La solución de Ansys para el control de temperatura en motores eléctricos

El diseño de un motor eléctrico requiere un profundo conocimiento de las distintas tecnologías que pueden influir en la masa, el rendimiento y el coste del motor, idealmente en una fase temprana, cuando aún se están considerando las opciones de diseño y el coste del cambio es bajo. A medida que las máquinas eléctricas se hacen más pequeñas, ligeras y potentes, las restricciones térmicas imponen importantes limitaciones al rendimiento final de los motores eléctricos. Sólo las aplicaciones en el mercado de la automoción requieren sistemas eficaces de gestión térmica, un proceso de varias etapas para tener en cuenta las métricas de rendimiento y los materiales adecuados para ser viables en el mercado actual.

Esencialmente, la refrigeración del motor garantiza que los componentes eléctricos funcionen de forma eficiente en los sistemas de motores de tracción de los vehículos eléctricos (VE). Los principales métodos de refrigeración utilizados para los motores de tracción de los VE son la refrigeración por camisa de agua y la refrigeración por pulverización de aceite. De los dos, la refrigeración por camisa de agua se considera uno de los métodos de refrigeración menos complicados. Con este método, una carcasa integrada llena de agua envuelve el estator, o parte estacionaria del motor, y los conectores de entrada y salida permiten que el agua circule. La refrigeración del estator es el resultado de un intercambio de calor estándar.

Durante el proceso de refrigeración por pulverización de aceite, el calor es absorbido por el aceite pulverizado sobre los componentes del motor que generan calor bajo cargas elevadas. A pesar de su complejidad variable, cualquiera de los dos métodos puede proporcionar una refrigeración potente, dependiendo de la aplicación.

Para elegir el método de refrigeración adecuado, los ingenieros deben tener un conocimiento sólido de las necesidades de rendimiento térmico en función del tamaño y el tipo de motor con el que trabajan. En el caso concreto de los vehículos eléctricos, el rendimiento del vehículo se ve afectado negativamente por las altas temperaturas del motor, y los malos resultados en este ámbito pueden impedir que el vehículo cumpla las especificaciones de calidad y seguridad. Con un sistema de refrigeración eficaz en un motor de tracción, los ingenieros pueden tener más libertad para adoptar un enfoque más sencillo para la refrigeración general del vehículo, que incluye la refrigeración de la batería, la refrigeración de la electrónica de potencia y el sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC).

Por ejemplo, en un vehículo de gasolina, los termostatos, el refrigerante y el radiador trabajan juntos para eliminar el calor del motor de combustión. Sin embargo, en los vehículos eléctricos, la gestión térmica implica otras responsabilidades: la refrigeración de las baterías, la electrónica de potencia y el motor de tracción. Dado que el movimiento de las ruedas de los VE es accionado por un motor, la temperatura de funcionamiento del motor eléctrico de tracción es fundamental para el rendimiento del vehículo. Cuando aumenta la carga, el motor consume más energía de la batería y se calienta. Esto presenta una matriz cada vez más compleja de objetivos de ingeniería con retos de acoplamiento térmico y electromagnético en juego.

Para optimizar el diseño del sistema, los ingenieros recurren a herramientas de simulación para obtener información precisa que les permita realizar cambios en el diseño y seleccionar componentes a gran velocidad. Considerando únicamente el motor de tracción, hay varias decisiones de diseño que afectan al funcionamiento de todo el vehículo. Esto, junto con la necesidad de ofrecer una mayor densidad de potencia y eficiencia energética en un diseño más compacto, sitúa la gestión térmica en el centro de los diseños de motores eléctricos más eficientes.

Afronte los retos del diseño térmico de motores eléctricos

No toda la energía proporcionada por una estación de carga acaba utilizándose para alimentar el motor. La energía puede perderse debido al calor, la fricción y otros factores. Gestionar el calor mejora la eficiencia mecánica, sobre todo ante el aumento de la densidad de potencia. El método de refrigeración adecuado puede prolongar la vida útil del motor y mejorar la eficiencia de la vida útil ralentizando el envejecimiento del aislamiento, manteniendo el material magnético por debajo de la temperatura de desmagnetización (en máquinas de imán permanente), adaptándose a las limitaciones conocidas de los componentes electrónicos de potencia y los lubricantes, y limitando la resistencia.

Ansys ofrece funciones de simulación multifísica para todos los tipos de refrigeración, lo que ayuda a diseñar con éxito motores eléctricos por primera vez teniendo en cuenta la estrecha dependencia del rendimiento térmico y electromagnético. Ansys Fluent y Ansys Maxwell son dos de las diversas herramientas que proporcionan un acoplamiento electromagnético y térmico bidireccional sin fisuras con la computación escalable necesaria para afrontar los retos térmicos en el diseño de motores eléctricos.

Cómo seleccionar los materiales

Cuando se enfrentan a altas temperaturas, los materiales acaban superando su rango de funcionamiento normal, lo que provoca cambios de fase, reblandecimiento, fusión, degradación y fatiga del material. Por ejemplo, algunos metales de tierras raras se desmagnetizan cuando se sobrecalientan, acortando la vida útil de un motor. Los ingenieros se enfrentan al reto de equilibrar la gestión térmica con el coste de los materiales modernos resistentes al calor.

Desde la selección hasta los retos de la cadena de suministro, la gestión de materiales desempeña un papel importante en el éxito del diseño de un motor eléctrico. Los datos de materiales para devanados de estator, aislamiento térmico, ejes de rotor y otros componentes críticos pueden encontrarse en Ansys Granta MI. Garantizar que la simulación multifísica utiliza los modelos de materiales más precisos para las propiedades estructurales, térmicas y electromagnéticas del motor marca la diferencia en la creación de prototipos virtuales.

Gestión del calor en el flujo de trabajo de diseño de motores de tracción eléctrica

Ansys ofrece un flujo de trabajo integrado para que los ingenieros exploren los requisitos de diseño y las compensaciones con un flujo de trabajo de ingeniería creado específicamente para los diseñadores de motores eléctricos. Ayuda a los ingenieros a tomar las primeras decisiones, como el dimensionamiento del motor en Ansys Motor-CAD, mediante análisis electromagnéticos, térmicos y mecánicos detallados. La solución también incluye el software de integración de procesos y optimización del diseño (PIDO) Ansys optiSLang y una cadena de herramientas integrada para unir sin problemas el software de la plataforma de simulación. Las soluciones de Ansys ayudan a tener en cuenta la estrecha dependencia entre el rendimiento térmico, el ruido, la vibración y la dureza (NVH), y el rendimiento electromagnético que se observa en los subsistemas de los vehículos eléctricos.