Investigation of Wound Field Synchronous Machines using Soft Magnetic Composites for Automotive Applications

Resumen Técnico: Investigación de Compuestos Magnéticos Blandos en Máquinas Síncronas de Campo Devanado con Flujo Radial

Planteamiento del Problema
La industria automotriz enfrenta una necesidad crítica de transitar de los motores de combustión interna a trenes motrices eléctricos para reducir las emisiones de carbono. Aunque las Máquinas Síncronas de Imán Permanente (PMSM) son el estándar actual de la industria debido a su alta eficiencia y rendimiento, dependen de imanes de tierras raras (por ejemplo, NdFeB). Esta dependencia genera desafíos significativos, incluida la volatilidad de la cadena de suministro, altos costos de materiales y preocupaciones ambientales asociadas con la minería y el procesamiento de tierras raras.

Las Máquinas Síncronas de Campo Devanado (WFSM) ofrecen una alternativa libre de tierras raras mediante el uso de electroimanes en el rotor. Sin embargo, las WFSM suelen sufrir de menor eficiencia en niveles de torque medio a alto en comparación con las PMSM, debido a las corrientes de estator más altas requeridas para generar la fuerza magnetomotriz necesaria. Además, el rotor introduce pérdidas en el cobre y desafíos en la gestión térmica. Los diseños convencionales de WFSM a menudo utilizan el mismo acero laminado delgado tanto para el estator como para el rotor para simplificar la fabricación, lo cual puede no ser la configuración óptima para equilibrar costo, eficiencia y rendimiento.

Metodología
Este estudio investiga la aplicación de Compuestos Magnéticos Blandos (SMC) en los estatores de WFSM de flujo radial para abordar estos desafíos de eficiencia y costo. La investigación sigue una metodología estructurada:

1. Modelos de Referencia: Se establecieron dos máquinas base: una PMSM de última generación (270 kW de pico) y una WFSM de referencia (210 kW de pico) que utiliza acero al silicio no orientado (NO25) convencional de 0.25 mm tanto para el estator como para el rotor.
2. Evaluación de Materiales: Se diseñaron seis variantes de WFSM (M1–M6) combinando tres materiales SMC confidenciales (SMC A, B, C) en el estator con dos espesores diferentes de laminación del rotor: el NO25 de referencia (0.25 mm) y un acero al silicio NO35 más grueso y rentable (0.35 mm).
3. Restricciones de Diseño y Modificaciones:
   • Para acomodar las limitaciones de fabricación de los SMC (específicamente la incapacidad de crear características de contrahueco), se eliminaron las puntas de los dientes del estator, resultando en ranuras abiertas.
   • Las dimensiones de las ranuras se ajustaron para tener en cuenta las diferentes características de permeabilidad y saturación de los SMC en comparación con el acero al silicio.
   • El diámetro exterior del estator, la longitud activa y la disposición del devanado se mantuvieron constantes para aislar los efectos de la sustitución de materiales.
4. Optimización: Se utilizó un algoritmo genético multiobjetivo dentro de JMAG (Análisis de Elementos Finitos) para optimizar los diseños. Los objetivos se centraron en maximizar la eficiencia en dos puntos de operación críticos identificados a partir de una simulación del ciclo de conducción WLTP: OP1 (aceleración urbana) y OP2 (cruce en autopista). Las restricciones incluyeron torque de pico (>550 Nm), potencia de pico (>200 kW) y límites de voltaje de CC.
5. Análisis a Nivel de Sistema: Los candidatos seleccionados se evaluaron utilizando un modelo de alta precisión de Unidad de Accionamiento Eléctrico (EDU) que incluía pérdidas de transmisión y electrónica de potencia. La estrategia de control empleada fue Par Máximo por Pérdida (MTPL). La métrica final de rendimiento fue la eficiencia total sobre el ciclo de conducción WLTP completo.

Contribuciones Clave

• Combinación Novel de Materiales: Este artículo presenta la primera investigación sobre la combinación de estatores de SMC con rotores de acero laminado más grueso (0.35 mm) en WFSM de flujo radial. Tradicionalmente, los SMC se han reservado para topologías de flujo axial.
• Selección de Materiales Desacoplada: El estudio demuestra que el estator y el rotor pueden optimizarse independientemente. El estator se beneficia de las propiedades isotrópicas y las capacidades de trayectoria de flujo 3D de los SMC, mientras que el rotor se beneficia del menor costo y las propiedades inductivas mejoradas de las laminaciones más gruesas (NO35), lo cual es factible porque el rotor no enfrenta las mismas restricciones de conmutación de alta frecuencia que el estator en esta topología específica.
• Alta Eficiencia Libre de Tierras Raras: La investigación proporciona una vía viable hacia motores de tracción de alta eficiencia que eliminan completamente los materiales de tierras raras sin sacrificar el rendimiento.

Resultados
La optimización y la comparación arrojaron los siguientes hallazgos clave:

• Configuración Óptima: La variante WFSM designada como M6, que utiliza SMC C en el estator y acero laminado NO35 de 0.35 mm en el rotor, surgió como la mejor desempeño.
• Ganancias de Eficiencia:
  • El motor M6 logró una eficiencia del ciclo de conducción WLTP del 89.7% a nivel de EDU.
  • Esto representa una mejora de 1.4 puntos porcentuales sobre la EDU de referencia basada en PMSM (88.3%).
  • En puntos de operación a velocidad constante, el motor M6 mostró una eficiencia superior: 91.7% a 70 km/h (vs. 88.5% para PMSM) y 92.5% a 130 km/h (vs. 89.9% para PMSM).
• Métricas de Rendimiento: El diseño M6 logró un torque de pico de 640 Nm y una potencia de pico de 215 kW, cumpliendo con todas las restricciones de diseño.
• Mecanismo de Pérdidas: El principal impulsor de la mejora en la eficiencia fue la reducción en la magnitud de la corriente del estator, lo que disminuyó significativamente las pérdidas Joule (cobre), la fuente de pérdida dominante en las WFSM.

Significado y Afirmaciones
El artículo afirma que esta combinación novel de materiales ofrece una "dirección prometedora" para las máquinas de tracción automotriz de próxima generación. El significado del trabajo radica en su capacidad para abordar simultáneamente tres imperativos críticos:

1. Sostenibilidad: Eliminación completa de materiales de tierras raras y uso de SMC, que ofrecen beneficios ambientales potenciales mediante la reducción de residuos de fabricación.
2. Reducción de Costos: El uso de laminaciones más gruesas (0.35 mm) en el rotor reduce los costos de materiales, y la eliminación de imanes permanentes costosos reduce aún más la lista de materiales.
3. Rendimiento: Contrario a la suposición de que los materiales rentables comprometen el rendimiento, la solución propuesta ofrece una mayor eficiencia que un sistema de referencia PMSM.

Los autores concluyen que este enfoque permite el desarrollo de vehículos eléctricos asequibles, de alta eficiencia y libres de tierras raras, desafiando la noción de que las PMSM son la única opción viable para la propulsión automotriz de alto rendimiento.