Optimal Design and Finite Element Analysis of an Efficiency BPMDC Motor for EV Propulsion with Reduced Material Cost and Power Losses Using ANSYS Electronics

Los vehículos eléctricos se están convirtiendo en una vista familiar en las carreteras de todo el mundo, sin embargo, el corazón de cada coche eléctrico sigue siendo una máquina compleja: el motor eléctrico. Para mover un vehículo, estos motores deben convertir la electricidad en movimiento con la menor cantidad de desperdicio posible. Cuando la energía se desperdicia, generalmente se convierte en calor o se pierde por la fricción, lo que acorta la autonomía de conducción y aumenta el costo del vehículo. Un tipo específico de motor, conocido como motor de corriente continua de imanes permanentes sin escobillas (brushless), ha surgido como un fuerte contendiente para este trabajo porque es compacto, potente y eficiente. Sin embargo, construir uno no se trata solo de hacerlo girar; requiere un delicado equilibrio de materiales. Los imanes dentro del rotor, el acero en el núcleo y el cobre en los devanados tienen diferentes costos y rasgos de rendimiento. Si los materiales son demasiado caros, el coche resulta inasequible; si son demasiado débiles, el motor desperdicia energía. El desafío para los ingenieros es encontrar la combinación perfecta que entregue un alto rendimiento sin romper el banco.

En un estudio reciente, un equipo de investigadores se propuso resolver este acto de equilibrio para un motor diseñado específicamente para la propulsión de vehículos eléctricos. Se centraron en un motor de 2.08 kilovatios, un tamaño adecuado para vehículos más pequeños o aplicaciones de conducción específicas, y utilizaron simulaciones computacionales avanzadas para probar sus ideas. En lugar de construir prototipos físicos, que pueden ser lentos y costosos, utilizaron un potente conjunto de software llamado ANSYS Electronics. Esta herramienta les permitió crear un modelo digital detallado del motor y observar cómo interactuaban la electricidad y los campos magnéticos en su interior. Los investigadores diseñaron el motor para que funcionara a 220 voltios a una velocidad de 1500 revoluciones por minuto. Seleccionaron cuidadosamente el acero para los núcleos del estator y el rotor y dispusieron los devanados de cobre en un patrón específico para asegurar que las fuerzas magnéticas se distribuyeran uniformemente. El objetivo era ver cómo las diferentes elecciones en los imanes permanentes —las piezas que proporcionan el campo magnético constante dentro del motor— cambiarían la eficiencia del motor y la cantidad de energía que desperdiciaba.

Para encontrar la mejor solución, el equipo no se limitó a probar un tipo de imán. Crearon seis versiones diferentes del motor, cada una utilizando un grado diferente de material de imán permanente. Luego ejecutaron la misma simulación en las seis versiones para ver cuál desempeñaba mejor bajo las mismas condiciones. La computadora calculó cada detalle, desde cuánta calor generaban los cables de cobre hasta cuánta energía se perdía debido al roce de las partes del motor contra el aire. Los resultados fueron claros: no todos los imanes son iguales. Un imán específico, identificado en el estudio como XG196/96, superó a los demás. Esta configuración particular permitió que el motor alcanzara una eficiencia del 87.56 por ciento, que fue la más alta entre el grupo. En contraste, la configuración de imán menos eficiente logró solo alrededor del 85.2 por ciento de eficiencia. La diferencia puede parecer pequeña, pero en el mundo de los vehículos eléctricos, incluso una fracción de un punto porcentual en eficiencia se traduce en más millas recorridas con la misma carga de batería.

El estudio también desglosó exactamente hacia dónde iba la energía y dónde se estaba perdiendo. Con el imán de mejor rendimiento, el motor mostró pérdidas reducidas en todos los ámbitos. Los devanados de cobre, que transportan la corriente eléctrica, perdieron unos 203.7 vatios de potencia en forma de calor. El núcleo de hierro, que guía el campo magnético, perdió 14.77 vatios. Incluso los componentes electrónicos que conmutan la corriente de encendido y apagado, como transistores y diodos, contribuyeron a la pérdida total, pero el equipo pudo cuantificar estas cantidades con precisión. Las pérdidas por fricción y viento (windage), que son los costos energéticos del motor girando a través del aire y la resistencia mecánica de sus partes móviles, se mantuvieron muy bajas, en tan solo 12 vatios. Al comparar estas cifras a través de los seis diseños diferentes, los investigadores pudieron ver que la elección del imán influía directamente en la corriente que fluía a través del motor, lo que a su vez dictaba cuánta energía se desperdiciaba. El imán XG196/96 requería menos corriente para realizar el mismo trabajo, razón por la cual generaba menos calor y desperdiciaba menos energía.

Más allá de la eficiencia, los investigadores observaron qué tan suavemente funcionaría el motor. Un problema común con los motores eléctricos es el "cogging", una sensación de sacudida que ocurre cuando los dientes magnéticos del rotor y el estator se enganchan entre sí. Esto puede causar vibración y ruido, lo cual es desagradable para un conductor. Las simulaciones mostraron que el diseño elegido producía un torque muy suave, lo que significa que la fuerza de giro era constante y estable. El campo magnético dentro del motor se distribuyó de manera uniforme, y las señales eléctricas que impulsan el motor eran limpias y simétricas. El equipo también comprobó la capacidad del motor para comenzar a moverse desde una posición de reposo, un momento crítico para cualquier vehículo. La simulación indicó que el motor podía producir un torque de arranque casi cuatro veces mayor que su torque de operación normal, lo que sugiere que aceleraría con fuerza cuando sea necesario.

El trabajo presentado en este artículo es un estudio de simulación, lo que significa que los resultados provienen de un sofisticado modelo computacional en lugar de una máquina física en un banco de pruebas. Sin embargo, el nivel de detalle en el modelado es alto, teniendo en cuenta las propiedades específicas del acero, la forma exacta de los imanes y el comportamiento de las corrientes eléctricas. Los investigadores no pretendieron haber construido un nuevo coche o un nuevo motor que esté listo para la sala de exhibición. En cambio, proporcionaron un plano riguroso y un método probado para la selección de materiales. Demostraron que, al elegir cuidadosamente el imán adecuado, es posible diseñar un motor que sea tanto rentable como altamente eficiente. Para el futuro del transporte eléctrico, donde cada vatio de energía cuenta, este tipo de ingeniería precisa es esencial. El estudio concluye que el imán XG196/96 ofrece el mejor equilibrio entre rendimiento y costo, proporcionando una base sólida para la próxima generación de transmisiones de vehículos eléctricos.