Cada avenç en els límits de rendiment prové d'una lògica d'enginyeria que és descomposable i reproduïble, des de la duplicació de la resistència del material fins a la sinergia de cinc sistemes principals.

La producció en massa de motors de 30.000 rpm representa un salt col·laboratiu en l'enginyeria a través de la ciència dels materials, el disseny electromagnètic, la gestió tèrmica, la fabricació de precisió i els algoritmes de control. PUMBAAEV ha redefinit sistemàticament els límits de la tecnologia d'accionament elèctric d'imants permanents d'alt rendiment mitjançant la duplicació de la resistència del material del rotor, una topologia d'imant en forma d'U de doble capa, debanats de forquilla de 10 capes amb pas desigual, laminacions d'acer al silici ultraprimes i xips de SiC de 1500 V desenvolupats internament.

El límit de la tecnologia sempre està més enllà de la següent iteració. Per als enginyers, el valor d'aquest cas rau en això: darrere de cada mètrica de rendiment aparentment "extrema", hi ha una metodologia d'enginyeria descomponible i reproduïble.

1 Visió general: el valor fonamental de l'alta velocitat

Amb l'adopció generalitzada de vehicles de nova energia, la demanda dels usuaris d'escenaris de pista i funcionament sostingut a alta velocitat ha augmentat significativament. Els motors d'automòbils tradicionals experimenten un "punt d'inflexió" de potència al voltant de les 6.000 rpm, amb un parell que disminueix contínuament a la regió de potència constant, cosa que porta a una sensació d'acceleració notablement debilitada durant els avançaments a alta velocitat per sobre dels 120 km/h.

PUMBAAEV va definir i desenvolupar una unitat d'accionament elèctric de classe 30.000 rpm. Els seus principals beneficis van més enllà del pur rendiment. Des d'una perspectiva d'enginyeria de sistemes, amb la mateixa potència de sortida objectiu, augmentar la velocitat de 12.000 rpm a 30.000 rpm permet una reducció substancial en l'ús de materials de motor actius (coure, imants de terres rares, acer al silici).

Segons les dades de recerca d'AVL, duplicar la velocitat de rotació pot reduir l'ús de material del nucli de ferro aproximadament en un 40%, aconseguint una optimització sinèrgica del volum, el pes i el cost.

Sistema de 2 rotors: cinc reptes bàsics d'enginyeria

El rotor és el subsistema més fràgil però crític d'un motor d'alta velocitat. A 30.000 rpm, l'acceleració centrífuga a la vora exterior del rotor supera els 40.000 g. Qualsevol defecte de disseny pot provocar una fallada catastròfica. Superar aquest repte requereix avenços en cinc àrees tècniques.

Repte 1: Duplicació de la resistència del material, de 450 MPa a 1000 MPa d'acer al silici d'alta resistència

Les laminacions tradicionals del rotor utilitzen acer elèctric no orientat amb un límit elàstic d'uns 450 MPa, suficient per a velocitats de fins a 20.000 rpm. Més enllà de 30.000 rpm, la tensió de tracció circular al diàmetre exterior del rotor supera el límit elàstic dels materials convencionals.

​Camí innovador de l'enginyeria:​

• ​Millora de materialsAdopció d'acer elèctric d'alta resistència (HS-ECS), que augmenta la resistència a la tracció fins a≥1000 MPa—més del doble del nivell de la indústria convencional.

• ​Suport al procésImplementació de la soldadura làser per a l'apilament de laminació en lloc del reblat tradicional, millorant la força d'unió entre capes per evitar la separació a altes velocitats. El rectificat de precisió del diàmetre exterior aconsegueix una tolerància de±3 μm, assegurant la rodonesa del rotor.

