Revolucionando rotores

La construcción de rotores eficientes para la movilidad eléctrica comienza con la primera gota de material fundido

La demanda de motores de inducción está creciendo. La escasez de tierras raras, el cambio climático, la electrificación de la movilidad y otras tendencias están impulsando esta demanda. Sin embargo, el motor de inducción industrial común tiene debilidades.

Con su tecnología de fundición a presión laminar, el fabricante alemán de rotores Wieland eTraction Systems aumenta el rendimiento de los motores asíncronos. Si bien conservan las ventajas conocidas de los motores asíncronos, estos tipos de rotor ahora de aluminio y cobre ofrecen beneficios significativos en eficiencia y seguridad.

Cada rotor consta de múltiples laminaciones de acero eléctrico perforadas individualmente que se apilan en una jaula de fundición circundante. Esta jaula se fabrica normalmente mediante fundición a presión a alta presión. Con tiempos de ciclo de uno a dos minutos, este proceso puede ser altamente automatizado. Pero desde la perspectiva de la fundición, los rotores son estructuras muy complejas.

Después de colocar las pilas de laminación en la herramienta, la cámara de fundición se llena con metal fundido. Un pistón empuja el metal líquido hacia la herramienta de fundición a alta velocidad. Una vez en el molde, la fusión de aluminio o cobre se solidifica rápidamente. Por lo tanto, la tecnología industrial requiere tiempos de llenado cortos de menos de 0,1 segundos con caudales de más de 50 m/s.

Para lograr esto, la industria está utilizando puertas de puntos. La desventaja: estas puertas no llenan todas las ranuras de la pila a la vez. La masa fundida fluye primero a través de las ranuras directamente en la puerta, luego hacia el anillo opuesto y finalmente llena las ranuras restantes desde la parte trasera con el llamado relleno. Como resultado, el aire, los gases de proceso y los frentes de fusión contaminados con aceite y óxido no pueden escapar.

Durante la transición del estado líquido al sólido, hay una disminución de volumen, llamada contracción por solidificación. Para compensar esta contracción, el pistón continúa presionando, incluso después de que el molde se haya llenado a su máxima capacidad. La combinación de gas atrapado y contracción da como resultado una alta porosidad total. Los rotores fundidos a presión alcanzan hasta un 10 % de porosidad, muy por encima de la tolerancia del cinco por ciento.

Cada uno de los poros reduce el área conductora, provoca desequilibrio e impacta negativamente en las propiedades mecánicas del rotor. Cuando los poros están centrados en la transición de la ranura al anillo final, se deben esperar altas densidades de corriente y máxima tensión mecánica de las fuerzas centrífugas.

Para reducir estos puntos débiles potenciales, muchas fundiciones limitan la geometría y reducen el número, la longitud y el ancho de las ranuras. Los procesos de fabricación alternativos, como el mecanizado o la soldadura, tienen limitaciones similares. Esto significa que todo el potencial de la tecnología de motores asíncronos ha permanecido sin explotar durante mucho tiempo.

El proceso de fundición por compresión laminar desarrollado por Wieland eTraction Systems está diseñado para fundir rotores con porosidad cero, los llamados rotores de porosidad cero (ZPR). El sistema de gating patentado garantiza el llenado simultáneo de todas las ranuras y nuevas geometrías. A diferencia del llenado turbulento convencional, el proceso de llenado es ascendente y laminar. Los requisitos de mano de obra son solo ligeramente diferentes a los de la fundición convencional, lo que permite una producción rentable.

Con caudales más bajos, el material fundido permanece líquido en la compuerta durante más tiempo y, por lo tanto, facilita la realimentación. La gestión térmica activa controla el progreso de la solidificación desde el núcleo laminar hasta las áreas no críticas. Dado que todas las ranuras se llenan al mismo tiempo en el proceso de fundición por presión laminar, los frentes de fusión contaminados se dirigen hacia el desbordamiento.

El proceso de fundición por compresión laminar da como resultado un aumento típico del 3-5 % en la conductividad eléctrica, lo que ayuda a reducir significativamente la fluctuación del par característico y minimiza el ruido emitido.

El Instituto de Conformación de Metales de la Universidad de Aquisgrán escaneó diferentes estructuras de poros mediante tomografía computarizada. Además, se simuló el comportamiento mecánico del material en límites extremos. Los resultados indican que es técnicamente posible un aumento de velocidad de aproximadamente un 12,5 % con un rotor sin porosidad. Las pruebas de explosión reales confirmaron este comportamiento.

Además del tamaño del poro, la geometría de la ranura es un factor importante que afecta la fuerza del rotor. La colada por compresión laminar también ofrece ventajas al permitir geometrías de ranura complejas. Las geometrías de ranuras con muescas radiales, que aumentan la adherencia al núcleo laminado, ya se han colado con éxito. En este contexto, se utilizan laminaciones de acero eléctrico con una alta resistencia mecánica, que se adaptan de manera óptima a las fuerzas centrífugas de las ranuras de cobre.

A velocidades circunferenciales de más de 80 m/s, también es habitual aplicar refuerzos como manguitos de fibra de carbono o tapas de bronce al anillo de sombreado en un paso de proceso adicional para permitir estas altas velocidades. La colada por compresión laminar permite que este paso se integre directamente en el proceso de colada debido al relleno uniforme y consistente. Los rotores fundidos con este proceso patentado han alcanzado velocidades de hasta 200 m/s antes de estallar.

Peter Szilágyi es el Director General deSistemas de etracción de Wieland.