En poco tiempo podría salir al mercado un sistema de transmisión eléctrica innovadora que promete un ahorro importante de espacio y peso para aplicaciones de vehículos fuera de carretera
La colaboración entre el especialista en transmisiones Oerlikon Fairfield de EE.UU. y Ashwoods Electrical Motors del Reino Unido, ha llevado al desarrollo de un nuevo dispositivo ultra compacto que es hasta un 70% más pequeño y ligero y un 20% más eficiente que los motores establecidos que se utilizan en aplicaciones de tracción fuera de carretera, que usan motores CC con escobillas o de inducción acoplados a un engranaje planetario. El innovador sistema de transmisión eléctrica, que aún no ha recibido un nombre formal, comprende los productos existentes de ambas empresas: un engranaje planetario Oerlikon Fairfield Torque Hub y un motor Interior Permanent Magnet (IPM) de Ashwoods.
Un documento técnico publicado por ambas empresas proporciona los detalles de una unidad de 76 kg, 293 mm de diámetro y 408 mm de longitud, que ofrece hasta 3846 Nm del par de salida y un par máximo de frenado del 4807,5 Nm. La potencia máxima es de 9 kW con una velocidad máxima de salida de 62 rpm.
Esto se consigue mediante una configuración que proporciona una relación planetaria triple con la longitud de un diseño planetario doble estándar. Además, estas dos tecnologías se combinan con un freno de estacionamiento eléctrico integrado, que ha permitido la eliminación de varios componentes duplicados o redundantes (por ejemplo se utiliza un eje común para el motor, el freno y la transmisión), una técnica que también ayuda a reducir el peso, el coste y las dimensiones del conjunto.
Más aplicaciones fuera de carreteraEstas cifras de rendimiento han sido confirmadas por Dean Elmore, vicepresidente de ingeniería de Drive Systems Americas para Oerlikon Fairfield, con sede en Lafayette, Indiana. "El producto Torque Hub ya se utiliza ampliamente en aplicaciones fuera de carretera como plataformas elevadoras y otro tipo de maquinaria de construcción, de minería y agrícola", dice. "Pero mediante la integración de los productos Ashwoods y Torque Hub, podemos producir una unidad muy compacta que se optimizará para satisfacer una variedad de aplicaciones". Explica que los actuales productos de transmisión eléctrica de la empresa se centran principalmente en las plataformas elevadoras, pero que el tamaño compacto de la nueva transmisión hará que pueda usarse en máquinas tales como carretillas elevadoras y miniexcavadoras.
Elmore identifica las características únicas de los motores de imanes permanentes interiores (IPM) como cruciales para el rendimiento que logra el nuevo dispositivo. En este sentido, como él mismo reconoce, la utilización del motor Ashwoods es particularmente notable. "El motor Ashwoods es una novedad en la industria y ofrece una unidad muy compacta que supera el par y la eficiencia de los productos de la competencia", dice. El factor clave de un IPM es que combina las tecnologías de motores de reluctancia y de imanes permanentes. La característica distintiva de los primeros es que pueden generar par sin ningún uso de imanes, mientras que los segundos alcanzan una densidad muy alta de par como consecuencia de la alta densidad de flujo en el entrehierro producida por el uso de imanes de tierras raras.
Diseño encapsulado de los imanesLa combinación exitosa de estos dos enfoques resulta en un motor que puede proporcionar una densidad de par similar a un motor equivalente de imanes permanentes, pero requiriendo hasta un 70% menos de material de imanes. Esto se logra incrustando los imanes en el diseño del rotor, lo que elimina el riesgo de fallo causado por un imán que se separe del rotor. Un beneficio adicional de encapsular completamente los imanes es que se pueden proteger de la fatiga inducida por el entorno y las vibraciones.
