Motor PMSM: la elección ideal para una conducción eficiente de vehículos eléctricos

I. Introducción

Con el enfoque global en la neutralidad de carbono y la rápida mejora de la industria de los vehículos eléctricos (EV), la demanda de motores de propulsión de alta eficiencia y alto rendimiento es cada vez más estricta. Como componente central que determina la autonomía, el rendimiento energético y la confiabilidad de los vehículos eléctricos, el motor PMSM se ha convertido gradualmente en la configuración principal de los vehículos de nueva energía, reemplazando a los motores tradicionales en muchos modelos de alta gama y de mercado masivo.

Desde la década de 1970, el desarrollo de materiales magnéticos permanentes de tierras raras ha impulsado la mejora de los motores de imanes permanentes, basándose en el campo magnético estable generado por los imanes permanentes.motor pmsm para vehículos eléctricosha superado los cuellos de botella de rendimiento de los motores tradicionales excitados eléctricamente, mostrando ventajas obvias en ahorro de energía, miniaturización y control de precisión. Este artículo analizará en profundidad las características técnicas, las ventajas principales y el valor práctico de los motores PMSM, y discutirá sus perspectivas de desarrollo en el campo de los vehículos eléctricos.

II. Introducción a los motores PMSM y su papel en los vehículos eléctricos

Un motor PMSM es un motor de CA que utiliza imanes permanentes para establecer el campo magnético del rotor, logrando un funcionamiento sincrónico entre el rotor y el campo magnético giratorio del estator sin anillos colectores, escobillas ni devanados de excitación del rotor. A diferencia de los motores tradicionales, su campo magnético lo proporcionan materiales magnéticos permanentes de tierras raras (como neodimio-hierro-boro Nd2Fe14B), que tienen excelentes propiedades magnéticas como alta coercitividad, magnetismo residual y producto de energía magnética.

En los vehículos eléctricos, elmotor pmsmfor ev asume la tarea principal de convertir la energía eléctrica en energía mecánica, afectando directamente la respuesta dinámica del vehículo, el consumo de energía y la experiencia de conducción.

Con la madurez del control vectorial, el control directo del par y la tecnología de dispositivos electrónicos de potencia, los motores PMSM han resuelto los problemas históricos de arranque difícil y control complejo, y se utilizan ampliamente en turismos, vehículos comerciales y vehículos especiales de nueva energía. Desde vehículos eléctricos de alto rendimiento que buscan una rápida aceleración hasta automóviles familiares que se centran en un largo alcance, los motores PMSM se pueden personalizar y ajustar para satisfacer diversas necesidades de posicionamiento de productos.

Desde la perspectiva de la historia del desarrollo, el primer motor del mundo fue un motor de imán permanente, pero una vez fue reemplazado por motores excitados eléctricamente debido al rendimiento inverso de los materiales de imán permanente. No fue hasta la aparición de los materiales de tierras raras NdFeB en la década de 1970 que el motor PMSM recuperó vitalidad y avanzó hacia la alta potencia, la alta eficiencia y la miniaturización. Hoy en día, empresas líderes nacionales y extranjeras han logrado avances en la tecnología PMSM de gran potencia, sentando una base sólida para su popularización en la industria de los vehículos eléctricos.

III. El principio de funcionamiento y las características técnicas de los motores PMSM

3.1 El principio de interacción entre imanes permanentes y campos electromagnéticos

El principio de funcionamiento central del motor PMSM se basa en la inducción electromagnética y el efecto de excitación mutua entre los imanes permanentes y la corriente alterna. El rotor está equipado con imanes permanentes de tierras raras, que generan un campo magnético constante después de la magnetización; el devanado del estator está conectado a una corriente alterna trifásica para formar un campo magnético giratorio con velocidad y amplitud ajustables.

Bajo la acción de la fuerza electromagnética, el rotor queda "bloqueado" con el campo magnético giratorio del estator y funciona sincrónicamente, con una velocidad de rotación igual a la velocidad sincrónica (sin pérdida por deslizamiento), lo que mejora fundamentalmente la eficiencia de conversión de energía.

3.2 El proceso de conversión eficiente de energía

En comparación con los motores excitados eléctricamente tradicionales, el motor pmsm para ev elimina la pérdida de excitación de los devanados del rotor y la pérdida mecánica de las escobillas y los anillos colectores, y la corriente del estator solo necesita proporcionar corriente de torsión, lo que reduce significativamente la pérdida de cobre y de hierro. En el proceso de conversión de energía, el campo magnético de los imanes permanentes es estable y confiable, y la pérdida de energía se controla a un nivel bajo; incluso bajo carga parcial o condiciones de trabajo de baja velocidad, puede mantener una alta eficiencia, lo cual es crucial para ampliar la autonomía de los vehículos eléctricos.

