Cada avance en los límites de rendimiento surge de una lógica de ingeniería que es descomponible y reproducible, desde la duplicación de la resistencia del material hasta la sinergia de cinco sistemas principales.

La producción en masa de motores de 30 000 rpm representa un salto cualitativo en ingeniería que abarca la ciencia de los materiales, el diseño electromagnético, la gestión térmica, la fabricación de precisión y los algoritmos de control. PUMBAAEV ha redefinido sistemáticamente los límites de la tecnología de accionamiento eléctrico de imanes permanentes de alto rendimiento mediante la duplicación de la resistencia del material del rotor, una topología de imán en forma de U de doble capa, bobinados en horquilla de paso desigual de 10 capas, laminaciones ultrafinas de acero al silicio y chips SiC de 1500 V desarrollados internamente.

El límite de la tecnología siempre está más allá de la siguiente iteración. Para los ingenieros, el valor de este caso reside en lo siguiente: detrás de cada métrica de rendimiento aparentemente "extrema", existe una metodología de ingeniería descomponible y reproducible.

1. Descripción general: El valor fundamental de la alta velocidad

Con la adopción generalizada de vehículos de nueva energía, la demanda de los usuarios de escenarios de conducción en pista y de un funcionamiento sostenido a alta velocidad ha aumentado significativamente. Los motores automotrices tradicionales experimentan un punto de inflexión de potencia alrededor de las 6000 rpm, con una disminución continua del par motor en la región de potencia constante, lo que provoca una notable disminución de la sensación de aceleración durante los adelantamientos a alta velocidad por encima de los 120 km/h.

PUMBAAEV diseñó y desarrolló una unidad de accionamiento eléctrico de 30 000 rpm. Sus principales ventajas van más allá del rendimiento puro. Desde la perspectiva de la ingeniería de sistemas, con la misma potencia de salida objetivo, aumentar la velocidad de 12 000 rpm a 30 000 rpm permite una reducción sustancial en el uso de materiales activos del motor (cobre, imanes de tierras raras, acero al silicio).

Según los datos de investigación de AVL, duplicar la velocidad de rotación puede reducir el uso de material del núcleo de hierro en aproximadamente un 40 %, logrando una optimización sinérgica del volumen, el peso y el coste.

Sistema de 2 rotores: Cinco desafíos de ingeniería fundamentales

El rotor es el subsistema más frágil y a la vez más crítico de un motor de alta velocidad. A 30 000 rpm, la aceleración centrífuga en el borde exterior del rotor supera los 40 000 g. Cualquier fallo de diseño puede provocar una avería catastrófica. Superar este desafío requiere avances significativos en cinco áreas técnicas.

Desafío 1: Duplicación de la resistencia del material, de 450 MPa a 1000 MPa en acero al silicio de alta resistencia.

Las laminaciones de rotor tradicionales utilizan acero eléctrico no orientado con un límite elástico de aproximadamente 450 MPa, suficiente para velocidades de hasta 20 000 rpm. Por encima de las 30 000 rpm, la tensión circunferencial en el diámetro exterior del rotor supera el límite elástico de los materiales convencionales.

​Ruta de avance en ingeniería:​

• ​Actualización de material: Adopción de acero eléctrico de alta resistencia (HS-ECS), aumentando la resistencia a la tracción a≥1000 MPa—más del doble del nivel convencional de la industria.

• ​Soporte de procesosImplementación de soldadura láser para apilamiento de laminaciones en lugar de remachado tradicional, mejorando la fuerza de unión entre capas para evitar la separación a altas velocidades. El rectificado de precisión del diámetro exterior logra una tolerancia de±3 μm, lo que garantiza la redondez del rotor.

Desafío 2: Fijación magnética, proceso adhesivo de alta expansión para prevenir fallas

Los imanes permanentes incrustados en las ranuras del rotor están sometidos a un intenso impacto centrífugo a altas velocidades. El pegado tradicional por puntos en una sola cara presenta un riesgo de concentración de tensiones a altas velocidades; en condiciones extremas, los imanes pueden desprenderse de las paredes de las ranuras o incluso salir despedidos, provocando una falla catastrófica.

