Como funcionan los motores de los vehículos eléctricos

Los motores de los vehículos eléctricos sólo tienen una pieza móvil, pero un vistazo a los tres tipos de motores y al funcionamiento de cada uno de ellos demuestra que no son dispositivos sencillos.

Los amantes del automóvil llevan tanto tiempo inmersos en el lenguaje del motor de combustión interna que el inexorable cambio a la electrificación requiere una puesta a punto de nuestra base de conocimientos. Muchos de nosotros estamos familiarizados con el ritmo de admisión, compresión y combustión del motor de cuatro tiempos que impulsa a la mayoría de los coches de hoy en día, mientras que los entusiastas de las motos de nieve y de los motores fuera borda probablemente puedan explicar el funcionamiento interno de un motor de dos tiempos.

Algunos aficionados pueden incluso conocer los motores rotativos Wankel, pero la experiencia de los aficionados a los motores de los vehículos eléctricos puede empezar y terminar con la última vez que se estropeó el motor de arranque.

Tipos de motores de los vehículos eléctricos

Todos los tipos de motores de los vehículos eléctricos comparten dos partes principales.

El estator es el armazón exterior del motor, cuya carcasa está montada en el chasis como un bloque de motor. El rotor es el único elemento giratorio y es análogo a un cigüeñal, ya que transmite el par a través de la transmisión y a un diferencial.

La mayoría de los vehículos eléctricos utilizan una unidad de transmisión directa (de una sola relación) para reducir la velocidad de rotación entre el motor y las ruedas. Al igual que los motores de combustión interna, los motores eléctricos son más eficientes a bajas revoluciones y con mayor carga. Mientras que un coche eléctrico puede disfrutar de una autonomía aceptable con una sola marcha, las camionetas más pesadas y los SUV diseñados para tirar de remolques aumentarán la autonomía con una transmisión de varias velocidades.

Actualmente, sólo el Audi e-tron GT y el Porsche Taycan utilizan una transmisión de dos velocidades. Las pérdidas de varias marchas y los costes de desarrollo son las razones por las que los VE con más de una marcha son poco comunes, pero predecimos que eso cambiará.

Motorización de vehículos eléctricos común

Los tres principales tipos de motores de los vehículos eléctricos utilizan corriente alterna trifásica para crear un campo magnético giratorio (RMF), cuya frecuencia y potencia están controladas por la electrónica de potencia que responde al acelerador. Los estatores contienen numerosas ranuras paralelas rellenas de bucles interconectados de bobinas de cobre.

Pueden ser voluminosos mazos de alambre de cobre redondo o inserciones de cobre en forma de horquilla con secciones cuadradas que aumentan tanto la densidad de llenado como el contacto directo entre alambres dentro de las ranuras. Los devanados más densos mejoran la capacidad de torsión, y un entrelazado más ordenado en los extremos supone menos volumen y un paquete más pequeño en general.

Las baterías son dispositivos de corriente continua (DC) que cargamos regularmente, a través de un cargador de coche eléctrico, al ser un dispositivo de acumulación de corriente continua la electrónica de potencia de un vehículo eléctrico incluye un inversor DC-AC para proporcionar al estátor la corriente AC necesaria para crear la variable RMF. Pero hay que señalar que estos motores eléctricos también son generadores, lo que significa que las ruedas impulsarán el rotor dentro del estator para inducir una RMF en la otra dirección que devuelva la energía a través del convertidor AC-DC para enviar energía a la batería. Este proceso, conocido como frenado regenerativo, crea una resistencia que ralentiza el vehículo.

La regeneración no sólo es fundamental para ampliar la autonomía de un coche eléctrico, sino que es prácticamente la base de los híbridos de alta eficiencia, ya que una gran cantidad de regeneración mejora las cifras de consumo de la EPA. Pero en el mundo real, la regeneración es menos eficiente que la marcha por inercia, que evita las pérdidas cada vez que la energía pasa por el motor y el convertidor al recoger la energía cinética.

Los tres tipos de motores de los vehículos eléctricos

Los tipos de motor pueden desglosarse según las diferencias fundamentales del rotor, que representan formas totalmente diferentes de convertir la RMF del estator en movimiento rotatorio real. Estas diferencias son lo suficientemente marcadas, de hecho, para hacer justicia a nuestra analogía original de cuatro ciclos, dos ciclos y Wankel. En la categoría asíncrona tenemos los motores de inducción, mientras que en el grupo síncrono están los motores de imán permanente y los de excitación de corriente.

