Motores Brushless y sostenibilidad: cómo la simulación impulsa la eficiencia energética
La búsqueda de la eficiencia energética se ha vuelto un pilar central en la industria moderna, impulsada tanto por la necesidad de optimizar costos como por una creciente conciencia ambiental y regulaciones más estrictas. En este escenario, la sustitución de tecnologías tradicionales por alternativas más eficientes es un paso crucial. Los motores eléctricos, responsables de una parte significativa del consumo de energía industrial, están en el centro de esta transformación.
La Agencia Nacional de Energía Eléctrica de Brasil (ANEEL), a través de su Programa de Eficiencia Energética (PEE), ha incentivado activamente la modernización del parque industrial brasileño. Iniciativas como la convocatoria de proyectos para “Incentivo a la Sustitución de Motores Eléctricos” buscan promover el cambio de motores de inducción o de corriente continua (CC) antiguos por tecnologías más modernas y eficientes. En este escenario, los motores BLDC (Brushless DC o motor de corriente continua sin escobillas), así como otras topologías que usan imanes permanentes, surgen como una solución destacada.
Figura 1 – Motor brushless convencional
¿Qué son los motores Brushless (BLDC)?
El motor BLDC no es una invención reciente. El primer prototipo, llamado «motor DC con conmutación de estado sólido», fue creado en 1962 por T.G. Wilson y P.H. Trickey, gracias a los avances en la tecnología de estado sólido, como transistores y circuitos integrados. Sin embargo, su aplicación a gran escala solo se hizo viable en las últimas décadas, con la reducción de costos y la evolución de la electrónica de potencia.
Figura 2 – Comparativa entre motores DC con escobillas y brushless
La versatilidad de los motores BLDC ha permitido su adopción en una amplia gama de aplicaciones, sustituyendo tecnologías más antiguas en busca de rendimiento y eficiencia:
- Industria automotriz: Esenciales en vehículos eléctricos e híbridos, donde la eficiencia se traduce directamente en mayor autonomía. Se usan en sistemas de tracción, bombas de aceite y agua, y sistemas de ventilación y otros sistemas motorizados eléctricamente.
- Aeroespacial: Utilizados en drones, actuadores y sistemas de refrigeración de satélites, donde la ligereza, la fiabilidad y la eficiencia son críticas.
- Electrodomésticos: Presentes en lavadoras y secadoras, aires acondicionados y refrigeradores modernos, garantizando un menor consumo de energía y una operación más silenciosa.
- Herramientas eléctricas: Taladros, sierras y otras herramientas inalámbricas se benefician del alto par motor y de la larga vida útil de la batería que proporcionan los motores BLDC.
- Automatización industrial: Empleados en robots industriales, máquinas CNC y sistemas de transporte que exigen un control preciso de la velocidad y el par motor.
A diferencia de los motores de corriente continua con escobillas, que usan contactos físicos (las escobillas) para conmutar la corriente en los bobinados del rotor, los motores BLDC utilizan un control electrónico para esa función. Esta ausencia de escobillas elimina la fricción y el desgaste mecánico, lo que resulta en una serie de ventajas.
Ventajas:
- Alta eficiencia energética: Convierten más energía eléctrica en trabajo mecánico, reduciendo las pérdidas por calor y el consumo de energía.
- Mayor vida útil y bajo mantenimiento: La ausencia de desgaste de las escobillas significa una operación más larga y fiable, con decenas de miles de horas de funcionamiento.
- Par motor elevado y constante: Ofrecen un par motor robusto en un amplio rango de velocidades.
- Operación silenciosa y compacta: Generan menos ruido y, para la misma potencia, pueden ser más pequeños y ligeros que sus equivalentes con escobillas.
Desventajas:
- Costo inicial más elevado: La necesidad de un controlador electrónico (driver) hace que la inversión inicial sea mayor.
- Control de velocidad más complejo: Exigen un sistema de control más sofisticado para operar.
- Gestión térmica: necesitan un control térmico preciso para garantizar la longevidad de los imanes permanentes.
En relación con los motores de inducción, los motores BLDC o cualquier topología con imanes permanentes tienen una mayor densidad de potencia debido a la presencia de estos componentes, lo que se traduce en una mayor eficiencia en volúmenes más pequeños, algo que ha impulsado la sustitución de motores de inducción por BLDC en diversas aplicaciones.
La simulación computacional optimiza el diseño de motores BLDC
Los fabricantes de máquinas rotativas BLDC enfrentan desafíos complejos para satisfacer las demandas del mercado. Es necesario garantizar el máximo par motor, la mayor eficiencia y la mayor durabilidad, todo ello en un diseño compacto y con un costo competitivo. Optimizar el proyecto de un motor para atender a todos estos requisitos puede ser un proceso largo y costoso, que depende de múltiples prototipos físicos.
