Induction Versus DC Brushless Motors

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Motores de inducción o sin escobillas
Induction Versus DC Brushless Motors
By: Wally Rippel, Principal Power Electronics Engineer
Wally Rippel is a long-time proponent of electric vehicles. Prior to
joining Tesla Motors, he was an engineer at AeroVironment, where he
helped develop the EV1 for General Motors and was featured in the documentary
movie, Who Killed the Electric Car? Wally has also worked for the Jet Propulsion
Laboratory on electric vehicle battery research, among other projects. In 1968, as a
Caltech undergraduate student, he built an electric car (a converted 1958 Volkswagen
microbus) and won the Great Transcontinental Electric Car Race against MIT.
Wally Rippel es un defensor de larga data de los vehículos eléctricos. Antes de unirse a
Tesla Motors, era un ingeniero de AeroVironment, donde ayudó a desarrollar el EV1 de
General Motors, y apareció en la película documental, ¿Quién mató al coche eléctrico?
Wally también ha trabajado para el Jet Propulsion Laboratory en la investigación de
una batería para vehículo eléctrico, entre otros proyectos. En 1968, como estudiante de
pregrado Caltech, construyó un coche eléctrico (1958 Volkswagen microbus) y ganó la
Gran Carrera Transcontinental Coche eléctrico contra el MIT.
Un tamaño no sirve para todos
In that odious world of gas powered vehicles, engines are not all alike. There are flatheads, Hemis, straight, opposed, and V configurations. And on and on. One would have
thought that, years ago, someone would have figured out which was best. That would
have ended all the choices and thereafter only the one best engine type would be in
production. Not so. There is no one best engine type, rather there are different types of
engines to suit personal requirements, such as price and performance. This is also true
for electric vehicle drives.
One Size Does Not Fit All
En este mundo de los vehículos impulsados por combustible liquido, los motores no
son todos iguales. Los hay cabezas planas, recto, en oposición y configuraciones en V.
Y así sucesivamente. Uno podría haber pensado que, hace años, alguien hubiera
descubierto que era lo mejor. Eso habría terminado con todas las opciones y después
sólo el mejor tipo de motor estaría en producción. No es así. No hay mejor tipo de
motor, hay diferentes tipos de motores que se adaptan a las necesidades personales,
como el precio y el rendimiento. Esto también es cierto para unidades de vehículos
eléctricos.
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Back when I had hair on my head and carried a slide rule, there were lead acid batteries,
DC brush motors, and contactor controllers. Today, none of these remain (including my
hair). Lead has been replaced by lithium and DC by either DC brushless or induction.
Contactors, meanwhile, have given way to modulating inverters. So, will each of these
elements also become obsolete in the near future or is it possible that some “stability”
may be at hand? Without a good crystal ball, it is hard to predict the future. My guess,
however, is that we will see both induction and brushless machines “duke it out” for
many years to come. Each will have its loyal proponents and religious detractors.
Antes, cuando yo tenía el pelo en la cabeza y llevaba una regla de cálculo, eran las
baterías de plomo ácido, los motores con escobillas de CC, y los controladores a
contactor. Hoy en día, ninguno de ellos se mantienen (incluyendo el cabello). El plomo
ha sido reemplazado por litio y el motor DC por cualquiera de corriente continua sin
escobillas o de inducción. Los contactores, por su parte, han dado paso a la modulación
de onda por parte de los inversores. Por lo tanto, será que cada uno de estos elementos
también se vuelven obsoletos en un futuro próximo? Sin una bola de cristal, es difícil
predecir el futuro. Yo creo, sin embargo, que vamos a ver máquinas de inducción y sin
escobillas durante muchos años. Cada uno tendrá sus defensores leales y detractores.
A Closer Look Una mirada más cercana
So what are these two technologies? How do they work? What differentiates them? And
what do they have in common? Let’s start with DC brushless drives.
With brushless machines, the rotor includes two or more permanent magnets that
generate a DC magnetic field (as seen from the vantage point of the rotor). In turn, this
magnetic field enters the stator core (a core made up of thin, stacked laminations) and
interacts with currents flowing within the windings to produce a torque interaction
between the rotor and stator. As the rotor rotates, it is necessary that the magnitude and
polarity of the stator currents be continuously varied – and in just the right way - such
that the torque remains constant and the conversion of electrical to mechanical energy is
optimally efficient. The device that provides this current control is called an inverter.
Without it, brushless motors are useless motors.
Entonces, ¿qué son éstas dos tecnologías? ¿Cómo funcionan? ¿Qué los diferencia? Y
¿qué tienen en común? Vamos a empezar con las unidades de CC sin escobillas.
