Mejora de los vehículos eléctricos: los investigadores desarrollan un nuevo motor de alta velocidad

Mejora de los vehículos eléctricos: los investigadores desarrollan un nuevo motor de alta velocidad

Un equipo de investigadores de la Universidad de Nueva Gales del Sur (UNSW) ha desarrollado un nuevo motor de alta velocidad sin precedentes que podría mejorar la autonomía de los vehículos eléctricos (EV).

El nuevo motor es el motor síncrono de imán permanente interior (IPMSM) más rápido que jamás se haya construido con materiales laminados comercializados, alcanzando velocidades de 100.000 revoluciones por minuto, duplicando las velocidades de todos los récords anteriores de alta velocidad de IPMSM laminados.

Función de IPMSM que utiliza par nominal: máxima fuerza continua disponible para empujar el rotor, el componente móvil de un motor, alrededor de un eje para generar energía. La fuerza es conjurada por imanes permanentes que están incrustados en el rotor de acero.

La velocidad máxima de los IPMSM actuales está limitada por los puentes de hierro en sus rotores, que hacen que el motor sufra de baja resistencia mecánica.

Sin embargo, el equipo de UNSW mejoró la solidez mecánica de su IPMSM mediante el desarrollo de una nueva topología de rotor. El nuevo diseño del rotor también reduce la cantidad de materiales de tierras raras necesarios por unidad de producción de energía.

El equipo, encabezado por el Asoc. El profesor Rukmi Dutta y el investigador Guoyu Chu de la Facultad de Ingeniería Eléctrica y Telecomunicaciones de la UNSW se inspiraron para el diseño del motor en el puente ferroviario Gyopo de Corea del Sur, que tiene una estructura de arco de doble enlace y una técnica de distribución de tensión mecánica basada en curvas compuestas. .

Foto de la época
Foto de la época
El diseño del nuevo motor IPMSM se inspiró en el puente ferroviario de doble arco en Gyopo, Corea del Sur. (Foto cortesía del Dr. Guoyo Chu. Suministrada a The Epoch Times por UNSW)

Mejorando la Robustez Mecánica

En un correo electrónico a The Epoch Times, el codirector Chu dijo que hay tres razones por las que el rotor tiene una excelente robustez mecánica.

En primer lugar, la estructura del rotor es mecánicamente robusta y se ha implementado y verificado con éxito en ingeniería civil. En segundo lugar, el equipo estableció un modelo analítico muy preciso para la resistencia mecánica de los rotores IPMSM.

“El análisis en profundidad nos ayudó a modificar e integrar la estructura de arco de doble enlace en el diseño del rotor”, dijo Chu.

Finalmente, se optimizó el diseño del rotor utilizando un paquete de optimización multifísica y multiobjetivo que se basa en un algoritmo genético.

“Este paquete de optimización avanzado desarrollado por UNSW ayudó a encontrar el mejor equilibrio entre las preocupaciones de diseño mecánico y electromagnético del rotor”, dijo.

El paquete de optimización evaluó 90 diseños y nominó al mejor 50 por ciento de ellos; a partir de esta selección, el programa generó una nueva gama de diseños. El programa de optimización repitió este proceso hasta llegar al diseño óptimo, que en el caso de este motor fue la generación 190 que analizó el programa.

“Una de las tendencias de los vehículos eléctricos es que tengan motores que giren a mayor velocidad”, dijo Chu en un comunicado. Comunicado de prensa de la UNSW.

“Todos los fabricantes de vehículos eléctricos están tratando de desarrollar motores de alta velocidad, y la razón es que la naturaleza de la ley de la física le permite reducir el tamaño de esa máquina”.

Chu dijo que, por lo general, cuanto más grande es el IPMSM, mayor es el par nominal y que la potencia de los IPMSM es igual al par nominal multiplicado por la velocidad: qué tan rápido gira el rotor.

“Por lo tanto, una velocidad más alta significa un requisito de par menor para un IPMSM con una potencia nominal específica, lo que lleva a un tamaño de motor más pequeño”, dijo Chu.