Tecnología clave: Uso de un recubrimiento adhesivo de alta tasa de expansión. Tras el curado, el volumen se expande más de 5 veces, creando una interfaz adhesiva uniforme en las superficies superior e inferior del imán, lo que mejora significativamente la distribución de la tensión en comparación con la unión por puntos. El material de recubrimiento debe soportar temperaturas superiores a 180 °C, tener un coeficiente de dilatación térmica que coincida con el del imán (~10 × 10⁻⁶/°C) y alcanzar una resistencia al corte posterior al curado de ≥15 MPa.

Desafío 3: La topología del rotor y la disposición de imanes en forma de U de doble capa optimizan el circuito magnético y la fuerza.

PUMBAAEV emplea una topología de imán permanente interior (IPM) de "doble capa en forma de U": una capa interior en forma de U superpuesta a una capa exterior en forma de U, y los imanes de cada capa se dividen a su vez en múltiples segmentos.

​Ventajas principales:​

• ​Aumento de parMaximiza la diferencia de reluctancia entre los ejes q y d, aumentando el par máximo en aproximadamente un 10 % sin añadir material magnético adicional.

• ​Distribución de tensionesLa estructura segmentada dispersa la tensión en múltiples unidades independientes, lo que evita el agrietamiento en los bloques magnéticos monolíticos y facilita los procesos de fabricación relacionados con la magnetización.

• ​Optimización NVHLa topología de doble U, combinada con un diseño sesgado, controla la distorsión armónica total (THD) de la densidad de flujo fundamental del entrehierro a menos del 5%, suprimiendo los armónicos de orden superior.

Ilustración de la estructura del rotor de un motor de alta velocidad, que muestra los imanes en forma de U de doble capa y el diseño segmentado.

Desafío 4: Equilibrio dinámico de alta velocidad, desequilibrio residual suprimido a menos de 50 mg.

A 30.000 rpm, un pequeño desequilibrio genera cientos de kilogramos de fuerza centrífuga. PUMBAAEV comprimió el desequilibrio residual desde el nivel típico de la industria de ​≤150 de mg a ≤50 mg, una reducción del 67%.

​Cadena de procesos de equilibrio dinámicoMecanizado basto → Montaje en caliente de imanes → Equilibrado inicial → Mecanizado de precisión → Verificación de equilibrio dinámico a alta velocidad y rango completo (probado a 30 500 rpm). La corrección del desequilibrio se logra mediante el fresado de orificios para la eliminación de contrapesos en las tapas de los extremos, con una resolución de ±1 mg. Una verificación secundaria tras ciclos de choque térmico garantiza la estabilidad posterior al ensamblaje.

Desafío 5: Diseño de velocidad crítica, margen de seguridad del 15 %

La vibración se amplifica drásticamente cuando la velocidad de operación se acerca a la primera velocidad crítica de flexión del rotor. PUMBAAEV diseñó la primera velocidad crítica de flexión para que sea ​35.000 rpm, aproximadamente un 15% por encima de la velocidad máxima de funcionamiento nominal, lo que proporciona un margen de seguridad suficiente.

Ruta de implementación: Aumentar la distancia entre apoyos y la precarga para mejorar la rigidez a la flexión del eje; al mismo tiempo, utilizar cojinetes cerámicos de nitruro de silicio (Si₃N₄) para mantener la rigidez del cojinete a valores DN más altos (velocidad × diámetro del orificio) y proporcionar un aislamiento natural contra la corrosión por corriente del eje.

3. Gestión del estator y térmica: Un ataque coordinado contra las pérdidas de alta frecuencia

A 30 000 rpm, la frecuencia eléctrica alcanza los 500 Hz. El efecto pelicular en los devanados tradicionales provoca picos de pérdidas de cobre en corriente alterna, lo que requiere una solución combinada de devanados en horquilla y refrigeración directa por aceite.