Motores de los vehículos eléctricos de inducción

Los motores de inducción existen desde el siglo XIX. En este caso, el rotor contiene láminas o barras longitudinales de material conductor, casi siempre de cobre, pero a veces de aluminio. El RMF del estator induce una corriente en estas laminaciones, que a su vez crea un campo electromagnético (EMF) que comienza a girar dentro del RMF del estator. Los motores de inducción se conocen como motores asíncronos porque la CEM inducida y el par giratorio que conlleva sólo pueden existir cuando la velocidad del rotor va por detrás de la RMF.

Este tipo de motores son comunes porque no necesitan imanes y son relativamente baratos de fabricar, pero pueden ser más difíciles de refrigerar con cargas altas sostenidas y son inherentemente menos eficientes a bajas velocidades.

Motores de los vehículos eléctricos de imán permanente

Como su nombre indica, los rotores de los motores de imán permanente poseen su propio magnetismo. No se necesita energía para crear el campo magnético del rotor, lo que los hace mucho más eficientes a baja velocidad. Además, estos rotores giran en paralelo con el campo magnético del estator, por lo que son sincrónicos.

Sin embargo, el simple hecho de envolver un rotor con imanes montados en la superficie plantea problemas. Esto requiere imanes más grandes, y mantener un rotor unido a alta velocidad se vuelve más difícil a medida que las cosas se vuelven más pesadas. Pero el mayor problema es el llamado “back EMF” a altas velocidades, en el que un campo magnético electromagnético inducido a la inversa añade una resistencia que limita la potencia máxima y crea un exceso de calor que puede dañar los imanes.

Para combatirlo, la mayoría de los motores de imanes permanentes para vehículos eléctricos cuentan con imanes permanentes montados internamente (IPM) que se deslizan por parejas en ranuras longitudinales en forma de V dispuestas en múltiples lóbulos justo debajo de la superficie del núcleo de hierro del rotor. Las ranuras mantienen a los IPM seguros a alta velocidad, pero las áreas deliberadamente formadas entre los imanes crean un par de reluctancia. Los imanes son atraídos o repelidos por otros imanes, pero la reluctancia ordinaria, la fuerza que pega un imán a una caja de herramientas, atrae los lóbulos del rotor de hierro a la RMF.

Los MIP hacen el trabajo a bajas velocidades, y el par de reluctancia toma el relevo a altas velocidades. Para que no pienses que esto es nuevo, el Prius los utiliza.

Motores de los vehículos electricos síncronos

Este último tipo de motor no existía en los vehículos eléctricos hasta hace poco porque la opinión generalizada era que los motores de los vehículos eléctricos sin escobillas, que son los que describen los motores anteriores, eran la única opción viable para un vehículo eléctrico. BMW ha cambiado esta tendencia y ha instalado motores síncronos de corriente excitada con escobillas en los nuevos i4 e iX. El rotor de este tipo interactúa con el RMF del estator exactamente igual que un rotor de imán permanente, pero el rotor carece de imanes permanentes.

En su lugar, cuenta con seis amplios lóbulos de cobre energizados con la energía de la batería de CC para crear el CEM necesario. Para ello, se necesitan anillos deslizantes y escobillas con resortes en el eje del rotor, lo que ha llevado a otros a evitar este método por la preocupación que suscita el desgaste de las escobillas y el polvo que conlleva. ¿Será el desgaste de las escobillas un problema en este caso? Está por ver, pero lo dudamos.

El conjunto de escobillas se encuentra en un compartimento aislado, con una tapa extraíble que permite un fácil acceso. La ausencia de imanes permanentes evita los problemas del aumento de los costes y el impacto medioambiental de la extracción de los materiales necesarios. Este esquema también permite variar la intensidad del campo magnético del rotor, lo que permite una mayor optimización. Aun así, se necesita energía para energizar este rotor, lo que hace que estos motores sean menos eficientes, sobre todo a bajas velocidades, cuando la energía necesaria para crear el campo representa un mayor porcentaje del consumo total.

La aparición del motor síncrono de CA excitado por corriente es tan reciente en la corta historia de los vehículos eléctricos, que ilustra lo temprano que estamos en la curva de desarrollo. Hay mucho espacio para nuevas ideas, y ya se han producido importantes giros, como el abandono por parte de Tesla del concepto de motor de inducción, que es la base de su propia marca y logotipo, en favor de los motores síncronos de imán permanente. Y apenas llevamos una década en la era de los vehículos eléctricos modernos, sólo estamos empezando.