Refrigeración del motor eléctrico: ¿agua o aceite?

A la pregunta de si es mejor la refrigeración por agua/glicol o por aceite en el motor de un vehículo eléctrico no hay una respuesta de una sola frase: el agua es un refrigerante más eficiente, pero debido a su conductividad eléctrica no puede tocar el motor; el aceite, aunque físicamente es un fluido más débil, puede filtrarse en el interior del lugar donde se genera el calor, por lo que en la práctica produce motores más fríos. Por eso, las unidades de propulsión modernas se inclinan cada vez más por el aceite sin abandonar por completo el circuito de agua/glicol. En este artículo comparamos los principios de funcionamiento, las diferencias numéricas y las decisiones de diseño de ambas estrategias.

¿Por qué el agua/glicol es un mejor refrigerante pero un peor vecino?

En cuanto a capacidad de transporte de calor, el agua casi no tiene rival. Su capacidad calorífica específica y su conductividad térmica son notablemente superiores a las del aceite; es decir, el agua que fluye en el mismo volumen extrae y transporta el calor más rápidamente que el aceite. La adición de etilenglicol a la mezcla regula el punto de congelación y el comportamiento frente a la corrosión, sin alterar el carácter térmico fundamental del fluido.

El problema está en la incompatibilidad fundamental del agua con el mundo electrónico: la mezcla de glicol conduce la electricidad. En cualquier punto donde los devanados, los conectores o la electrónica de potencia tocan una superficie, surge el riesgo de cortocircuito y corrosión electrolítica. Por ello, el agua/glicol solo puede usarse en zonas de la unidad de propulsión separadas de los componentes eléctricos por una pared metálica. En la práctica, este límite es la camisa de agua que envuelve el exterior del estator.

¿Cómo funciona la camisa de agua y dónde empieza su límite?

La camisa de agua es conceptualmente similar a los canales de agua del motor de combustión interna clásico: la mezcla de glicol y agua circula por un espacio cerrado del cuerpo que envuelve la superficie exterior del paquete del estator y transporta el calor hacia el radiador exterior. Así, el calor generado por los devanados de cobre se transmite primero a través de las láminas del estator hacia la superficie exterior y luego pasa al fluido. El sistema es sólido, eléctricamente seguro y de bajo costo.

Su punto débil está en la geometría. Como el rotor está separado del estator por el entrehierro, no tiene contacto alguno con el fluido; el rotor y los imanes permanentes que lleva se enfrían esencialmente a través del entrehierro y del eje, es decir, por conducción y de manera ineficiente. En simulaciones térmicas, el rotor y los imanes aparecen como el punto de temperatura más crítico de los sistemas de agua/glicol. La temperatura del motor puede superar los 200 °C a alta carga, lo que provoca una desmagnetización parcial de los imanes permanentes, un envejecimiento acelerado del aislamiento y una caída de la potencia continua.

Los ingenieros estiran este límite de formas creativas a veces. Audi ha aplicado una solución dirigida directamente al rotor añadiendo, junto a la camisa de agua, un canal de agua que atraviesa el centro del rotor; sin embargo, este tipo de diseño es una excepción y la regla es que el agua no puede entrar en las zonas eléctricas.

Pulverización de aceite: refrigeración donde nace el calor

La ventaja física del aceite puede resumirse en una sola palabra: dieléctrico. El aceite, al ser aislante, puede tocar directamente los bobinados, el rotor y los imanes; además, asume también la función de lubricación. El calor se transfiere al fluido no al final de las cadenas de conducción, sino en el punto donde nace. Esta única diferencia acorta toda la cadena de resistencia térmica.

La diferencia numérica es sorprendente. En la comparación de simulaciones de TotalEnergies y EnginSoft, la configuración de refrigeración directa por aceite ofrece una ventaja en temperatura media de 10 °C y en temperatura de bobinado de al menos 14 °C y eso incluso en condiciones de comparación con un caudal de aceite mantenido bajo. En un escenario de adelantamiento a alto régimen, alrededor de 10.000 rpm, la diferencia alcanza 40 °C. Un estudio académico independiente apunta en la misma dirección: en conducción por autopista, la temperatura de un motor de refrigeración directa se mantiene unos 30 °C más baja que la de uno con camisa de agua, y esto se refleja directamente en el par máximo y la potencia.

¿Cómo se lleva el aceite al interior del motor?