3.3 Control preciso de velocidad y par

El control preciso del motor PMSM se basa en algoritmos de control avanzados y dispositivos electrónicos de potencia de alto rendimiento. El control vectorial (FOC) resuelve el problema de la regulación de la velocidad del motor de CA desde el principio, logrando una regulación de velocidad suave en un amplio rango y una respuesta de par rápida; El control directo de par (DTC) simplifica la estructura de control, con una gran robustez a los cambios de parámetros y una rápida respuesta dinámica.

Para los vehículos eléctricos, esto significa que el motor puede generar un gran par instantáneamente durante el arranque y la aceleración, y mantener un funcionamiento estable durante la conducción a alta velocidad, al tiempo que logra una combinación precisa entre velocidad y par según las condiciones de conducción, optimizando el consumo de energía.

Además, la aplicación de procesadores de alto rendimiento y dispositivos electrónicos de potencia ha mejorado aún más la precisión del control y la velocidad de respuesta de los motores PMSM. Los convertidores de frecuencia generales pueden convertir potencia de frecuencia industrial en potencia de frecuencia variable, resolviendo el problema de arranque de motores síncronos y brindando una garantía técnica confiable para la aplicación de motores pmsm para ev.

IV. Ventajas de los motores PMSM para una conducción eficiente en vehículos eléctricos

4.1 Mejorar el alcance con alta eficiencia

La eficiencia a plena carga del motor PMSM puede alcanzar el 94%-97%, que es entre 3 y 5 puntos porcentuales más que la de los motores asíncronos tradicionales. Más importante aún, puede mantener una alta eficiencia en condiciones de carga parcial, lo que representa la mayoría de los escenarios de conducción diarios de los vehículos eléctricos.

Para los vehículos eléctricos con capacidad de batería limitada, una mayor eficiencia del motor se traduce directamente en un mayor alcance; con la misma configuración de batería, los vehículos equipados con motor pmsm para vehículos eléctricos pueden aumentar su alcance entre un 10% y un 15%, aliviando efectivamente la ansiedad de los usuarios por el alcance.

4.2 Fortalecer el rendimiento energético con alta densidad de par

Debido a la eliminación de los devanados de excitación del rotor y la adopción de imanes permanentes de tierras raras de alto rendimiento, el motor PMSM tiene las características de estructura compacta, tamaño pequeño y peso ligero. Con el mismo volumen y peso, su densidad de par es entre un 20% y un 30% mayor que la de los motores asíncronos, lo que puede proporcionar una mayor potencia de salida.

Para los vehículos eléctricos, esto significa que el motor se puede disponer de manera más flexible y, al mismo tiempo, puede generar un gran par a baja velocidad, logrando una rápida aceleración y un fuerte rendimiento en ascensos, mejorando el placer de conducir.

4.3 Satisfacer diversas necesidades con un amplio rango de regulación de velocidad

Con el apoyo de la tecnología de control vectorial y la tecnología de expansión de velocidad magnética débil, el motor pmsm para vehículos eléctricos tiene un amplio rango de regulación de velocidad: baja velocidad, gran par y alta velocidad, y la potencia constante se puede cambiar sin problemas. Esto permite que los vehículos eléctricos se adapten a condiciones de conducción complejas: pueden generar un gran par de forma estable al arrancar y subir, y mantener una alta eficiencia y estabilidad al circular a alta velocidad. Especialmente para los motores PMSM incorporados, tienen una excelente capacidad de expansión de velocidad magnética débil, que puede ampliar aún más el rango de trabajo de alta velocidad y cumplir con los requisitos de velocidad diversificados de los vehículos eléctricos.

4.4 Garantizar la seguridad en la conducción con alta confiabilidad

El motor PMSM adopta una estructura sin escobillas, lo que elimina los riesgos de desgaste y falla de las escobillas y los anillos colectores, y su vida útil puede alcanzar más de 15 años (igual que la vida útil de los vehículos eléctricos). Al mismo tiempo, debido a la simplificación de la estructura, la tasa de fallas es significativamente menor que la de los motores tradicionales.

En el proceso de diseño, al optimizar el coeficiente del arco polar, el ancho de la ranura y adoptar ranuras sesgadas y otras medidas, se reduce el par dentado, se minimizan la vibración y el ruido durante el funcionamiento del motor y se mejora la comodidad y seguridad de la conducción. Además, la tecnología madura de gestión térmica puede prevenir eficazmente la desmagnetización del imán permanente causada por altas temperaturas, asegurando un funcionamiento estable en condiciones de trabajo extremas.

V. Casos de aplicación práctica de motores PMSM en vehículos eléctricos

A nivel mundial, el motor pmsm para vehículos eléctricos se ha convertido en el motor de accionamiento preferido por los principales fabricantes de automóviles. Por ejemplo, el Tesla Model 3/Y adopta un motor síncrono de imán permanente interior, que logra un equilibrio entre alta eficiencia y alto rendimiento: la eficiencia de su motor alcanza el 97 % en condiciones de trabajo óptimas y el tiempo de aceleración de 0 a 100 km/h es tan bajo como 3,3 segundos. BYD, un fabricante de automóviles nacional, ha desarrollado de forma independiente un motor de cuchillas, que se utiliza ampliamente en modelos como Han y Tang.

Utiliza materiales magnéticos permanentes de neodimio-hierro-boro y optimiza el diseño del circuito magnético, con una densidad de par de más de 40 N·m/kg y una eficiencia máxima del 98,5%.

En el campo de los vehículos comerciales, los autobuses ligeros eléctricos de SAIC Maxus y los camiones eléctricos de Foton también están equipados con motores PMSM personalizados, que pueden adaptarse a las condiciones de trabajo de arranques frecuentes y cargas pesadas, y el consumo de energía por cada 100 kilómetros es entre un 15% y un 20% menor que el de los vehículos equipados con motores asíncronos.

A nivel internacional, BMW iX3 y Mercedes-Benz EQC también utilizan motores PMSM como componente principal de propulsión, confiando en su alta confiabilidad y eficiencia para mejorar la competitividad de los productos en el mercado.

En términos de apoyo industrial, empresas líderes en motores como Siemens y ABB también han logrado importantes avances en la tecnología de motores pmsm para vehículos eléctricos. Siemens desarrolló un motor PMSM de seis fases de 1095 kW ya en 1986, que se utiliza para la propulsión de barcos, con un volumen reducido en casi un 60% en comparación con los motores de CC tradicionales. El motor PMSM de ABB para propulsión de barcos tiene una capacidad instalada máxima de 38 MW, lo que sienta las bases técnicas para la aplicación de motores PMSM en escenarios de alta potencia.

En China, CRRC Zhuzhou ha desarrollado un generador de energía eólica de imán permanente de alta velocidad de 3 MW y su tecnología se ha transferido al campo de los vehículos eléctricos, promoviendo la mejora de los motores PMSM nacionales.

VI. Comparación de motores PMSM con otros motores de accionamiento

6.1 Comparación con motores de inducción asíncronos

Los motores de inducción asíncronos (IM) tienen las ventajas de un bajo costo, una estructura simple y una gran robustez, y alguna vez fueron ampliamente utilizados en los primeros vehículos eléctricos. Sin embargo, en comparación con el motor PMSM, sus desventajas son obvias: la eficiencia a plena carga es solo del 90% al 93% y la eficiencia cae significativamente bajo carga parcial; la densidad de par es baja, lo que resulta en mayor volumen y peso; la precisión de la regulación de velocidad está limitada por el deslizamiento y la respuesta dinámica es lenta.

Para los vehículos eléctricos que buscan autonomía y rendimiento, el motor pmsm para vehículos eléctricos se ha convertido en una opción más ideal, mientras que los motores asíncronos solo se conservan en una pequeña cantidad de modelos de bajo costo o vehículos especiales de alta potencia.

6.2 Comparación con motores de reluctancia conmutada

Los motores de reluctancia conmutada (SRM) tienen las ventajas de una estructura simple, bajo costo y sin riesgo de desmagnetización. Sin embargo, tienen desventajas obvias, como una gran fluctuación del par, un alto nivel de ruido y una baja eficiencia, que limitan su aplicación en vehículos de pasajeros. El motor PMSM tiene mayor suavidad, menor ruido y mayor eficiencia, lo que puede satisfacer mejor los requisitos de comodidad de los vehículos eléctricos.

