de apilamiento. Los artículos sobre NVH en ejes eléctricos muestran cómo los modos del eje y del rotor se acoplan con la dinámica de la carcasa y el engranaje de formas que no favorecen la tranquilidad de la cabina, especialmente cuando se eleva la velocidad del motor a más de 10 000 rpm.
Todo eso se suma a lo obvio: el diámetro afecta a la longitud del recorrido del cobre en el estator, a la densidad de flujo de los dientes del estator y a la cantidad de hierro que se necesita en la culata. La longitud afecta a la proporción del extremo del devanado, a las vías de fuga axial y, en ocasiones, a la distribución de la refrigeración. Ya conoce las ecuaciones; lo que importa en una EDU es cómo interactúan estos efectos electromagnéticos con la fundición, los engranajes y el aceite.
Aquí hay una forma de resumir las decisiones geométricas a las que siempre vuelves en las unidades integradas:
| Sesgo del rotor dentro de la EDU | Tendencia típica de D/L | Ayuda con | Crea problemas con |
|---|---|---|---|
| Corto, de gran diámetro | D relativamente alto, L corto | Par máximo por mm axial, paquete axial compacto, espacio para engranajes coaxiales. | Velocidad periférica y tensión del manguito, refrigeración del rotor, retención magnética, pérdidas por remolinos en máquinas PM, pérdidas por agitación del aceite cerca del diámetro exterior. |
| Largo, de diámetro pequeño | D modesto, L largo | Menor esfuerzo mecánico a alta velocidad, contención más fácil, a menudo mejor NVH para un rango de rpm determinado. | Dinámica del eje, longitud del cojinete, embalaje con planetario/diferencial, mayor proporción de bobinado final, problemas de longitud de la carcasa. |
| Equilibrado | D y L moderados | Eficiencia robusta durante el ciclo de conducción, diseños de refrigeración más flexibles, integración más sencilla con cajas de engranajes helicoidales o de ejes paralelos. | Menos cifras «heroicas» en métricas individuales como la densidad de par máximo, más negociación necesaria entre los equipos para mantener el punto óptimo. |
La cuestión no es que una fila sea «correcta». Es que, una vez que se elige un sesgo, toda una serie de decisiones secundarias se vuelven casi obligatorias.
Las máquinas EV modernas utilizan tecnologías de estator que ya son conocidas: estatores en horquilla o bobinados en barra para un alto llenado de ranuras, núcleos de estator segmentados, bobinados concentrados en algunos diseños. Pero cuando el motor se encuentra dentro de una EDU, esas opciones dejan de ser solo electromagnéticas.
Los estatores segmentados con bobinados concentrados de ranura fraccionaria son atractivos porque simplifican la fabricación, permiten un alto llenado de ranuras y pueden integrar canales de refrigeración en segmentos individuales. El trabajo del DOE y otros muestra que estos conceptos cumplen con los agresivos objetivos de densidad de potencia con refrigeración integrada. Sin embargo, las juntas de los segmentos, las características adicionales de las placas finales y el complejo recorrido del refrigerante ocupan espacio que podría haber pertenecido al radio del rotor o a los elementos de la caja de engranajes.
Los devanados en horquilla, tal y como se utilizan en motores de producción como el Ampera-e, aprovechan bien el área de la ranura del estator y se adaptan perfectamente a la fabricación automatizada. Sin embargo, en un EDU, los extremos en horquilla requieren espacio axial. Esto aumenta la longitud axial del motor o resta longitud al conjunto de engranajes. También produce zonas densas de cobre justo donde el enfriamiento y el recorrido de las barras colectoras ya están abarrotados.
El embalaje del inversor retroalimenta entonces: los módulos de potencia y las barras colectoras más gruesas podrían provocar un mayor diámetro exterior del estator u obligar al motor a desplazarse con respecto al conjunto de engranajes, lo que puede cambiar la ubicación en la que se pueden colocar los soportes de los cojinetes y los soportes del rotor. La conversación sobre la geometría se repite.
Los clientes juzgan los EDU más con sus oídos que con gráficos FFT. Y la geometría del rotor/estator se percibe claramente en esos oídos.
El diámetro y la longitud del rotor modifican la rigidez y la masa del conjunto giratorio y, por lo tanto, los modos de flexión y torsión del eje. Cuando esto interactúa con las frecuencias de engranaje y los armónicos de conmutación del inversor, el resultado puede ser un ruido tonal que ningún filtro de software puede eliminar por completo. Los estudios centrados en el ruido, la vibración y la dureza (NVH) de los ejes eléctricos hacen hincapié en el diseño conjunto temprano entre las fuerzas electromagnéticas, los modos estructurales y la dinámica de los engranajes, en lugar de los parches en etapas tardías.
La geometría del estator también es importante: los dientes estrechos y el elevado número de ranuras desplazan los números de onda de la fuerza y pueden empujar la excitación dominante hacia regiones menos sensibles de las funciones de transferencia acústica de la cabina. Sin embargo, un número muy elevado de ranuras aumenta la complejidad de la fabricación y puede entrar en conflicto con las normas de embalaje para horquillas o juntas segmentadas. Una vez más, se trata de compensaciones, no de ventajas gratuitas.
Si observamos las estrategias actuales de refrigeración de los motores eléctricos, se aprecia un patrón. El aceite o el fluido dieléctrico suelen lavar el rotor y el estator, y luego transfieren el calor a un circuito de agua y glicol y, a continuación, a un radiador. El circuito de aceite comparte espacio con engranajes, cojinetes y juntas, además de todo lo que el equipo de transmisión necesita para la lubricación y el control de las pérdidas por agitación.