Repte 2: Fixació amb imants, procés adhesiu d'alta expansió per evitar fallades

Els imants permanents integrats a les ranures del rotor estan sotmesos a un impacte centrífug intens a altes velocitats. L'encolat puntual tradicional d'una sola cara presenta un risc de concentració d'estrès a altes velocitats; en condicions extremes, els imants es poden desprendre de les parets de la ranura o fins i tot expulsar-se, provocant una fallada catastròfica.

Tecnologia clau: Ús d'un recobriment adhesiu d'alta taxa d'expansió. Després del curat, el volum s'expandeix més de 5 vegades, creant una interfície adhesiva uniforme tant a la superfície superior com a la inferior de l'imant, millorant significativament la distribució de tensions en comparació amb l'adhesió puntual. El material de recobriment ha de suportar temperatures >180 °C, tenir un coeficient d'expansió tèrmica que coincideixi amb l'imant (~10 × 10⁻⁶/°C) i aconseguir una resistència al cisallament postcurat ≥15 MPa.

Repte 3: Topologia del rotor, la disposició d'imants de doble capa en forma d'U optimitza el circuit i la força magnètics

PUMBAAEV utilitza una topologia d'imant permanent interior (IPM) de "doble capa en forma d'U": una capa en U interior superposada amb una capa en U exterior, amb els imants de cada capa dividits en múltiples segments.

​Avantatges principals:​

• ​Impuls de parellMaximitza la diferència de reluctància entre l'eix q i l'eix d, augmentant el parell màxim en aproximadament un 10% sense afegir material magnètic addicional.

• ​Distribució de l'estrèsL'estructura segmentada dispersa l'estrès en múltiples unitats independents, evitant l'esquerdament en blocs magnètics monolítics i facilitant els reptes de fabricació de la magnetització.

• ​Optimització NVHLa topologia de doble U, combinada amb el disseny asimètric, controla la distorsió harmònica total (THD) de la densitat de flux fonamental de l'entreferro a menys del 5%, suprimint els harmònics d'ordre superior.

Il·lustració d'una estructura de rotor de motor d'alta velocitat, que mostra els imants de doble capa en forma d'U i el disseny segmentat.

Repte 4: Equilibri dinàmic d'alta velocitat, desequilibri residual suprimit a 50 mg

A 30.000 rpm, un petit desequilibri genera centenars de quilograms de força centrífuga. PUMBAAEV va comprimir el desequilibri residual del nivell típic de la indústria de ≤150. mg a ≤50 mg, una reducció del 67%.

​Cadena de processos d'equilibri dinàmicMecanitzat en brut → Ajust en calent d'imants → Equilibrat inicial → Mecanitzat de precisió → Verificació de l'equilibri dinàmic a alta velocitat i rang de velocitat complet (provat a 30.500 rpm). La correcció del desequilibri s'aconsegueix mitjançant el fresat de forats d'extracció de pes a les tapes dels extrems, amb una resolució de ±1 mg. Una verificació secundària després dels cicles de xoc tèrmic garanteix l'estabilitat posterior al muntatge.

Repte 5: Disseny de velocitat crítica, marge de seguretat del 15%

La vibració s'amplifica dràsticament quan la velocitat de funcionament s'acosta a la primera velocitat crítica de flexió del rotor. PUMBAAEV va dissenyar la primera velocitat crítica de flexió per ser ​35.000 rpm, aproximadament un 15% per sobre de la velocitat màxima de funcionament nominal, proporcionant un marge de seguretat suficient.

Camí d'implementació: Augmentar l'abast del suport del coixinet i la precàrrega per millorar la rigidesa a la flexió de l'eix; utilitzant simultàniament coixinets ceràmics de nitrur de silici (Si₃N₄) per mantenir la rigidesa del coixinet a valors DN més alts (velocitat × diàmetre del forat) alhora que proporciona un aïllament natural contra la corrosió del corrent de l'eix.

