Motores eléctricos e inversores de altas prestaciones para el mundo de la competición

A medida que los costes disminuyen y las ganas (o la obligatoriedad) de pasarse a lo eléctrico aumentan, los sistemas eléctricos e híbridos específicos para deportes de motor cada vez se extienden a más categorías.

A día de hoy, los distintos proveedores son capaces de ofrecer a los competidores diseños personalizados o sistemas ya desarrollados. Sin embargo, los sistemas estandarizados cada vez son más comunes, debido a la reducción de coste que llevan asociados. Independientemente del sistema empleado, todos cuentan con tres componentes clave: motores de tracción, inversores y un pack de baterías.

Inversores

Un inversor es un dispositivo eléctrico que convierte la corriente continua (procedente de la batería) en corriente alterna (destinada a alimentar el motor de tracción). En el caso de un tren propulsor moderno, el inversor cuenta con una serie de semiconductores de potencia, generalmente transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) o transistores de efecto de campo metal-óxido semiconductor (MOSFET).

Controlar con precisión la entrega de par del motor supone controlar con precisión la conmutación del flujo de energía en el inversor. En el caso de los motores de alto rendimiento, la conmutación debe ocurrir a una frecuencia muy alta (hasta 75 kHz). Y esta conmutación debe ser efectiva tanto durante las fases de aceleración como de regeneración.

Para satisfacer estas demandas, los fabricantes de inversores han recurrido a semiconductores de potencia de carburo de silicio (SiC), junto con un interés creciente en las unidades a base de nitruro de galio (GaN).

Por ejemplo, en la tercera temporada del campeonato de Fórmula E, el proveedor Rohm, en conjunto con el equipo Venturi, empleó un inversor híbrido. Para ello, combinó un IGBT basado en Si con diodos de barrera SiC. El resultado fue un inversor 2 kg más ligero y casi un 30% más pequeño. Además, las pérdidas de conmutación se redujeron casi un 80% con respecto al modelo precedente.

 

Motores de tracción

Junto con la tecnología de inversores, las prestaciones de los motores de tracción han aumentado enormemente en la última década. Los proveedores se esfuerzan por producir diseños con una densidad de potencia cada vez mayor, logrando cifras de hasta 14 kW/kg.

Para el mundo de la competición, los motores síncronos de imanes permanentes (PMSM) predominan sobre los motores de inducción. Los PMSM usan un rotor construido con imanes permanentes, ya sea montados en la superficie del rotor o internamente. El primer enfoque brinda un mayor rendimiento (debido a la proximidad del material magnético al estator) pero es más difícil de diseñar para altas revoluciones, ya que se deben asegurar perfectamente los imanes. La velocidad del motor se controla cambiando el campo magnético del estator a través de un variador de frecuencia (el inversor).

El mercado de los motores está dominado por dos tecnologías diferentes: el motor de flujo radial y el de flujo axial. Como sugieren los nombres, en un motor de flujo radial, el flujo magnético circula radialmente en relación con el eje de rotación, y en un motor de flujo axial circula paralelo a este eje.

La ventaja mecánica que ofrece el diseño de flujo axial es que tiende a tener una densidad de potencia superior a los de flujo radial. Sin embargo, las máquinas de flujo axial tienen algunas limitaciones clave. Garantizar la integridad estructural en aplicaciones de muy alta velocidad o potencia puede ser un desafío debido a la necesidad de aumentar el diámetro del rotor.

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Fuente | PMW Magazine