Con las máquinas sin escobillas, el rotor incluye dos o más imanes permanentes que
generan un campo magnético de CC (como se ve desde el punto de vista del rotor). A su
vez, este campo magnético entra en el núcleo del estator (un núcleo compuesto por,
laminaciones apiladas delgadas) e interactúa con corrientes que fluyen dentro de los
devanados para producir una interacción de par entre el rotor y el estator. A medida que
el rotor gira, es necesario que la magnitud y la polaridad de las corrientes del estator
varíen continuamente - y en la manera correcta - de tal manera que el par en el eje
permanece constante y la conversión de energía mecánica a eléctrica es óptima y
eficiente. El dispositivo que proporciona este control de la corriente se llama inversor.
Sin ella, los motores sin escobillas son motores inútiles.
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Let’s move on to induction motor drives. A forerunner of the 3-phase induction motor
was invented by Nikola Tesla sometime before 1889. Curiously, the stators for the 3phase induction motor and the DC brushless motor are virtually identical. Both have
three sets of “distributed windings” that are inserted within the stator core. The essential
difference between the two machines is with the rotor.
Un precursor del motor de inducción de 3 fases fue Nikola Tesla antes de 1889.
Curiosamente, los estatores del motor de inducción trifásico y el motor de corriente
continua sin escobillas son prácticamente idénticos. Ambos tienen tres conjuntos de
"devanados distribuidos" ubicados en el estator. La diferencia esencial entre las dos
máquinas es con el rotor.
Unlike the DC brushless rotor, the induction rotor has no magnets – just stacked steel
laminations with buried peripheral conductors that form a “shorted structure.” Currents
flowing in the stator windings produce a rotating magnetic field that enters the rotor. In
turn, the frequency of this magnetic field as “seen” by the rotor is equal to the difference
between the applied electrical frequency and the rotational “frequency” of the rotor
itself. Accordingly, an induced voltage exists across the shorted structure that is
proportionate to this speed difference between the rotor and electrical frequency. In
response to this voltage, currents are produced within the rotor conductors that are
approximately proportionate to the voltage, hence the speed difference. Finally, these
currents interact with the original magnetic field to produce forces – a component of
which is the desired rotor torque.
A diferencia del rotor del motor de corriente continua sin escobillas, el rotor del motor
de inducción no tiene imanes – solo laminaciones de acero simplemente apiladas con
conductores enterrados periféricos que forman una estructura en “cortocircuito”. Las
corrientes que fluyen en los devanados del estator producen un campo magnético
giratorio que atraviesan el rotor.
A su vez, la frecuencia de este campo magnético "vista" por el rotor es igual a la
diferencia entre la frecuencia eléctrica aplicada y la "frecuencia" de rotación del propio
rotor. En consecuencia, existe una tensión inducida a través de la estructura de
cortocircuito que es proporcional a esta diferencia de velocidad entre el rotor y la
frecuencia eléctrica. En respuesta a esta tensión, las corrientes se producen dentro de los
conductores del rotor que son aproximadamente proporcionales a la tensión, por lo
tanto, a la diferencia de velocidad. Por último, estas corrientes interactúan con el campo
magnético original para producir fuerzas - un componente de los cuales es el par de
rotor deseado.
When a 3-phase induction motor is connected to utility type 3-phase power, torque is
produced at the outset; the motor has the ability to start under load. No inverter is
needed. (Were an inverter needed, Tesla’s invention would have been useless until
sometime in the 1960s.) The fact that induction motors are directly compatible with
conventional utility power is the main reason for their success. In contrast, a brushless
DC motor produces no starting torque when directly connected to fixed frequency
utility power. They really need the aid of an inverter whose “phase” is maintained in
step with the angular position of the rotor.
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While 3-phase induction motors have great utility, they also have some severe
limitations. They cannot operate from DC; AC is a must. Shaft speed is proportionate to
line frequency. Hence, when used with utility power, they are constant speed machines.
Finally, when operated from utility power, they have limited starting torque and
somewhat limited running peak torque capabilities, when compared to DC type
machines.
Cuando un motor de inducción trifásico se conecta, el par se produce al principio; el
motor tiene la capacidad de arrancar bajo carga. No se necesita ningún inversor. El
hecho de que los motores de inducción son directamente compatibles con la red
eléctrica convencional es la principal razón de su éxito. En contraste, un motor de
corriente continua sin escobillas no produce ningún par de arranque cuando se conecta
directamente a la red eléctrica de frecuencia fija. Lo que realmente necesita es la ayuda
de un inversor cuyas "fases " se mantiene en sintonía con la posición angular del rotor.
Mientras que los motores de inducción trifásico tienen gran utilidad, también tienen
algunas limitaciones graves. No pueden operar desde DC; debe ser AC. La velocidad
del eje es proporcional a la frecuencia de línea. Por lo tanto, cuando se utiliza con
energía de la red, son máquinas de velocidad constante. Por último, cuando se utiliza
desde la red, queda limitado el par de arranque y el par máximo en comparación con las
máquinas de tipo DC.