Las reseñas sobre refrigeración y las guías de selección ahora hacen hincapié en que hay que considerar el rotor, el estator, la carcasa e incluso el inversor como un único objeto térmico. Un rotor grueso con alta densidad de pérdidas puede ser adecuado desde el punto de vista electromagnético, pero obliga a utilizar un complejo sistema de refrigeración líquida canalizada a través del eje o chorros de aceite muy agresivos, lo que aumenta la potencia de la bomba y el riesgo de diseño. Un rotor largo y delgado distribuye la pérdida axialmente, pero puede requerir carcasas más largas y más superficie para el mismo flujo de refrigerante, lo que tampoco es gratuito.
El paquete del estator interactúa con esto. Las camisas internas, los canales incrustados en los segmentos del estator y la refrigeración directa de los devanados finales requieren elementos moldeados o insertos. Estos elementos ocupan espacio radial y axial que podría haberse destinado al radio del rotor o al ancho de la cara del engranaje.
Las herramientas formales de optimización multidominio son útiles, y los trabajos recientes sobre la cooptimización integrada del eje eléctrico con aprendizaje automático son impresionantes. Sin embargo, los equipos de ingeniería siguen tomando las primeras decisiones basándose en patrones simples.
Un patrón: empezar por el vehículo y la caja de cambios, no por el motor. Bloquear la envolvente exterior máxima permitida de la EDU, la estrategia de reducción de marchas y el volumen del bloque inversor. Eso le da un «cilindro presupuestario» para el motor. Dentro de ese presupuesto, elija una banda de velocidad del rotor que se ajuste a los materiales magnéticos disponibles, la tecnología de contención y las expectativas del cliente en cuanto a NVH.
Una vez acordada la banda de velocidad, utilice el diámetro del rotor como moneda común entre los equipos electromagnéticos, mecánicos y térmicos. Cada milímetro adicional de diámetro debe aportar un beneficio claro y cuantificable en cuanto a densidad de par o reducción de pérdidas, y su precio debe ser visible en la contención, la velocidad de punta y la agitación del aceite. La longitud axial se convierte entonces en la variable que mantiene la eficiencia a lo largo del ciclo de conducción en un nivel razonable, en lugar de un avance silencioso en cada revisión del diseño.
Un segundo patrón: tratar las características del embalaje del estator como partidas individuales en el mismo presupuesto. Si se proponen estatores segmentados o camisas de refrigeración complejas, exigir una justificación explícita en términos de coste de fabricación, estrategia de reparación o una mejora cuantificable en la eficiencia o la densidad de potencia durante un ciclo de conducción realista, no solo en el pico. De lo contrario, ese material simplemente está ocupando espacio del rotor sin aportar una ganancia clara.
El espacio comercial no es estático. Las revisiones de los últimos avances en motores de tracción muestran una creciente atención a las velocidades mecánicas más altas, los materiales no tradicionales para rotores y los conceptos de rotores múltiples o flujo axial para aumentar la densidad de potencia sin limitarse a aumentar el diámetro.
Los manguitos de rotor reforzados con fibra de carbono e incluso los cuerpos estructurales de rotor están pasando de los artículos de investigación a prototipos serios, lo que ofrece una mejor contención a altas velocidades periféricas y abre la puerta a diámetros de rotor más agresivos en carcasas compactas. Las arquitecturas multistator y multirrotor pueden apilar etapas generadoras de par sin aumentar el diámetro exterior, a costa de la complejidad mecánica y, en ocasiones, del crecimiento axial.
En el lado del estator, los nuevos diseños de refrigeración y los conceptos integrados de inversor-motor hacen que la imagen tradicional del «motor con piezas atornilladas» siga desvaneciéndose. Los diseños integrados que envuelven el inversor alrededor o dentro de la carcasa del motor cambian la dirección en la que se puede crecer, y en qué medida, y también modifican el lugar al que realmente va el calor.
Por lo tanto, el tamaño del rotor y el embalaje del estator siguen siendo los dos factores principales para la densidad de potencia y la compacidad de la EDU, pero el conjunto de materiales y herramientas de integración que los rodean sigue ampliándose. Eso es una buena noticia, pero también significa que las antiguas reglas empíricas deben revisarse periódicamente en función de los nuevos datos.
Si usted es responsable de una unidad de accionamiento integrada, en realidad está decidiendo qué parte de su envolvente limitada corresponde al radio del rotor, qué parte a la longitud axial y qué parte al cobre del estator, al acero, a la estructura de refrigeración, al conjunto de engranajes y al inversor. Cada milímetro tiene una función.
Lo más práctico es hacer explícitos esos trabajos. Vincule el diámetro del rotor, la longitud del rotor y las opciones de embalaje del estator con métricas concretas del sistema: no solo el pico de kW o Nm, sino también la eficiencia del ciclo de conducción, la potencia de la bomba, los objetivos acústicos, la complejidad del montaje, el CO₂ por unidad y la estrategia de servicio. Utilice modelos y datos de pruebas para comprobar que no está simplemente trasladando el problema de la electromagnética al NVH o de la refrigeración a la fabricación.
Si lo haces de forma sistemática, las «compensaciones en el tamaño del rotor» dejarán de ser un tema abstracto del diseño de motores. Se convertirán en un lenguaje común para todo el equipo de EDU, en el que todos podrán comprender por qué el motor tiene exactamente el grosor, la longitud y la complejidad que tiene.
Para agilizar su proyecto, puede etiquetar las pilas de laminación con detalles como tolerancia, material, acabado superficial, si se requiere o no aislamiento oxidado, cantidady mucho más.
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