En el caso de los productos IPM de Ashwoods, Oerlikon considera que tienen la ventaja particular de haber sido desarrollados desde el principio teniendo en mente los mercados altamente competitivos en cuanto a costes, como el de los vehículos fuera de carretera. También señala que el diseño de Ashwoods combate eficazmente uno de los inconvenientes tradicionales del concepto general del motor de imanes permanentes de interior; su peso y volumen relativamente bajos hacen que el núcleo del motor no pueda funcionar eficazmente como disipador de calor que distribuye las pérdidas creadas dentro de la máquina. La unidades Ashwoods contrarrestan esto mediante una ingeniosa técnica de circulación de aire que permite la operación continua a gran potencia. Pero Elmore también es claro sobre el importante reto que supone la integración de un motor IPM en un producto que pueda satisfacer las necesidades reales del mercado: la relación coste-eficacia. "Los motores de IPM se utilizan ampliamente en la industria de la automoción, pero están altamente optimizados para el rendimiento y por lo tanto son costosos. Pero Ashwoods ha escalado sus motores IPM, pasando de modelos de alto coste y altamente optimizados a aplicaciones fuera de carretera competitivas en cuanto a los costes", explica.
La integración del freno de estacionamientoElmore dice que una de los problemas principales fue la "integración conjunta de los dos componentes mientras se optimizaba el tamaño compacto del motor". También reconoce la importancia del éxito en la integración del tercer elemento de la unidad: el freno de estacionamiento. "Es un componente clave de un sistema de transmisión eléctrica y la integración suele ser necesaria en muchas aplicaciones en las que el vehículo debe mantenerse en un gradiente", afirma. "La integración del freno en la transmisión eléctrica no es algo nuevo, pero Ashwoods y Fairfield han trabajado juntos para integrar el componente de tal manera que se puedan maximizar las dimensiones compactas del diseño".
Elmore reconoce que aunque el diseño actual ofrece dimensiones competitivas en términos de compacidad, siguen trabajando en acortar la longitud total del conjunto. "Estamos trabajando en ello", afirma enfáticamente, y añadió que confía que el nuevo producto ofrezca algo muy diferente a las empresas que se deseen instalarlo en vehículos. "La fortaleza del conjunto de transmisión eléctrica proviene de la facilidad de montaje para el cliente", afirma. "La unidad está diseñada de tal manera que se pueda montar en un vehículo sin tener que modificar mucho el diseño del chasis".
"Mediante la integración de los productos Ashwoods y Torque Hub, podemos producir una unidad muy compacta que se optimizará para satisfacer una variedad de aplicaciones" - Dean Elmore, Oerlikon Fairfield
Montaje simple y pruebas exhaustivasEl proceso de montaje del propio producto no será complicado. "Debido a la baja cantidad anual de productos fuera de carretera, el proceso de montaje es principalmente manual", confirma. Sin embargo, añade que una "comprobación funcional al 100% mediante pruebas de producción automatizadas" hace que Oerlikon Fairfield muestre total confianza sobre los niveles de calidad que será capaz de lograr en el producto. La empresa también indica que las prueba prácticas realizadas han confirmado sus proyecciones optimistas sobre el rendimiento probable del producto.
"Hasta la fecha las pruebas han demostrado que la potencia y la eficiencia son sorprendentes en relación al tamaño del motor", informa Elmore. "Una mayor eficiencia no sólo significa que la unidad utiliza menos energía para crear misma cantidad de potencia durante la tracción, sino también que se puede recuperar más energía durante el frenado regenerativo. Esto resulta en una mayor duración en la condición de tracción para un vehículo eléctrico y una mayor eficiencia de combustible para un vehículo híbrido". Pero se realizarán pruebas adicionales. "Las pruebas de laboratorio y de campo siguen en curso, y los objetivos específicos de eficiencia del vehículo se medirán en unos pocos meses", dice. "Continuamos revisando e implementando ideas de integración y de mejora de costes".
Y lo que es más importante, los usuarios potenciales también se están involucrando en el proceso de preparación del producto para su aprobación final, fabricación e introducción al mercado. "También estamos considerando a varios clientes potenciales y ellos mismos están realizando las pruebas de los prototipos", afirma Elmore.