Add an inverter (without any feedback control) and it becomes possible to power an
induction machine from a battery or other DC source; variable speed also becomes
possible simply by adjusting the inverter frequency. Still, torque performance is low
compared with DC machines. Add some feedback loops such that the inverter produces
the exact frequency that the motor “desires,” and the induction motor is now capable of
competing with DC and DC brushless for vehicle applications.
Añadiendo un inversor (sin ningún control de realimentación) es posible alimentar una
máquina de inducción desde una batería u otra fuente de CC; la velocidad variable
también se hace posible simplemente mediante el ajuste de la frecuencia de salida del
inversor. Sin embargo, el rendimiento del par es bajo en comparación con las máquinas
de corriente continua. Adicionando un poco de retroalimentación de tal manera que el
inversor produzca la frecuencia exacta que el motor "necesita", el motor de inducción es
ahora capaz de competir con el DC y DC sin escobillas para aplicaciones en vehículos.
Brushless or Induction? Sin escobillas o inducción ??
Back in the 1990s all of the electric vehicles except one were powered by DC brushless
drives. Today, all the hybrids are powered by DC brushless drives, with no exceptions.
The only notable uses of induction drives have been the General Motors EV-1; the AC
Propulsion vehicles, including the tzero; and the Tesla Roadster.
Both DC brushless and induction drives use motors having similar stators. Both drives
use 3-phase modulating inverters. The only differences are the rotors and the inverter
controls. And with digital controllers, the only control differences are with control code.
(DC brushless drives require an absolute position sensor, while induction drives require
only a speed sensor; these differences are relatively small.)
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Hoy en día, todos los híbridos son impulsados por unidades DC sin escobillas, sin
excepciones. Los únicos usos notables de las unidades de inducción han sido el EV-1
de General Motors; los vehículos de propulsión AC, incluyendo el Tzero; y el Tesla
Roadster.
Tanto los de corriente continua sin escobillas y de inducción utilizan estatores
similares. Ambas unidades utilizan inversores de modulación trifasicos. Las únicas
diferencias son los rotores y los controles del inversor. En los controladores digitales,
las únicas diferencias son de control con el código de control. (Las unidades de DC sin
escobillas requieren un sensor de posición absoluta, mientras que las unidades de
inducción requieren sólo un sensor de velocidad; estas diferencias son relativamente
pequeñas.)
One of the main differences is that much less rotor heat is generated with the DC
brushless drive. Rotor cooling is easier and peak point efficiency is generally higher for
this drive. The DC brushless drive can also operate at unity power factor, whereas the
best power factor for the induction drive is about 85 percent. This means that the peak
point energy efficiency for a DC brushless drive will typically be a few percentage
points higher than for an induction drive.
Una de las principales diferencias es que el calor que se genera en el rotor es mucho
menor con la unidad de corriente continua sin escobillas. La refrigeración del rotor es
más fácil y la eficiencia pico es generalmente más alta para esta unidad. La unidad de
corriente continua sin escobillas también puede operar con un factor de potencia
unitario, mientras que el mejor factor de potencia de la unidad de inducción es de
aproximadamente 0,85. Esto significa que el punto máximo de la eficiencia energética
para una unidad de corriente continua sin escobillas será típicamente unos pocos puntos
porcentuales superior a la de una unidad de inducción.
In an ideal brushless drive, the strength of the magnetic field produced by the permanent
magnets would be adjustable. When maximum torque is required, especially at low
speeds, the magnetic field strength (B) should be maximum – so that inverter and motor
currents are maintained at their lowest possible values. This minimizes the I² R (current²
resistance) losses and thereby optimizes efficiency. Likewise, when torque levels are
low, the B field should be reduced such that eddy and hysteresis losses due to B are also
reduced. Ideally, B should be adjusted such that the sum of the eddy, hysteresis, and I²
losses is minimized. Unfortunately, there is no easy way of changing B with permanent
magnets.
En un motor sin escobillas ideal, la fuerza del campo magnético producido por los
imanes permanentes sería ajustable. Cuando se requiere un par máximo, especialmente
a bajas velocidades, el valor del campo magnético (B) debe ser máximo - de modo que
las corrientes del inversor y del motor se mantengan en sus valores más bajos posibles.
Esto minimiza la pérdida I ² R (corriente ² * resistencia, efecto Joule) y por lo tanto
optimiza la eficiencia. Del mismo modo, cuando los niveles de par son bajos, el campo
B debe ser reducido de tal manera que las corrientes parásitas y las pérdidas por
histéresis también se reducen. Idealmente, B debe ser ajustado de tal manera que la
suma de las perdidas por Foucault, histéresis, y las I ² R se reduzcan al mínimo.
