Híbridos y Eléctricos

REPASAMOS LOS DIFERENTES TIPOS DE MOTORES ELÉCTRICOS

De la gran importancia del motor (y no solo de la batería) en el coche eléctrico

Las diferentes tipologías existentes de motores eléctricos influyen en la potencia y en la eficiencia de los vehículos, lo que se traduce directamente en autonomía, además de contribuir a la durabilidad, el tamaño y el coste final.

Los tipos de motores eléctricos se diferencian en la eficiencia, el tamaño y el precio.
Los tipos de motores eléctricos se diferencian en la eficiencia, el tamaño y el precio.

Entre los componentes de un sistema de propulsión eléctrica, la batería suele ser el que más atención suscita, puesto que es el elemento que más está evolucionando tecnológicamente aumentando su capacidad y su potencia de carga, lo que repercute directamente en su autonomía. El motor eléctrico, que es el realmente encargado de mover el coche parece algo olvidado, a diferencia de lo que ocurre en los vehículos de combustión en los que es el auténtico protagonista. Sin embargo, la eficiencia de un motor eléctrico, que depende de su tipología, influye también de forma importante en su alcance. Los fabricantes de vehículos eléctricos utilizan diferentes tecnologías para los motores en función de un compendio de características como la potencia, la durabilidad, la eficiencia, el tamaño y el coste de sus componentes.

En un vehículo eléctrico el motor tiene una doble función: impulsar el vehículo, como propulsor, y generar energía, como generador. La electrónica de potencia es la encargada de modificar las fases del motor para pasar de una función a otra. Así en las fases de frenado y deceleración la pérdida de velocidad del coche se convierte en energía cinética que vuelve a la batería, aumentando la autonomía.

Precisamente es esta característica, la autonomía, es un factor clave para los vehículos eléctricos y no es únicamente responsabilidad de la tecnología y la capacidad y rendimiento de la batería. En ella también influye la eficiencia del motor eléctrico y ahí es donde es importante elegir correctamente el tipo de motor que se utiliza en cada modelo.

En los motores de combustión la energía que se convierte directamente en par motor sobre las ruedas es aproximadamente un 30% de la que contiene el combustible que lo mueve. En contraste, un motor eléctrico es mucho más eficiente, alcanzando, según la tecnología hasta un 90%.

Tipos de motores eléctricos

En la actualidad, los fabricantes de coches eléctricos utilizan diferentes tecnologías de motores eléctricos que se diferencian en cómo se genera el campo magnético del rotor a partir del generado en el estator. Los más habituales son los motores de corriente alterna síncronos que pueden ser de imanes permanentes de neodimio o de excitación externa (electroimán), pero también pueden ser motores asíncronos, también conocidos como motores de jaula de ardilla.

Motor eléctrico sin escobillas o brushless

Motor eléctrico sin escobillas o brushless.

Los motores eléctricos sin escobillas o motores brushless son en realidad motores de corriente alterna, síncronos, de imanes permanentes que imitan el funcionamiento de los motores de corriente continua que antes del desarrollo de la electrónica de potencia eran muy utilizados para aplicaciones que requerían cambios de velocidad. En estos motores la velocidad se controla de forma muy sencilla variando el voltaje, intercalando una resistencia variable en serie. El problema de este tipo de motores es que precisan de un interruptor rotativo que se alimenta mediante unas escobillas (colector de delgas) de forma que según gira el rotor se va conmutando el colector generando un campo que genera el par. Esas escobillas generan chispas debidas a los campos inducidos y a que la conmutación no es perfecta. Esto produce un desgaste y requiere un mantenimiento mayor. Actualmente tienen su aplicación en los vehículos eléctricos destinados a la micromovilidad personal pero prácticamente no se utilizan en los vehículos eléctricos gracias al desarrollo de la electrónica de potencia.

Los motores síncronos de imanes permanentes, los usan fabricantes como Nissan o Toyota y es el más utilizado por la industria. Su mayor inconveniente es que los imanes permanentes de neodimio o tierras raras son caros y escasos, lo que eleva su precio. A cambio dan lugar a un motor más compacto, fácil de controlar y rápido de enfriar, puesto que los únicos devanados están en el exterior. Estas características los hacen adecuados para vehículos eléctricos de tamaño pequeño o mediano.

El Nissan Leaf utilzia un motor síncronos de imanes permanentes

El Nissan Leaf utiliza un motor síncrono de imanes permanentes.

En los motores síncronos de excitación externa, que son los utilizados por Renault, en vez de los imanes permanentes se utiliza una excitación externa, compuesta por una fuente de alimentación y un ondulador. A través de unos anillos rozantes y unas escobillas que no precisan de mantenimiento, no provocan chispas y no necesitan prácticamente mantenimiento se genera el campo magnético del rotor. Su ventaja es que permiten controlar la potencia del imán que se crea en el rotor y por lo tanto los requerimientos de par en cada momento, lo que los hace más eficientes. A cambio, son motores más voluminosos por los componentes extra que supone la excitación externa.

Motor síncrono de excitación externa del Renault Zoe

Motor síncrono de excitación externa del Renault Zoe.

Los motores de corriente alterna asíncronos o de inducción, adecuados para aplicaciones de alta potencia y conocidos como jaula de ardilla. