Investigación de los efectos de la orientación magnética en el rendimiento de motores BLDC de rotor interior para VE: un enfoque mediante metodología de superficie de respuesta

Motores más silenciosos y suaves para los vehículos eléctricos del futuro

Los vehículos eléctricos pueden parecer silenciosos y fáciles de conducir desde el asiento del conductor, pero dentro de sus motores ocurre una intensa lucha invisible. Pequeñas fuerzas magnéticas pueden hacer que una rueda brinque, vibre o desperdicie energía en forma de calor. Este artículo explora una nueva forma de colocar los imanes dentro de un motor compacto para que los vehículos eléctricos pequeños —como ciclomotores híbridos— funcionen de manera más suave, silenciosa y eficiente, sin necesitar una batería más grande.

Por qué la suavidad del motor importa en la carretera

Los vehículos eléctricos modernos suelen usar motores sin escobillas (brushless DC), que utilizan imanes permanentes en lugar de escobillas mecánicas para hacer girar el rotor. Estos motores son ligeros, eficientes y potentes, lo que los hace ideales para espacios reducidos como los de los vehículos de dos ruedas. Pero sufren un efecto no deseado llamado torque de dentado (cogging torque): un “enganche” magnético entre los imanes del rotor y los dientes del estator que provoca vibración, fluctuaciones de par y movimientos entrecortados, especialmente a bajas velocidades. Para los conductores, eso se traduce en ruido, aceleraciones irregulares y pérdida de eficiencia. Reducir el torque de dentado manteniendo un par y una eficiencia elevados es, por tanto, un reto clave de diseño para una movilidad eléctrica más limpia y agradable.

Un nuevo mando a girar: cómo se orientan los imanes

La mayoría de trabajos anteriores intentaron domar el torque de dentado modificando las piezas metálicas del motor: cambiando la forma de las ranuras, el ancho de los polos o las holguras de aire, o bien sesgando el estator. En este estudio, los autores mantienen el tamaño general del motor y el estator sin cambios y en su lugar tratan la orientación de los imanes y el ángulo de sesgado del rotor como los principales “mandos de diseño”. Se centran en un motor brushless DC de rotor interior, donde los imanes están embebidos dentro del núcleo giratorio en lugar de montarse en la superficie. Usando el software Siemens Simcenter Motorsolve, construyen 12 prototipos virtuales que combinan diferentes ángulos de imán (10°, 20°, 30°) con distintos ángulos de sesgado (0° a 40°). Para cada caso calculan resultados clave: par medio, eficiencia, torque de dentado y la forma de la fuerza electromotriz inducida (fem inversa), que afecta de forma importante a la facilidad de control del motor.

Encontrar el punto óptimo con estadística inteligente

Para ir más allá del ensayo y error, el equipo utiliza una técnica estadística llamada Metodología de Superficie de Respuesta (RSM). En lugar de probar todas las combinaciones posibles de ángulos, RSM construye un “mapa” matemático que muestra cómo varía el rendimiento cuando la orientación del imán y el ángulo de sesgado cambian conjuntamente. Luego definen qué significa “bueno”: alta eficiencia, alto par y fem inversa favorable, pero torque de dentado muy bajo; y comprimen esos objetivos en una única puntuación de deseabilidad. Al explorar esta superficie de respuesta identifican la combinación que ofrece el mejor compromiso global. El diseño virtual óptimo apunta a una orientación de imán de 20° y un ángulo de sesgado del rotor de 40°, una configuración que los autores etiquetan como PDC9. Este diseño promete aproximadamente un 43% más de par que una disposición de referencia, torque de dentado casi nulo y eficiencia superior al 94%, preservando la forma trapezoidal de la fem inversa preferida para accionamientos brushless DC.

De la pantalla al taller: construir y probar el motor

Para demostrar que la idea funciona fuera del ordenador, los investigadores construyen un motor real siguiendo las especificaciones de PDC9. Usan acero eléctrico laminado para el estator y el rotor, e imanes de neodimio-hierro-boro de alta energía dentro del rotor, todos dimensionados para un accionamiento de 48 V y aproximadamente 1,5 kW adecuado para un ciclomotor híbrido. El prototipo se ensaya en un banco de pruebas con un dinamómetro, donde se miden par, velocidad y voltaje en una gama de puntos de operación. El motor experimental entrega alrededor de 3,8 Nm de par a su velocidad nominal con una eficiencia cercana al 92%, y produce la forma trapezoidal deseada de la fem inversa. Aunque ligeramente por debajo de los valores idealizados de simulación —como es de esperar por fricción, tolerancias de fabricación y pérdidas adicionales—, los resultados siguen de cerca las tendencias predichas, confirmando que una orientación y un sesgado cuidadosos de los imanes pueden ofrecer un rendimiento más suave y silencioso sin aumentar el tamaño de la máquina.

Qué significa esto para los vehículos eléctricos de uso diario

En términos sencillos, este trabajo muestra que hacia dónde “apuntas” los imanes dentro de un motor puede ser tan importante como su tamaño o su composición. Al inclinar y sesgar los imanes en los ángulos adecuados, los autores casi eliminan los enganches magnéticos internos que causan baches y ruido, mientras aumentan el par útil y mantienen alta la eficiencia. Para los conductores, eso significa arranques más suaves, menos vibraciones y mejor uso de la batería en vehículos eléctricos pequeños. Para diseñadores y fabricantes, el estudio ofrece una receta práctica —validada por simulación y por prototipo— para ajustar motores brushless DC de rotor interior y satisfacer las crecientes demandas del transporte eléctrico urbano.

Cita: Chandra, V., Manoharan, P.S., Thenmozhi, G. et al. Investigation of magnetic orientation effects on interior rotor BLDC motor performance for EVs: a response surface methodology approach. Sci Rep 16, 7011 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37981-2

Palabras clave: motor de corriente continua sin escobillas, torque de dentado, orientación del imán, motor para vehículo eléctrico, ángulo de sesgado del rotor