3 Gestió tèrmica i de l'estator: un atac coordinat contra les pèrdues d'alta freqüència

A 30.000 rpm, la freqüència elèctrica arriba als 500 Hz. L'efecte pelicular en els debanaments tradicionals fa que les pèrdues de coure de corrent altern augmentin, cosa que requereix una solució combinada d'enbanaments de forquilla i refrigeració directa per oli.

Enrotllaments en forquilla: el disseny de 10 capes amb pas desigual optimitza la relació de pèrdues de coure AC/DC

El factor d'ompliment de coure dels cables plans de secció transversal rectangular pot superar el 60%, molt superior al 40-45% dels cables rodons. L'estator del supermotor de PUMBAAEV utilitza un debanat de forquilla de 10 capes de pas desigual, amb gruixos diferenciats per a les tires de coure de cada capa.

• ​Les capes exteriors són més primesA prop de l'obertura de la ranura, transporten preferentment els components de corrent d'alta freqüència.

• ​Les capes interiors són més gruixudesA prop de la part inferior de la ranura, transporten principalment el component de corrent continu.

Aquest disseny controla la relació de pèrdues de coure AC/DC a aproximadament 1,15 (el valor típic de la indústria és d'1,3-1,5), mentre que els espais intercapes desiguals optimitzen la secció transversal del flux per a l'oli de refrigeració.

Material del nucli: les làmines ultrafines redueixen dràsticament les pèrdues de ferro d'alta freqüència

Les pèrdues del nucli augmenten amb la freqüència. A 500 Hz, les pèrdues en l'acer al silici tradicional de 0,35 mm augmenten. PUMBAAEV utilitza acer elèctric ultraprim d'alta freqüència amb un gruix de ​≤0,2 mm, cosa que redueix les pèrdues del nucli a 500 Hz en un ​40-50%​​ en comparació amb l'acer de 0,35 mm. Les laminacions més primes també augmenten la superfície de dissipació de calor per unitat de volum.

Sistema de refrigeració: la refrigeració directa per oli permet una gestió tèrmica eficient

La densitat tèrmica de l'estator a 30.000 rpm és extremadament alta, més enllà de la capacitat de la refrigeració tradicional per jaqueta. PUMBAAEV integra el conducte d'oli de refrigeració dins de les ranures de l'estator, permetent que l'oli flueixi entre els debanaments, aconseguint un refredament per contacte directe amb els debanaments de coure.

​Sinergia tèrmica de tres puntes:

1. ​Laminacions ultrafines: Reduir les pèrdues de ferro i augmentar la superfície.

2. ​Forquilles de pas desigualOptimitzar els canals de flux d'oli de refrigeració.

3. ​Refrigeració directa per oliProporciona refrigeració per contacte directe. Les mesures mostren que les diferències de temperatura dels bobinatges en estat estacionari es poden controlar amb un marge de 5 °C, amb temperatures màximes reduïdes en uns 40 °C.

4 Control NVH: La recerca del silenci a l'era elèctrica

Amb un soroll de fons més baix en els vehicles elèctrics, el soroll del motor esdevé més perceptible. La freqüència fonamental de 500 Hz a 30.000 rpm i els seus harmònics es troben dins del rang més sensible de l'oïda humana (500-4000 Hz).

​Fonts d'excitació de soroll primàries:

• ​Harmònics de força electromagnèticaGenerat pels harmònics espacials de la densitat de flux de l'entreferro (determinada per la forma de l'imant i l'estructura de l'enrotllament).

• ​Harmònics PWM de l'inversorLa freqüència de commutació i els seus múltiples introdueixen harmònics de forma d'ona de corrent, excitant encara més els harmònics de força magnètica.

• ​Desequilibri mecànicEl desequilibri residual del rotor genera una excitació de freqüència de rotació 1X (500 Hz), que s'ha de separar de les freqüències de ressonància del coixinet i la carcassa.