Aquí es donde la simulación computacional con las herramientas Ansys, como Ansys Maxwell®, se convierte en una aliada estratégica. A través del análisis de elementos finitos (FEA), la simulación permite que los ingenieros creen y prueben prototipos virtuales de los motores, superando las principales dificultades del desarrollo.
Dentro del portafolio de software Ansys, existe un flujo de simulación bien consolidado para el estudio y desarrollo de motores eléctricos, tal como se ilustra en la Figura 3. Con estas herramientas, es posible realizar un análisis completo del motor, partiendo del principio de operación electromagnético, sus desdoblamientos para análisis estructurales y fluidodinámicos, y finalizando en la validación final de la metodología de control en un ambiente completamente virtual.
Figura 3 – Flujo de simulación para el estudio de motores eléctricos
- Optimización de Par Motor y Eficiencia: ¿Cómo maximizar el par motor sin aumentar excesivamente la temperatura o el consumo de energía?
Solución con Simulación: Los software Ansys Motor-CAD® y Ansys Maxwell® permiten el análisis detallado del campo electromagnético dentro del motor, a través de cálculos numérico-analíticos y numéricos, respectivamente. Los ingenieros pueden probar diferentes geometrías de imanes y estatores, evaluar la densidad de flujo magnético y prever con precisión el par de salida, las pérdidas de energía y la eficiencia general del motor, un punto crucial de interés en las iniciativas de sostenibilidad y eficiencia energética.
Figura 4 – Distribución de flujo magnético en una máquina BLDC con Ansys Maxwell®
- Gestión Térmica: El sobrecalentamiento puede dañar los imanes permanentes y reducir la vida útil del motor. ¿Cómo garantizar una disipación de calor eficaz?
Solución con Simulación: Herramientas de simulación de fluidodinámica computacional como Ansys Fluent® pueden acoplarse al análisis electromagnético para prever la generación y el flujo de calor a partir de las pérdidas Joule. Esto permite optimizar el diseño de los sistemas de refrigeración y garantizar que el motor opere dentro de temperaturas seguras. El control térmico es de extrema importancia para evitar la desmagnetización de los imanes, tal como se ve en la Figura 5.
Figura 5 – Dependencia de la magnetización de los imanes en función de la temperatura con Ansys Maxwell®
- Ruido y Vibración (NVH – Noise, Vibration, and Harshness): En muchas aplicaciones, como electrodomésticos y vehículos eléctricos, la operación silenciosa es un diferencial competitivo. Los fenómenos originados por el electromagnetismo, como la magnetostricción y las fuerzas de Lorentz para el análisis de los bobinados del estator, promueven la deformación y vibración de los materiales, los cuales deben ser evaluados previamente y mitigados en las etapas de diseño para garantizar la robustez de la operación.
Solución con Simulación: Las fuerzas electromagnéticas generadas en el motor pueden causar vibraciones y ruido. Con herramientas como Ansys Mechanical® y Ansys Sound™ es posible analizar el impacto de los esfuerzos electromagnéticos en la parte estructural del motor, permitiendo evaluar el comportamiento acústico del motor, fomentando así las acciones de ajuste en el diseño para minimizar ruidos indeseados.
Figura 6 – Deformación de los dientes de ranura de un estator para un determinado instante de tiempo en Ansys Mechanical®
Control de velocidad y análisis sistémicos: El control de velocidad de esta topología de motor es crucial para diversas aplicaciones donde la precisión es crítica, como para el control de vuelo de drones, por ejemplo. Los impactos de la metodología adoptada pueden ser estudiados por medio de simulaciones sistémicas, que acoplan toda la electrónica de potencia a la simulación por elementos finitos. Los software Ansys Simplorer®/Twin Builder® y Ansys Scade® permiten, respectivamente, la construcción de análisis sistémicos en ambientes de configuración de circuitos, así como la validación y autenticación de los códigos de control que se van a implantar en las PCBs, independientemente de la aplicación.
Al adoptar la simulación computacional desde las fases iniciales, los fabricantes pueden explorar cientos de variaciones de proyecto en un ambiente virtual, identificando la configuración óptima que equilibra rendimiento, costo y fiabilidad. El resultado es un ciclo de desarrollo más rápido, costos de prototipado reducidos y un producto final más competitivo y eficiente, alineado con las demandas de un mundo que busca, cada vez más, la sostenibilidad.
Uno de los socios globales de ESSS, Nidec Global Appliances, líder mundial en la fabricación de motores eléctricos de alto rendimiento, utiliza las herramientas Ansys para el desarrollo de sus productos. Para saber más, mira la historia en nuestro blog.
Para saber más sobre las últimas actualizaciones de las herramientas Ansys y cómo aplicarlas en tu industria, ponte en contacto con los expertos de ESSS.