Para la refrigeración de los cabos de bobinado existen varios métodos maduros:

• Refrigeración por goteo en colector: El refrigerante se gotea de forma precisa y homogénea sobre los cabos de los bobinados; requiere menos aceite que un baño del rotor.
• Pulverización a presión: El aceite presurizado por una bomba se pulveriza directamente sobre los cabos de los bobinados y proporciona una refrigeración por impacto perpendicular.
• Pulverización del rotor a través de un eje hueco: El aceite entra por un extremo del eje y se distribuye gracias a la estructura giratoria; es una solución habitual en los PMSM con bobinado hairpin.
• Refrigeración del rotor con canales axiales: Los canales axiales dentro del rotor transportan el aceite cerca de los puntos calientes de los cabos de los bobinados.

La fuerza centrífuga procedente del rotor facilita el trabajo: las piezas giratorias actúan como una bomba auxiliar que ayuda a distribuir el aceite hacia los bobinados y el núcleo. En una arquitectura híbrida, la contribución de la pulverización de aceite a la capacidad total de refrigeración ronda el 80% - el resto es principalmente trabajo del lado del agua.

Cómo el tipo de motor cambia la carga térmica: PMSM y asíncrono

La estrategia de refrigeración comienza con una definición del problema distinta según el tipo de motor. En el motor síncrono de imanes permanentes (PMSM), el campo magnético del rotor se proporciona no por inducción, sino por imanes incrustados en el rotor; las pérdidas del rotor son muy bajas y esto facilita la gestión térmica. La contrapartida es la sensibilidad a la temperatura de los imanes: el rotor es la zona térmica más vulnerable del sistema y el riesgo de desmagnetización determina los límites térmicos del diseño.

En el motor asíncrono, en cambio, como la corriente se induce en el rotor, las pérdidas del rotor son estructuralmente más altas y la eficiencia queda por debajo de la del PMSM. En contrapartida, el motor no tiene el riesgo de desmagnetización de los imanes; los límites térmicos se pueden gestionar con mayor holgura. Esta es precisamente la lógica de ingeniería por la que algunos fabricantes optan por un PMSM eficiente en el eje delantero y un motor asíncrono más tolerante al calor en el eje trasero: cada motor se refrigera según su propio carácter térmico.

Esta diferencia térmica también es determinante en la elección del fluido. En todo motor cuyo rotor e imanes presenten riesgo de calor, aumenta el valor del aceite, capaz de llegar a zonas inaccesibles para la camisa de agua. El hecho de que los motores refrigerados por aceite alcanzaran una cuota del 50% en el mercado de automóviles eléctricos en la primera mitad de 2022 es la consecuencia concreta de esta tendencia; se espera que la cuota de mercado siga aumentando, aunque se prevé que los motores únicamente con camisa de agua mantendrán un lugar importante.

¿Cómo Funciona la Placa de Enfriamiento en el Inversor?

El componente más sensible al calor de la cadena de tracción no es el motor, sino el inversor. Los interruptores de silicio IGBT o SiC MOSFET que contiene generan calor en cada apertura y cierre de amperaje, y el presupuesto de temperatura de los semiconductores es muy estrecho. Por eso, los módulos del inversor casi siempre se enfrían con placas de enfriamiento llenas de agua/glicol.

El principio se basa en la conducción: los semiconductores de potencia se conectan directamente a la placa de enfriamiento (se utiliza pasta térmica para reducir la resistencia de contacto), el calor se transfiere a la placa por conducción y el líquido que circula por los canales internos de la placa recoge ese calor y lo transporta con una bomba hasta el intercambiador de calor remoto. Dado que el líquido transporta el calor mucho más rápido que el aire, es prácticamente la única opción en la electrónica de potencia compacta. El diseño de la placa de enfriamiento de los módulos IGBT sigue siendo un tema clave en la mejora del rendimiento del inversor.

Entonces, ¿por qué no se enfría el inversor directamente con aceite? La respuesta vuelve a ser cuestión de conductividad y complejidad del circuito: se está investigando el cambio - los proyectos de consorcio que buscan enfriar el motor y el inversor con un solo fluido (como SingleOilCnL, en el que participan Dana, Diabatix, Lubrizol, Siemens y Flanders Make) resultan prometedores - pero no se espera que se convierta en la estrategia dominante en un futuro cercano. Hoy en día la arquitectura típica es híbrida: el aceite dieléctrico enfría el rotor y el estator, transfiere el calor al circuito de agua/glicol en el intercambiador de calor; y el glicol alimenta la placa del inversor y el radiador.