Además, la precisión del control y la respuesta dinámica de los motores PMSM son muy superiores a los SRM, lo que los hace más adecuados para escenarios con altos requisitos de rendimiento de conducción. Por lo tanto, SRM sólo se utiliza en una pequeña cantidad de vehículos eléctricos de gama baja y equipos especiales, mientras que los motores PMSM dominan el mercado general de vehículos eléctricos.

VII. Las tendencias de desarrollo y los desafíos de los motores PMSM

7.1 Tendencias de desarrollo

El desarrollo futuro del motor PMSM se centrará en dos direcciones: bajo coste y alto rendimiento. En términos de bajo costo, la investigación y aplicación de materiales magnéticos permanentes no de tierras raras y materiales magnéticos permanentes reciclados reducirán la dependencia del neodimio-hierro-boro, y la optimización de los procesos de diseño y fabricación reducirá aún más los costos de producción.

En términos de alto rendimiento, el motor pmsm para vehículos eléctricos se desarrollará hacia alta velocidad, gran par e inteligencia: mediante la adopción de dispositivos de potencia de carburo de silicio (SiC) y algoritmos de control avanzados (como control de modo deslizante, control adaptativo), se mejorará aún más la eficiencia y la velocidad de respuesta, y se realizará la integración con sistemas inteligentes montados en vehículos para realizar ajustes adaptativos según los hábitos de conducción.

Además, la combinación de tecnología de simulación y tecnología de diseño se convertirá en una dirección de desarrollo clave. El software de análisis de elementos finitos puede calcular con precisión los parámetros del motor, como la distribución del campo magnético y el par dentado, y el método de combinación de circuito de campo puede equilibrar la eficiencia y la precisión del cálculo, acortando el ciclo de desarrollo de los motores PMSM. Al mismo tiempo, los motores de CC sin escobillas de imanes permanentes (BLDCM) se integrarán aún más con la tecnología PMSM y se introducirán estrategias de control avanzadas para ampliar su aplicación en electrodomésticos y vehículos eléctricos pequeños.

7.2 Desafíos principales

A pesar de las ventajas obvias, el motor PMSM todavía enfrenta muchos desafíos en el campo de los vehículos eléctricos. En primer lugar, el precio de los materiales magnéticos permanentes de tierras raras es volátil y la cadena de suministro se ve afectada por políticas y factores ambientales, lo que genera riesgos de costos para los fabricantes. En segundo lugar, el problema de la desmagnetización de los imanes permanentes en condiciones extremas no se ha resuelto por completo, lo que requiere una mayor optimización de la gestión térmica y el diseño del circuito magnético. En tercer lugar, el sistema de control es complejo y el umbral de investigación y desarrollo del control sin sensores y la tecnología de inicio de baja velocidad es alto, lo que restringe la popularización de las pequeñas y medianas empresas.

Además, la tecnología de reciclaje y reutilización de materiales magnéticos permanentes aún no está madura, lo que genera presión ambiental para la eliminación del motor PMSM al final de su vida útil para siempre. Equilibrar el rendimiento, el coste, la protección medioambiental y la fiabilidad se ha convertido en una cuestión clave para el desarrollo sostenible de los motores PMSM.

VIII. Conclusiones y perspectivas

Con sus ventajas de alta eficiencia, alta densidad de par, amplio rango de regulación de velocidad y alta confiabilidad, el motor PMSM se ha convertido en la opción ideal para la conducción eficiente de vehículos eléctricos y ocupará aún más la posición principal en el mercado de motores de propulsión para vehículos eléctricos con la actualización de la tecnología de materiales de tierras raras y la tecnología de control. Para los fabricantes de vehículos eléctricos, optimizar el diseño del motor PMSM para vehículos eléctricos, reducir los costos y mejorar la confiabilidad será la competitividad central para apoderarse del mercado; Para los consumidores, los vehículos equipados con motores PMSM pueden brindar una mejor experiencia de conducción y menores costos de uso.

De cara al futuro, con el avance de los materiales magnéticos permanentes no raros, la tecnología de control inteligente y la tecnología de reciclaje, los cuellos de botella técnicos de los motores PMSM se resolverán gradualmente y sus campos de aplicación se ampliarán aún más, desde automóviles de pasajeros y vehículos comerciales hasta barcos de nueva energía, aeroespacial y otros campos de alta gama. Como componente central de los vehículos de nueva energía, el motor PMSM continuará promoviendo la transformación y mejora de la industria automotriz global, contribuyendo a la consecución de los objetivos de neutralidad de carbono.