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Flux-map-based optimal current reference generation for copper-loss minimization and fault-tolerant control of a six-phase electrically excited synchronous motor

Este artículo propone y valida experimentalmente una estrategia de tabla de búsqueda de campo variable para motores síncronos de excitación eléctrica de seis fases que utiliza mapas de flujo concatenado no lineales para generar referencias de corriente óptimas, minimizando así significativamente las pérdidas por efecto Joule y asegurando la operación tolerante a fallas bajo fallas de fase abierta única.

Autores originales: Mohamed Ahmed Osman, Ayman Samy Abdel-Khalik, Ragi Ali Hamdy, Abdelrahman Ismail

Publicado 2026-10-20

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CC BY 4.0

Autores originales: Mohamed Ahmed Osman, Ayman Samy Abdel-Khalik, Ragi Ali Hamdy, Abdelrahman Ismail

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Los motores eléctricos son los caballos de batalla silenciosos de la vida moderna, impulsando desde robots de fábrica hasta los coches que conducimos. Durante décadas, las versiones más potentes y eficientes de estas máquinas han dependido de imanes permanentes, trozos de metal raro que crean un campo magnético constante sin necesidad de electricidad. Sin embargo, estos imanes dependen de materiales que son difíciles de obtener y ambientalmente costosos de extraer. Esto ha impulsado a los ingenieros a buscar alternativas, específicamente motores que crean sus propios campos magnéticos utilizando bobinas de cable y electricidad, de forma muy similar a un electroimán. Estas máquinas ofrecen una ventaja única: debido a que el campo magnético es creado por la electricidad, este puede ajustarse sobre la marcha. Esta flexibilidad permite que el motor se adapte a diferentes velocidades y cargas de manera más efectiva que sus primos de imanes permanentes. No obstante, esta misma flexibilidad crea un rompecabezas complejo. Dado que el motor tiene múltiples formas de generar la misma cantidad de potencia mezclando diferentes cantidades de corriente en diferentes partes de la máquina, encontrar la combinación única ideal para ahorrar energía es increíblemente difícil, especialmente cuando la máquina es llevada a sus límites o cuando una parte de ella falla.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Alejandría y la Universidad de Sultan Qaboos ha abordado este rompecabezas mediante el desarrollo de una nueva forma de controlar un tipo específico de motor eléctrico de seis fases. Este motor está diseñado con seis juegos de cables separados en lugar de los tres habituales, un diseño que lo hace más fiable y capaz de funcionar incluso si uno de los cables falla. Los investigadores se centraron en una máquina que utiliza un rotor excitado eléctricamente, lo que significa que genera su campo magnético a través de una bobina separada en lugar de imanes permanentes. El desafío central que abordaron fue cómo decidir exactamente cuánta electricidad enviar a las bobinas principales del motor y cuánta al devanado del rotor en cualquier momento dado. Si se eligen cantidades incorrectas, el motor desperdicia energía en forma de calor, un problema conocido como pérdida de cobre. Aunque los métodos antiguos podían encontrar una buena configuración, a menudo no daban con la mejor absoluta porque trataban el comportamiento magnético interno del motor como algo simple e invariable, ignorando el hecho de que el metal dentro del motor se vuelve magnéticamente "lleno" o saturado cuando se le exige al máximo.

Para resolver esto, los investigadores crearon un sofisticado mapa digital del comportamiento del motor. En lugar de adivinar cómo reacciona el motor, probaron físicamente la máquina, sometiéndola a miles de diferentes combinaciones de velocidad, par motor y corriente eléctrica. Midieron los resultados para construir una imagen detallada en tres dimensiones de cómo se comportan realmente los campos magnéticos dentro de la máquina bajo condiciones reales, incluyendo los complejos efectos de la saturación magnética. Utilizando estos datos experimentales, ejecutaron un proceso de optimización en una computadora para encontrar la mezcla perfecta de corrientes que produciría la potencia requerida produciendo la menor cantidad de energía desperdiciada en forma de calor. Almacenaron estas configuraciones perfectas en una tabla de búsqueda, una guía precalculada que el controlador del motor puede consultar instantáneamente. Esta guía le dice al motor exactamente cuánta corriente enviar a los devanados principales y cuánta al devanado del campo del rotor para cada velocidad y carga posible, asegurando que la máquina opere siempre en su punto de máxima eficiencia.

El equipo probó esta nueva estrategia de control en un prototipo físico del motor, comparándola con otros dos métodos comunes: una técnica de control estándar que mantiene constante el campo del rotor, y un método más tradicional que no optimiza la pérdida total de energía. Los resultados fueron claros. Cuando el motor funcionaba normalmente, la nueva estrategia redujo la energía total desperdiciada en forma de calor en un promedio de 8,57 vatios en comparación con el método estándar, y en 21,9 vatios en comparación con el método de campo constante. En un amplio rango de puntos de operación saludables, los ahorros fueron significativos, con una reducción máxima de 27 vatios, lo que representa una mejora del 37 por ciento en la eficiencia con respecto al método estándar. Los investigadores también probaron el sistema bajo una condición de falla, simulando un escenario en el que se corta uno de los seis cables de alimentación del motor. Incluso con este daño, la nueva estrategia de control permitió que el motor continuara funcionando sin problemas, redistribuyendo la carga eléctrica a los cables restantes para mantener una velocidad y potencia estables. En este estado dañado, el nuevo método redujo la pérdida total de energía en más de la mitad en comparación con el enfoque estándar.

Este trabajo demuestra que, al mapear cuidadosamente el comportamiento del mundo real de un motor y utilizar esos datos para precalcular las configuraciones más eficientes, los ingenieros pueden mejorar significamente el rendimiento de las unidades eléctricas. El enfoque es particularmente valioso para los vehículos eléctricos y otras aplicaciones donde cada vatio de energía ahorrada extiende el alcance de la batería y reduce el calor que los sistemas de refrigeración deben gestionar. Al demostrar que el motor también puede manejar un cable roto sin detenerse, el estudio destaca un camino hacia máquinas que no solo son más eficientes, sino también más robustas y fiables. Los investigadores confirmaron sus hallazgos mediante rigurosas pruebas físicas, mostrando que los ahorros teóricos se traducen directamente en ganancias de rendimiento en el mundo real, ofreciendo una solución práctica para la próxima generación de transporte eléctrico y maquinaria industrial.

Resumen Técnico: Generación de Referencias de Corriente Óptimas Basada en Mapas de Flujo para un EESM de Seis Fases

Planteamiento del Problema
Los Motores Síncronos de Excitación Electrónica (EESM) ofrecen una ventaja distintiva sobre los Motores Síncronos de Imanes Permanentes (PMSM) al utilizar devanados de campo en el rotor, lo que elimina la dependencia de materiales de tierras raras y proporciona un grado de libertad adicional mediante el control independiente de la corriente del campo del rotor. Sin embargo, esta flexibilidad introduce un desafío de control complejo: múltiples combinaciones de corrientes de estator $d$ – $q$ ( $i_d, i_q$ ) y de corriente de campo del rotor ( $i_f$ ) pueden producir el mismo par electromagnético. La selección de la combinación óptima para minimizar las pérdidas totales por efecto Joule se complica debido a la saturación magnética, que hace que los parámetros de la máquina sean no lineales y dependientes de la corriente.

Si bien las estrategias de Máximo Par por Ampere (MTPA) son estándares para los PMSM, a menudo descuidan las pérdidas en el campo del rotor cuando se aplican a los EESM. Además, los métodos de optimización existentes para EESM suelen depender de soluciones analíticas que requieren cálculos iterativos o asumen inductancias constantes, fallando en capturar plenamente los efectos de la saturación magnética. Adicionalmente, aunque las máquinas multifásicas ofrecen una tolerancia de fallas inherente, la integración del control optimizado para la reducción de pérdidas por efecto Joule con capacidades de tolerancia a fallas en EESM de seis fases sigue siendo un área poco explorada, particularmente respecto a la interacción entre los subespacios primario y secundario durante fallas de fase abierta.

Metodología
El artículo propone una estrategia de Tabla de Búsqueda de Campo Variable basada en Mapas de Flujo (VF-LUT) para generar referencias de corriente óptimas para un EESM de seis fases. La metodología se estructura de la siguiente manera:

Caracterización Experimental: En lugar de depender de modelos analíticos con parámetros constantes, los autores obtuvieron experimentalmente mapas de flujo de enlace tridimensionales no lineales ( $\phi_d, \phi_q$ ) como funciones de $i_d$ , $i_q$ e $i_f$ . Esto se logró mediante el barrido de corrientes a través del rango operativo en niveles específicos de corriente de campo (0.5 A, 0.75 A y 1 A) para capturar con precisión los efectos de la saturación magnética.
Optimización Offline: Se formuló un problema de optimización restringida offline para minimizar la función objetivo de Mínima Pérdida Total por Efecto Joule (MTCL), definida como $P_{cu} = 3R_s(i_d^2 + i_q^2) + R_f i_f^2$ $P_{c u} = 3 R_{s} (i_{d}^{2} + i_{q}^{2}) + R_{f} i_{f}^{2}$ . La optimización se resolvió sobre todo el envolvente de par-velocidad (0–3000 rpm, 0–7 N·m) sujeto a:
- Restricciones de producción de par.
- Límites de corriente de estator (nominal de 7 A).
- Límites de tensión de estator (derivados al 90% de la tensión nominal para reservar margen para el control del subespacio secundario post-falla).
- Límites de corriente de campo (0.5 A a 1 A).
  La optimización utilizó un algoritmo de Programación Cuadrática Secuencial (SQP) de inicio múltiple con interpolación trilineal de los mapas de flujo experimentales.
Arquitectura de Control: Las referencias de corriente óptimas resultantes ( $i_d^*, i_q^*, i_f^*$ $i_{d}^{*}, i_{q}^{*}, i_{f}^{*}$ ) se almacenan en una VF-LUT. Durante la operación en tiempo real, el controlador recupera estas referencias basadas en el par y la velocidad de operación.
- Operación Saludable: Las corrientes del subespacio secundario ( $i_x, i_y$ ) se establecen en cero.
- Operación con Tolerancia a Fallas (1OPF): Bajo una falla de fase abierta única, las corrientes del subespacio secundario se determinan algebraicamente a partir de las corrientes del subespacio fundamental para mantener la producción de par y equilibrar las fases restantes, sin requerir variables de optimización independientes adicionales.

Contribuciones Clave
El artículo identifica cuatro contribuciones principales:

Generación de VF-LUT: Desarrollo de una tabla de búsqueda de campo variable para un EESM de seis fases donde $i_d$ , $i_q$ e $i_f$ se optimizan simultáneamente offline para minimizar las pérdidas combinadas de cobre en el estator y el rotor.
Incorporación de Saturación: El uso de mapas de flujo de enlace de 3D obtenidos experimentalmente para considerar la saturación magnética en todo el rango de par-velocidad, evitando las imprecisiones de las aproximaciones de inductancia constante.
Integración de Tolerancia a Fallas: Evaluación de la VF-LUT optimizada para condiciones saludables bajo condiciones de falla de fase abierta única (1OPF), demostrando que la estrategia mantiene la operación estable mediante la redistribución de corrientes en el subespacio secundario basándose en criterios MTPA.
Validación Experimental Integral: Una comparación rigurosa de la propuesta VF-LUT frente al Control de Campo Orientado (FOC) convencional y una Tabla de Búsqueda de Campo Constante (CF-LUT) tanto en condiciones saludables como en 1OPF, incluyendo el desempeño dinámico y el análisis de pérdidas.

Resultos
La validación experimental se llevó a cabo en un banco de pruebas de un EESM de seis fases de 1.1 kW utilizando una plataforma dSPACE. Los resultados demuestran:

Operación Saludable: A través de 17 puntos de operación emparejados, la VF-LUT redujo las pérdidas totales por efecto Joule en un promedio de 21.9 W en comparación con la CF-LUT y en 8.57 W en comparación con el FOC convencional. La reducción máxima observada fue de 27 W (37%) respecto al FOC, ocurriendo principalmente en condiciones de carga baja y media, donde la optimización de la corriente de campo reduce significativamente las pérdidas del rotor.
Desempeño Dinámico: En pruebas de perfil dinámico de par-velocidad, la VF-LUT redujo la energía acumulada de pérdida total por efecto Joule de 5.5782 kJ (FOC) a 3.8127 kJ, una reducción del 31.65%, manteniendo una velocidad y seguimiento de corriente estables.
Operación con Tolerancia a Fallas (1OPF): Bajo condiciones de falla de fase abierta única, la VF-LUT mantuvo la regulación estable de velocidad y par. La energía acumulada de pérdida total por efecto Joule (incluyendo las contribuciones del subespacio secundario) disminuyó de 4.2658 kJ (FOC) a 2.0037 kJ, lo que representa una reducción del 53.03%.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que la estrategia VF-LUT propuesta aborda eficazmente el compromiso entre eficiencia y tolerancia a fallas en los EESM de seis fases. Al aprovechar los mapas de flujo experimentales, el método logra una minimización de las pérdidas por efecto Joule superior en comparación con el FOC convencional y los enfoques de optimización de campo constante. El estudio confirma que optimizar la corriente de campo junto con las corrientes de estator es crítico para la eficiencia, particularmente en regiones de carga parcial. Además, el artículo demuestra que esta estrategia de control optimizada para la eficiencia no compromete la tolerancia a fallas; el sistema puede transicionar exitosamente a la operación 1OPF reteniendo un ahorro de energía significativo, validando el enfoque para aplicaciones críticas de seguridad como vehículos eléctricos y sistemas aeroespaciales donde la fiabilidad y la eficiencia son primordiales.

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