¿Por Qué la Diferencia entre Potencia Máxima y Potencia Continua Depende del Sistema de Enfriamiento?

El valor de kW del folleto es la potencia máxima: la salida máxima del motor durante un tiempo breve. La potencia continua es la que el motor puede mantener de forma indefinida sin sobrecalentarse, y lo único que determina la brecha entre ambas es la gestión térmica. El sistema de enfriamiento actúa como un amortiguador térmico: cuanto mejor enfría, más tiempo se mantiene la potencia máxima y a un nivel más alto la potencia continua.

Concretemos. Los datos de dos motores industriales pesados con dimensiones externas similares muestran claramente la diferencia:

En un motor refrigerado por agua, la temperatura del devanado en una subida pronunciada puede superar el límite en un minuto; el sistema reduce el par (limitación térmica del par) y, si es necesario, el vehículo se ve obligado a reducir la potencia. La refrigeración por aceite aumenta el rendimiento continuo porque elimina resistencias térmicas innecesarias: en una rampa del 4% de 10 kilómetros, el motor refrigerado por aceite mantiene aproximadamente un 20% más de potencia continua y un 37,5% más de par continuo . Esta diferencia es del tamaño suficiente para cambiar la decisión de compra para quienes no conducen un tren interurbano sino un camión o un vehículo comercial pesado, en situaciones donde las rampas largas y las velocidades medias altas son reales.

Una refrigeración eficiente también tiene un beneficio indirecto: con el mismo presupuesto térmico se puede diseñar un motor más pequeño y más potente, lo que supone un ahorro en peso y coste.

¿Cuál Preferir en Cada Situación?

La tabla resume las fortalezas y debilidades de ambos enfoques:

La elección no es en realidad una cuestión de competencia, sino de optimización. La refrigeración por aceite y por agua no deben considerarse alternativas entre sí, sino respuestas diferentes para ciclos de trabajo diferentes: en perfiles de carga baja y media, donde prima el coste y la simplicidad, la camisa de agua suele ser suficiente. En rampas largas, velocidades medias altas y aplicaciones que exigen altas revoluciones, la ventaja de la refrigeración directa por aceite se hace evidente. Además, una unidad de propulsión refrigerada por aceite generalmente conserva su circuito de agua/glicol: es este circuito el que finalmente transfiere al ambiente el calor absorbido por el aceite y que también alimenta la placa del inversor.

Además, la tendencia a la integración refuerza la posición del aceite: a medida que el motor y la transmisión se combinan en un solo paquete, resolver la lubricación y la refrigeración del motor con un único fluido se convierte en una necesidad práctica. En la formulación del fluido, la gestión térmica se considera un criterio de diseño principal junto al rendimiento de lubricación.

Conclusión: No es una comparación de fluidos, sino una comparación de ubicación

La forma correcta de leer esta comparación no es buscar un ganador, sino situar correctamente los términos. El agua es un mejor refrigerante sobre el papel; el aceite está en una mejor posición en la práctica, porque es el único fluido capaz de llegar al punto donde nace el calor. Una diferencia de temperatura media de 10 °C, que supera los 14 °C en los devanados y alcanza los 40 °C a altas revoluciones, es el resultado de una ventaja de contacto, no de una superioridad física. En la próxima generación de unidades de propulsión, el circuito de agua/glicol seguirá presente durante un tiempo, pero la participación del aceite junto a la fuente de calor seguirá creciendo. Al elegir un motor, no fíjese en la potencia máxima del folleto, sino en la potencia continua y en la arquitectura de refrigeración que la hace posible: el rendimiento real está ahí escondido.

Fuentes

• Comparación de conceptos de refrigeración de uso común para motores de tracción de VE
• La transición al aceite en la gestión térmica de los VE
• Comparación de métodos de refrigeración para motores eléctricos
• Cómo elegir el motor adecuado para un camión eléctrico: refrigerado por aceite frente a refrigerado por agua
• Estudio sobre la refrigeración de motores eléctricos de alta velocidad con pulverización de aceite
• Gestión térmica en vehículos eléctricos | Tecnología de refrigeración del motor eléctrico
• Una estrategia híbrida de refrigeración por aceite para la gestión térmica de motores eléctricos
• Optimización de la estructura de refrigeración rotatoria por pulverización de aceite
• Revisión del diseño estructural para la refrigeración directa por aceite
• Refrigeración del rotor por inyección de aceite, devanado final hairpin
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