Bobinados en horquilla: el diseño de 10 capas de paso desigual optimiza la relación de pérdidas de cobre CA/CC.

El factor de llenado de cobre de los cables planos de sección transversal rectangular puede superar el 60%, muy superior al 40-45% de los cables redondos. El estator del supermotor de PUMBAAEV utiliza un bobinado en horquilla de 10 capas con paso desigual, con diferentes espesores para las tiras de cobre en cada capa.

• ​Las capas exteriores son más delgadasCerca de la abertura de la ranura, transportan preferentemente los componentes de corriente de alta frecuencia.

• ​Las capas internas son más gruesasCerca de la parte inferior de la ranura, transportan principalmente el componente de CC.

Este diseño controla la relación de pérdidas de cobre CA/CC a aproximadamente 1,15 (el valor típico en la industria es de 1,3 a 1,5), mientras que los espacios desiguales entre capas optimizan la sección transversal de flujo para el aceite de refrigeración.

Material del núcleo: Las laminaciones ultrafinas reducen drásticamente las pérdidas de hierro de alta frecuencia.

Las pérdidas en el núcleo aumentan con la frecuencia. A 500 Hz, las pérdidas en el acero al silicio tradicional de 0,35 mm se disparan. PUMBAAEV utiliza acero eléctrico ultradelgado de alta frecuencia con un espesor de ≤0,2 mm, lo que reduce las pérdidas en el núcleo a 500 Hz entre un 40 % y un 50 % en comparación con el acero de 0,35 mm. Las láminas más delgadas también aumentan la superficie de disipación de calor por unidad de volumen.

Sistema de refrigeración: La refrigeración directa por aceite permite una gestión térmica eficiente.

La densidad térmica del estator a 30 000 rpm es extremadamente alta, superando la capacidad de la refrigeración tradicional mediante camisa. PUMBAAEV integra el conducto de aceite refrigerante dentro de las ranuras del estator, permitiendo que el aceite fluya entre los devanados y logrando una refrigeración por contacto directo con los devanados de cobre.

​Sinergia térmica de triple acción:

1. ​Laminaciones ultrafinas: Reducir las pérdidas de hierro y aumentar la superficie.

2. ​Horquillas de paso desigualOptimizar los canales de flujo del aceite de refrigeración.

3. ​Refrigeración directa por aceiteProporciona refrigeración por contacto directo. Las mediciones muestran que las diferencias de temperatura del bobinado en estado estacionario se pueden controlar dentro de 5 °C, con temperaturas máximas reducidas en aproximadamente 40 °C.

4. Control NVH: La búsqueda del silencio en la era eléctrica

Con un menor ruido ambiental en los vehículos eléctricos, el ruido del motor se vuelve más perceptible. La frecuencia fundamental de 500 Hz a 30 000 rpm y sus armónicos se encuentran dentro del rango más sensible del oído humano (500-4000 Hz).

​Fuentes primarias de excitación de ruido:

• ​Armónicos de la fuerza electromagnética: Generado por armónicos espaciales de la densidad de flujo del entrehierro (determinada por la forma del imán y la estructura del bobinado).

• ​Armónicos PWM del inversor: La frecuencia de conmutación y sus múltiplos introducen armónicos en la forma de onda de la corriente, lo que excita aún más los armónicos de la fuerza magnética.

• ​Desequilibrio mecánico: El desequilibrio residual del rotor genera una excitación de frecuencia de rotación 1X (500 Hz), que debe separarse de las frecuencias de resonancia de los cojinetes y la carcasa.

​Estrategia de control triple de NVH:

1. ​Optimización electromagnéticaOptimización multiobjetivo de la forma de la ranura, el ángulo de inclinación, etc., para minimizar la amplitud de los armónicos de la fuerza electromagnética (por ejemplo, órdenes 6N). Se utiliza un apilamiento helicoidal de alta precisión para la inclinación.

