La empresa británica Protean Electric, fundada en 2008, acumula más de 160 patentes a nivel mundial relacionadas con el diseño de motores eléctricos y la electrónica de potencia. Además tiene otras 150 patentes solicitadas vinculadas al control de fabricación. Chris Hilton, su director de tecnología ha explicado a Automotive Testing Technology International que hay dentro de las ruedas de estos coches eléctricos y que ventajas añaden en comparación con los motores que se sitúan por encima de los ejes.
El motor de Protean es una máquina de imanes permanentes que incluye la electrónica de potencia y el control empaquetados dentro de la propia rueda y que es capaz de producir altas densidades de potencia y par. Estos sistemas se han producido hasta ahora en bajo volumen y han sido destinados a fabricantes y empresas suministradoras para que realicen pruebas reales con ellos. Protean ha desarrollado e implementado sistemas de propulsión eléctrica ubicados en las ruedas para coches híbridos, híbridos enchufables y completamente eléctricos alimentados por batería. Según la compañía sus prototipos de demostración y prueba ya han recorrido más de dos millones de kilómetros montados en vehículos propulsados por sus motores.
Chris Hilton, director de tecnología de Protean.
La base de la tecnología
Chris Hilton, director de tecnología de Protean, explica que el diseño del ProteanDrive IWM es un paquete completamente integrado que incluye toda la tecnología central de un tren motriz eléctrico en una sola unidad compacta. El conjunto incorpora dentro de la llanta un motor síncrono de imanes permanentes y la electrónica de potencia que lo controla. Un especialista externo ha colaborado en el encaje entre rueda y motor para mantener el sistema de frenado regenerativo del motor. El rotor del motor eléctrico se conecta directamente al cubo, es decir, entregan el par directamente a la rueda, eliminando las pérdidas en la transferencia de potencia. Esta configuración de transmisión directa se refleja en el diseño de alta torsión y baja velocidad de ProteanDrive.
En el diseño, el motor no está en contacto directo con la llanta, excepto por el punto en el que se sitúa el rodamiento. Esto garantiza el espacio suficiente para que incluso los daños más importantes que se pudieran producir en la llanta de la rueda no provoquen daños en el motor. Protean asegura que un golpe lo suficientemente severo en la acera como para dañar la suspensión no dañará el motor. "Reconocemos que es un componente costoso que el propietario de un vehículo no querrá reemplazar como resultado de un accidente menor", afirma Hilton.
Pruebas virtuales
Una parte fundamental de la metodología del diseño y la verificación del funcionamiento de los motores en rueda es el modelado y la simulación a nivel de subsistema y de sistema completo. "Sin él, llegar a un producto que cumpla con todos los requisitos y sea competitivo sería una tarea imposible". El empleo de cálculos mediante elementos finitos ofrece los mejores resultados en la simulación y proporciona información precisa sobre el rendimiento electromagnético del motor, el comportamiento térmico y la integridad mecánica de la estructura.
La dinámica de flujo computacional permite estudiar el flujo del refrigerante a través del motor, asegurando que pueda trabajar de manera efectiva incluso a las altas velocidades a las que gira la rueda, para evitar los efectos de la contrapresión o la cavitación. Por último, a través de simulaciones con Spice (Simulation Program with Integrated Circuits Emphasis), un programa de simulación de circuitos integrados, se comprueba el comportamiento de la electrónica.
Despiece de los motores eléctricos en rueda de Protean.
Estos métodos de simulación en sí mismos pueden ser muy precisos, pero no resuelven las incertidumbres que existen sobre el comportamiento de los materiales en las uniones entre ellos. Por esta razón, es fundamental correlacionar las simulaciones virtuales con las mediciones reales en condiciones de laboratorio. El que sirve a Protean está ubicado en la sede de la compañía en Farnham, Reino Unido, y cuenta con una amplia gama de equipos que permite probar internamente la mayoría de los aspectos de los motores en rueda.
Las pruebas de laboratorio son una parte importante del trabajo ya que permiten comprobar que la funcionalidad, el rendimiento y la durabilidad del producto son adecuados para su uso en el mundo real. Antes de avanzar a la verificación completa del ensamblaje, cada bloque de construcción utilizado en el diseño se prueba a nivel del material, de componentes y de las uniones entre ellos.
Al ser un producto novedoso, estas pruebas implican el desarrollo de equipos específicos y de procedimientos innovadores que permiten verificar aspectos que no son considerados en un sistema centralizado más convencional. Incluso en aspectos que sí con comunes, como la protección contra vibraciones, las pruebas se realizan a niveles mucho más estrictos que los que se utilizarían para un tren motriz convencional, de manera que se tiene en cuenta el "entorno hostil que sabemos que nuestro producto necesitará para sobrevivir".
Después de haber corrido cada modelo modificando los parámetros según indican las experiencias en laboratorio, las simulaciones han logrado un alto porcentaje de fidelidad, lo que hace suponer que las pruebas físicas con prototipos reales deben responder de una manera muy similar a lo que predicen los ensayos.
La mayoría de las simulaciones que lleva a cabo Protean tiene que ver con el sistema motor, pero en algunas ocasiones resulta necesario modelar el vehículo completo. Los motores en las ruedas ofrecen grandes oportunidades para mejorar el comportamiento dinámico de un vehículo aprovechando su capacidad para asignar un par motor diferente en cada una de las ruedas motrices. Para ello, se emplean software de modelado para establecer los mejores algoritmos basados en la dinámica de los vehículos que simulan el impacto de los motores en las ruedas.
Pruebas reales
"Hemos trabajado con decenas de clientes que han integrado nuestros motores en sus vehículos y los han probado de diversas formas. Hasta la fecha, nuestros motores han completado más de dos millones de kilómetros de pruebas y garantizan una vida útil de 300.000 kilómetros", asegura Hilton.
Uno de los vehículos de pruebas que implementan los motores eléctricos en rueda de Protean.
Las tipologías de vehículos en los que se ha probado son muy variadas: automóviles de pasajeros, SUV y vehículos comerciales ligeros. Las pruebas a las que se han sometido van desde la evaluación en el dinamómetro en un banco de pruebas hasta la durabilidad total de los vehículos, tanto dentro como fuera de la carretera. "Después de haber pasado por ellas tenemos una gran confianza en la capacidad de nuestros motores para sobrevivir a lo que sea que les depare la vida en un vehículo". Hilton asegura que Protean trabaja continuamente para mejorar la durabilidad del producto, pero las pruebas realizadas hasta ahora aseguran que "nuestros motores han pasado las pruebas completas de durabilidad para toda la vida del vehículo sin fallos".
Para garantizar la durabilidad se diseñan las pruebas de validación que demostrarán que se han cumplido los requisitos marcados. Protean ha trabajado con los fabricantes de equipos originales para abarcar sus expectativas respecto a un componente como este tan expuesto a las inclemencias del medio ambiente. Incluye la resistencia y durabilidad ante los golpes, las vibraciones, el agua, el polvo y otras sustancias a las que puedan estar expuestos los motores de las ruedas. "Adoptamos los requisitos más estrictos que encontramos para que podamos estar seguros de que nuestros motores cumplirán con las expectativas de durabilidad de nuestros clientes".
Una vez probado el diseño en la simulación, el siguiente paso son las pruebas de durabilidad que se llevan a cabo inicialmente a nivel de subcomponentes, luego en el producto completamente ensamblado, y finalmente, en los vehículos reales. "No hemos encontrado aplicaciones que impliquen un entorno tan duro en el que los motores en rueda no puedan cumplir los criterios de durabilidad".