“Y con una máquina más pequeña, pesa menos y consume menos energía y, por lo tanto, le da al vehículo un mayor alcance”.

Coche Tesla totalmente eléctrico en una línea de montaje
Coche Tesla totalmente eléctrico en una línea de montaje
Coche Tesla totalmente eléctrico en una línea de montaje en motores tesla fábrica de automóviles en Tilburg, Países Bajos, el 22 de agosto de 2013. (Guus Schoonewille/AFP/Getty Images)

Densidad de poder

Es importante destacar que el nuevo motor de alta velocidad puede producir una densidad de potencia muy alta, lo que permite reducir el peso del motor, lo que es útil para los vehículos eléctricos, ya que aumenta la autonomía con cualquier carga.

“La alta velocidad puede ayudar a reducir tanto el tamaño como el peso del motor, así como del inversor. El peso reducido ayuda a reducir el consumo de energía; el tamaño reducido permitirá poner más baterías en el vehículo eléctrico”, explicó Chu.

“Además, si todo el tren motriz puede optimizarse para el motor de alta velocidad, la eficiencia del sistema también puede aumentar”.

Alteración del motor para vehículos eléctricos

Chu señaló que los investigadores habían tratado de lograr la máxima velocidad absoluta que pudieron con el proyecto, registrando «más de 100,000 revoluciones por minuto» con una densidad de potencia máxima de «alrededor de 7kW por kilogramo».

Dijo que para un vehículo eléctrico, el equipo aumentaría la potencia del motor al reducir un poco su velocidad.

“Podemos escalar y optimizar para proporcionar potencia y velocidad en un rango determinado, por ejemplo, un motor de 200 kW con una velocidad máxima de alrededor de 18 000 rpm que se adapta perfectamente a las aplicaciones EV”, dijo.

Dijo que si un fabricante de vehículos eléctricos quisiera usar este motor en sus automóviles, cree que solo tomaría de seis a doce meses modificar el motor para satisfacer sus especificaciones.

“Tenemos nuestro propio paquete de software de diseño de máquinas donde podemos ingresar los requisitos de velocidad o densidad de potencia y hacer funcionar el sistema durante un par de semanas, y nos brinda el diseño óptimo que satisface esas necesidades”.

Foto de la época
Foto de la época
Un trabajador de General Motors ensambla un vehículo eléctrico híbrido Chevrolet Volt en Detroit el 30 de noviembre de 2010. (Bill Pugliano/Getty Images)

Otras Aplicaciones del Motor

Este nuevo motor tiene muchas aplicaciones potenciales además de su uso en vehículos eléctricos. Por ejemplo, este motor de alta velocidad podría permitir que las máquinas de control numérico computarizado (CNC) de alta precisión, que son muy buscadas en la industria de la aviación y la robótica, perforen o fresan con diámetros mínimos.

Este motor también podría ser útil en grandes sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC), que, para utilizar un nuevo tipo de refrigerante más ecológico, requieren compresores de alta velocidad. Otra posible aplicación es como IDG (generador de accionamiento integrado), que proporciona energía a los sistemas de aeronaves desde el interior del motor de la máquina.

Además, el motor es menos costoso que la tecnología actual y requiere menos materiales de tierras raras como el neodimio.

“La mayoría de los motores de alta velocidad usan un manguito para fortalecer los rotores, y ese manguito generalmente está hecho de un material de alto costo como el titanio o la fibra de carbono”, dijo Chu.

Señaló que el manguito es muy costoso y debe ajustarse con precisión, lo que aumenta el costo de fabricación del motor.

“Nuestros rotores tienen muy buena robustez mecánica, por lo que no necesitamos esa manga, lo que reduce el costo de fabricación”, dijo.

“Y solo usamos alrededor del 30 por ciento de materiales de tierras raras, lo que incluye una gran reducción en el costo del material, lo que hace que nuestros motores de alto rendimiento sean más ecológicos y asequibles”.

lirio kelly

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Lily Kelly es una reportera radicada en Australia para The Epoch Times. Cubre temas sociales, energía renovable, medio ambiente, salud y ciencia.

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