​Estratègia de control triple de NVH:

1. ​Optimització electromagnèticaOptimització multiobjectiu de la forma de la ranura, l'angle d'inclinació, etc., per minimitzar l'amplitud dels harmònics de força electromagnètica (per exemple, ordres de 6N). L'apilament helicoïdal d'alta precisió s'utilitza per a l'inclinació.

2. ​Reforç estructural i aïllamentMillora la rigidesa general de la unitat d'accionament elèctric (nervades de la carcassa) per allunyar les freqüències de ressonància de les bandes operatives; utilitza casquets d'aïllament de vibracions d'alta eficiència en els punts de muntatge per reduir la transferència de vibracions a través de les vies estructurals.

3. ​Equilibri dinàmic d'alta precisióUn desequilibri residual ≤50 mg garanteix que l'acceleració de la vibració a l'excitació 1X (500 Hz) sigui

5 Electrònica de control i potència: el paper fonamental dels xips de SiC

L'alta freqüència i l'alta eficiència són requisits inherents als motors d'alta velocitat, que depenen directament dels avenços en els dispositius de control i potència.

El xip SiC de 1500 V desenvolupat internament és un gran avenç. En comparació amb els IGBT tradicionals, els MOSFET SiC permeten:

• ​Freqüència de commutació més altaAdmet velocitats de motor més elevades (freqüències elèctriques).

• ​Pèrdues de commutació més baixesMillora l'eficiència del sistema, especialment a la regió d'alta velocitat.

• ​Classificació de voltatge més altaLa classificació de 1500 V proporciona un marge de seguretat per a plataformes de 800 V i desenvolupaments futurs.

Els algoritmes de control han d'estar profundament adaptats al motor, garantint un funcionament estable a la regió de debilitament de camp d'alta velocitat i una eficiència òptima.

06 Reptes i evolució futura

Colls d'ampolla tecnològics existents

• ​Cost del materialL'acer elèctric d'alta resistència i els recobriments especials continuen sent entre un 20 i un 30% més cars que les solucions convencionals.

• ​Límit d'acer al siliciLes laminacions més primes redueixen la pèrdua de ferro però comprometen la rigidesa; el compromís entre la pèrdua de ferro i la rigidesa és un repte fonamental.

• ​Fiabilitat de per vida del rodamentLa fiabilitat del cicle de vida complet dels coixinets ceràmics d'alta velocitat amb valors DN ultraelevats requereix més dades de proves de carretera.

• ​Cadena de subministrament de SiCLes taxes de rendiment i el cost dels xips de SiC interns, en particular el substrat 4H-SiC, són obstacles clau per a la industrialització.

Camins tecnològics futurs

• ​Nous materialsEls materials magnètics tous amorfs/nanocristal·lins ofereixen una pèrdua de nucli ~60% inferior a la de l'acer al silici i són un candidat principal per als nuclis d'estator de nova generació, tot i que encara hi ha reptes en el processament de materials fràgils.

• ​Noves topologiesEls motors de flux axial (AFM), amb la seva estructura en forma de disc naturalment adequada per a alta velocitat, formen part de la guia d'alguns fabricants d'equips originals (OEM), oferint una densitat de potència teòrica entre un 20 i un 40% més alta que els motors de flux radial.

• ​Gestió Tèrmica IntegradaCompartir oli de refrigeració entre els mòduls de potència de l'estator i l'inversor pot reduir la resistència tèrmica en un 30% i simplificar l'arquitectura del sistema.

• ​Revolució del disseny impulsada per la IALa cosimulació multifísica (electromagnètica-tèrmica-estructural-NVH) juntament amb algoritmes d'IA/optimització té el potencial de comprimir els cicles de desenvolupament de motors d'alta velocitat de 24 mesos a menys de 12 mesos.

El límit de la tecnologia sempre va més enllà de la següent iteració. La producció en massa de motors de 30.000 rpm marca l'obertura d'un nou cicle tecnològic impulsat per la metodologia d'enginyeria de sistemes, la integració vertical profunda i el pensament d'enginyeria extrem.