La simulacion multifisica es clave para el alto rendimiento del motor de traccion

Los fabricantes de equipos originales (OEM, por sus siglas en inglés) de automóviles enfrentan el difícil desafío de diseñar una nueva generación de motores de tracción, que desempeñan un papel fundamental en el diseño de vehículos eléctricos híbridos (HEV, por sus siglas en inglés) y de vehículos eléctricos, al transformar la energía eléctrica en energía física que se usa para hacer girar las ruedas de el vehículo. La eficiencia con la que los motores de tracción pueden realizar esta conversión es fundamental debido a su impacto en la autonomía y la duración de la batería del vehículo. Otro desafío de diseño es la necesidad de minimizar el contenido de metales de tierras raras, ya que estos materiales son cada vez más escasos.

Los OEM se enfrentan a una gran cantidad de posibles combinaciones de los muchos parámetros de diseño involucrados en el diseño del motor de tracción. Por ejemplo, al más alto nivel, necesitan determinar si un diseño interior de imán permanente, máquina de inducción o máquina de reluctancia conmutada es la mejor opción para el vehículo.

El método tradicional de diseño de motores de tracción implica construir y probar prototipos para evaluar cada alternativa de diseño. La debilidad de este enfoque es que el costo y el tiempo involucrados significan que los ingenieros pueden estudiar solo unas pocas alternativas de diseño; por lo tanto, no pueden optimizar el rendimiento del motor en todo su potencial. La simulación permite a los ingenieros estudiar cientos de miles de alternativas de diseño para que puedan iterar a un diseño de motor de tracción que brinde un nivel mucho más alto de eficiencia mientras cumple con las restricciones y los requisitos.

Por lo tanto, los OEM utilizan software de ingeniería multifísica para desarrollar prototipos virtuales de motores de tracción que les ayuden a comprender cómo se comportará una alternativa de diseño en particular sin tener que construir hardware físico. La primera fase del proceso de diseño, por lo general, consiste en estudiar el electromagnetismo de la máquina eléctrica mediante la simulación de campos electromagnéticos. Estas herramientas calculan el perfil de torsión de la máquina. Los parámetros de diseño, como el tamaño y la geometría del imán, varían para optimizar las compensaciones entre el rendimiento y la eficiencia frente al tamaño, el peso y el coste.

Un enfoque de simulación integrado y sistemático

En las primeras etapas, los ingenieros obtienen una comprensión de las compensaciones de rendimiento en cada dominio individual involucrado en el rendimiento del motor de tracción electromagnético, eléctrico, térmico, electromecánico, controlador, etc. Más tarde, comienzan a vincular múltiples dominios en una sola simulación para que pueden optimizar simultáneamente diferentes dominios.

Por ejemplo, los motores de tracción pueden ser una fuente importante de ruido en los vehículos eléctricos. Por lo tanto, la salida de par calculada generada por la simulación electromagnética se utiliza en un solucionador de mecánica estructural para calcular las tensiones mecánicas, las cargas, las deformaciones y las vibraciones del tren motriz. Se utiliza un solucionador de dinámica de fluidos para estudiar problemas de gestión térmica, mapear pérdidas de energía y determinar la distribución de calor en el conjunto de motor/generador.

Otro ejemplo de simulación multifísica calcula la tensión y la deformación en la laminación y las bobinas del estator y utiliza los resultados para realizar análisis de vibración/ruido acústico o fatiga. La simulación predice la cantidad de ruido generado por el motor de tracción, así como su vida útil.

El desarrollo basado en simulación brinda la capacidad de evaluar rápidamente muchas alternativas de diseño de motores de tracción y predecir su rendimiento en un corto período de tiempo. Los ingenieros de los principales fabricantes de HEV y EV están utilizando herramientas de simulación basadas en multifísica para producir diseños de motores de tracción superiores y llevarlos al mercado antes que la competencia.