Una nueva máquina síncrona de rotor bobinado sin escobillas, autoexcitable y de alta eficiencia basada en devanados armónicos de rotor con características de par mejoradas

Por qué importa un nuevo tipo de motor

Los motores eléctricos están ocultos dentro de casi todo lo que se mueve en la vida moderna, desde robots de fábrica hasta coches eléctricos y electrodomésticos. Muchos de los motores más eficientes de hoy dependen de imanes permanentes hechos con materiales de tierras raras, que son caros y vulnerables a interrupciones en el suministro. Este artículo presenta un enfoque distinto: un diseño de motor compacto que ofrece una fuerte fuerza de torsión, o par, sin usar imanes permanentes ni contactos frágiles de escobillas, lo que podría hacer que los accionamientos eléctricos de alto rendimiento sean más baratos, más duraderos y más fáciles de mantener.

Motores sin imanes costosos

Los motores estándar de alta eficiencia suelen usar imanes permanentes potentes montados en un núcleo giratorio. Esos imanes proporcionan un campo magnético constante, lo que ayuda al motor a funcionar eficientemente a su carga nominal, pero desperdicia energía a cargas ligeras y complica el control en un amplio rango de velocidades. Además dependen de metales de tierras raras, cuyo precio y disponibilidad pueden variar bruscamente. Una alternativa es el motor síncrono de rotor bobinado, en el que el campo magnético del rotor se crea con bobinas de cobre en lugar de imanes. Sin embargo, las versiones tradicionales de estas máquinas necesitan escobillas y anillos rozantes para alimentar corriente al rotor giratorio, lo que añade desgaste, chispas, pérdidas y mantenimiento.

Diseños sin escobillas y sus límites

Investigadores han pasado años intentando construir motores que combinen la capacidad de control de los rotores bobinados con los beneficios de bajo mantenimiento de los diseños sin escobillas. Muchos de los motores bobinados sin escobillas propuestos usan devanados adicionales y múltiples módulos de electrónica de potencia para introducir energía en el rotor sin contactos eléctricos directos. A menudo se basan en campos magnéticos cuidadosamente diseñados que contienen pequeñas ondulaciones, o armónicos, que pueden inducir corrientes en bobinas especiales del rotor. Aunque estos esquemas funcionan, tienden a ser complejos, requiriendo inversores adicionales, devanados extra en el estator o imanes permanentes, todo lo cual encarece el sistema y puede seguir quedando corto en densidad de par.

Usar las ondulaciones magnéticas ocultas con más ingenio

Los autores se basan en una idea reciente que aprovecha una ondulación “subarmónica” ya presente en el campo magnético del estator para generar energía dentro del rotor. En lugar de añadir más hardware en la parte estacionaria, se centran en rediseñar el propio rotor. En diseños anteriores, solo la mitad de las ranuras disponibles del rotor se llenaban con un devanado armónico especial que captura este campo subarmónico y alimenta a un rectificador, que luego suministra corriente continua al devanado principal del rotor. El nuevo enfoque simplemente pone a trabajar el espacio no usado añadiendo un segundo devanado armónico idéntico en las ranuras vacías del rotor, y conectando ambos mediante un condensador para que sus corrientes alternas permanezcan en fase.

Cómo el nuevo rotor aumenta el par

Cuando la corriente trifásica de un único inversor fluye por las bobinas del estator, crea tanto el campo giratorio principal como un componente subarmónico fuerte. Este subarmónico barre las dos bobinas armónicas del rotor, induciendo corrientes alternas en cada una de ellas. Estas dos corrientes se combinan y pasan por un pequeño rectificador montado en el rotor, que convierte la señal combinada en una corriente continua estable para el devanado de campo principal. Debido a que ahora hay dos devanados armónicos en lugar de uno, se aprovecha más corriente con la misma entrada del estator, fortaleciendo el campo magnético del rotor sin hardware de potencia externo adicional. Simulaciones por elementos finitos de un prototipo de 8 polos y 12 ranuras muestran que la corriente media de campo en el nuevo diseño aumenta en casi un 30 por ciento en comparación con la versión anterior de un solo devanado.

Ganancias de rendimiento en condiciones realistas

El campo de rotor más fuerte se traduce directamente en más par y potencia. A la misma velocidad de funcionamiento y con la misma corriente en el estator, la nueva máquina produce un par medio de alrededor de 10,25 newton-metro, frente a 8,39 newton-metro del diseño de referencia—un aumento del 22,15 por ciento. La potencia de salida aumenta en la misma proporción, mientras que la eficiencia sube ligeramente hasta casi el 93 por ciento. Es importante destacar que la ondulación del par, una medida de la suavidad de giro del motor, se mantiene muy pequeña (por debajo del uno por ciento), lo que significa que el devanado adicional no introduce vibraciones indeseadas. Los niveles de flujo magnético en el núcleo de hierro se mantienen por debajo del límite de saturación, lo que indica que la mejora de rendimiento no se produce a costa de sobrecalentamiento ni de estrés material excesivo.

Qué significa esto para los futuros accionamientos eléctricos

En términos simples, los investigadores han demostrado que una reorganización inteligente del cobre dentro del rotor puede extraer considerablemente más empuje útil de un motor sin cambiar su tamaño exterior, la fuente de alimentación ni el diseño del estator. Al llenar el espacio de rotor no usado con un segundo devanado armónico y usar las ondulaciones magnéticas incorporadas como un canal gratuito de transferencia de energía, su máquina síncrona de rotor bobinado sin escobillas logra mayor par, funcionamiento suave y una eficiencia ligeramente mejorada, evitando por completo los costosos imanes permanentes y las escobillas de alto mantenimiento. Tales motores podrían convertirse en opciones atractivas para vehículos eléctricos y otras aplicaciones de alto par donde el coste, la fiabilidad y la seguridad del suministro son tan importantes como el rendimiento bruto.

Cita: ul Haq, M.A., Farooq, H., Liaqat, R. et al. A novel rotor harmonic winding-based high efficient self-excited brushless wound rotor synchronous machine with improved torque features. Sci Rep 16, 9267 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38287-z

Palabras clave: motor de rotor bobinado sin escobillas, máquinas eléctricas de alto par, accionamientos sin imanes permanentes, bobinado de rotor autoexcitable, tracción para vehículos eléctricos