2. ​Refuerzo estructural y aislamiento: Mejorar la rigidez general de la unidad de accionamiento eléctrico (nervaduras de la carcasa) para desplazar las frecuencias de resonancia fuera de las bandas operativas; utilizar bujes de aislamiento de vibraciones de alta eficiencia en los puntos de montaje para reducir la transferencia de vibraciones a través de las vías estructurales.

3. ​Equilibrado dinámico de alta precisión: Un desequilibrio residual ≤50 mg garantiza que la aceleración de la vibración a la excitación 1X (500 Hz) sea

5. Electrónica de control y potencia: El papel fundamental de los chips de SiC

La alta frecuencia y la alta eficiencia son requisitos inherentes a los motores de alta velocidad, que dependen directamente de los avances en los dispositivos de control y potencia.

El chip SiC de 1500 V desarrollado internamente representa un avance fundamental. En comparación con los IGBT tradicionales, los MOSFET de SiC permiten:

• ​Mayor frecuencia de conmutación: Admite velocidades de motor más altas (frecuencias eléctricas).

• ​Menores pérdidas por conmutaciónMejora la eficiencia del sistema, especialmente en la región de alta velocidad.

• ​Mayor tensión nominalLa clasificación de 1500 V proporciona un margen de seguridad para las plataformas de 800 V y los desarrollos futuros.

Los algoritmos de control deben estar perfectamente adaptados al motor, garantizando un funcionamiento estable en la región de debilitamiento de campo a alta velocidad y una eficiencia óptima.

06 Desafíos y evolución futura

Cuellos de botella tecnológicos existentes

• ​Costo del materialEl acero eléctrico de alta resistencia y los recubrimientos especiales siguen siendo entre un 20 % y un 30 % más caros que las soluciones convencionales.

• ​Límite del acero al silicioLas laminaciones más delgadas reducen la pérdida de hierro, pero comprometen la rigidez; el equilibrio entre la pérdida de hierro y la rigidez es un desafío fundamental.

• ​Fiabilidad de por vida del rodamientoPara garantizar la fiabilidad durante todo el ciclo de vida de los rodamientos cerámicos de alta velocidad con valores DN ultraaltos, se necesitan más datos de ensayos en carretera.

• ​Cadena de suministro de SiCLos índices de rendimiento y el coste de los chips de SiC de fabricación propia, en particular del sustrato 4H-SiC, son obstáculos clave para la industrialización.

Futuras vías tecnológicas

• ​Nuevos materialesLos materiales magnéticos blandos amorfos/nanocristalinos ofrecen una pérdida en el núcleo aproximadamente un 60 % menor que el acero al silicio y son candidatos ideales para los núcleos de estator de próxima generación, aunque persisten desafíos en el procesamiento de materiales frágiles.

• ​Nuevas topologíasLos motores de flujo axial (AFM), con su estructura en forma de disco naturalmente adecuada para altas velocidades, están en la hoja de ruta de algunos fabricantes de equipos originales (OEM), ofreciendo una densidad de potencia teórica entre un 20 % y un 40 % superior a la de los motores de flujo radial.

• ​Gestión térmica integradaCompartir el aceite refrigerante entre el estator y los módulos de potencia del inversor puede reducir la resistencia térmica en un 30 % aproximadamente y simplificar la arquitectura del sistema.

• ​Revolución del diseño impulsada por la IALa cosimulación multifísica (electromagnética, térmica, estructural y NVH), combinada con algoritmos de IA/optimización, tiene el potencial de reducir los ciclos de desarrollo de motores de alta velocidad de 24 meses a menos de 12 meses.

El límite de la tecnología siempre está más allá de la siguiente iteración. La producción en masa de motores de 30 000 rpm marca el inicio de un nuevo ciclo tecnológico impulsado por la metodología de ingeniería de sistemas, la profunda integración vertical y un pensamiento de ingeniería extremo.