Desafortunadamente, no hay una manera fácil de cambiar B con imanes permanentes.
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In contrast, induction machines have no magnets and B fields are “adjustable,” since B
is proportionate to V/f (voltage to frequency). This means that at light loads the inverter
can reduce voltage such that magnetic losses are reduced and efficiency is maximized.
Thus, the induction machine when operated with a smart inverter has an advantage over
a DC brushless machine – magnetic and conduction losses can be traded such that
efficiency is optimized. This advantage becomes increasingly important as performance
is increased. With DC brushless, as machine size grows, the magnetic losses increase
proportionately and part load efficiency drops. With induction, as machine size grows,
losses do not necessarily grow. Thus, induction drives may be the favored approach
where high-performance is desired; peak efficiency will be a little less than with DC
brushless, but average efficiency may actually be better.
En contraste, las máquinas de inducción no tienen imanes y los campos B son
"ajustables", ya que B es proporcional a V / f (tensión y frecuencia). Esto significa que
en cargas ligeras el inversor puede reducir la tensión de tal manera que las pérdidas
magnéticas se reducen y se maximiza la eficiencia. Por lo tanto, la máquina de
inducción cuando se opera con un inversor inteligente tiene una ventaja sobre una
máquina de corriente continua sin escobillas - pérdidas magnéticas y de conducción
pueden ser comercializados de tal manera que se optimiza la eficiencia. Esta ventaja se
vuelve cada vez más importante a medida que aumenta el rendimiento. Con motores de
corriente continua sin escobillas, como el tamaño de la máquina crece, las pérdidas
magnéticas aumentan proporcionalmente. Con la inducción, como el tamaño de la
máquina crece, las pérdidas no necesariamente crecen. Por lo tanto, las unidades de
accionamiento (Drivers) de los motores de inducción pueden favorecer cuando se desea
alto rendimiento; La máxima eficiencia será un poco menor que con corriente continua
sin escobillas, pero la eficiencia media puede ser mejor.
Permanent magnets are expensive – something like $50 per kilogram. Permanent
magnet (PM) rotors are also difficult to handle due to very large forces that come into
play when anything ferromagnetic gets close to them. This means that induction motors
will likely retain a cost advantage over PM machines. Also, due to the field weakening
capabilities of induction machines, inverter ratings and costs appear to be lower,
especially for high performance drives. Since spinning induction machines produce
little or no voltage when de-excited, they are easier to protect.
I almost forgot: Induction machines are more difficult to control. The control laws are
more complex and difficult to understand. Achieving stability over the entire torquespeed range and over temperature is more difficult with induction than with DC
brushless. This means added development costs, but likely little or no recurring costs.
Los imanes permanentes son caros - algo así como 50 dólares por kilogramo. Los
rotores de imán permanente (PM) difíciles de manejar debido a fuerzas muy grandes
que entran en juego cuando algo ferromagnético se acerca a ellos. Esto significa que los
motores de inducción probablemente mantendrán una ventaja de costos sobre las
máquinas de PM. Además, debido a las capacidades de debilitamiento de campo de las
máquinas de inducción, las calificaciones del inversor y los costos parecen ser más
bajos, en especial para las unidades de alto rendimiento.
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Casi se me olvida: las máquinas de inducción son más difíciles de controlar. Las leyes
de control son más complejos y difíciles de entender. La estabilidad en todo el rango de
par-velocidad y sobre temperatura es más difícil con los motores de inducción que con
corriente continua sin escobillas. Esto significa que los costes de desarrollo adicionales,
pero es probable que poco o nada de los costos recurrentes.
Still No Winner Todavía no hay Ganador
My conclusion is that DC brushless drives will likely continue to dominate in the hybrid
and coming plug-in hybrid markets, and that induction drives will likely maintain
dominance for the high-performance pure electrics. The question is what will happen as
hybrids become more electrically intensive and as their performance levels increase?
The fact that so much of the hardware is common for both drives could mean that we
will see induction and DC brushless live and work side by side during the coming
golden era of hybrid and electric vehicles.
Mi conclusión es que las unidades de CC sin escobillas probablemente seguirán
dominando en el híbrido y que viene en el mercados de los plug-in híbridos, y que las
unidades de inducción es probable que mantengan el dominio para el sistema eléctrico
puro de alto rendimiento. La pregunta es qué pasaría con los híbridos si se vuelven
eléctricamente más intensivo y que sus niveles de rendimiento aumentará? El hecho de
que gran parte del hardware es común para ambas unidades de accionamiento podrían
significar que vamos a ver motores de inducción y corriente continua sin escobillas
trabajando codo a codo durante la próxima época de oro de los vehículos híbridos y
eléctricos.
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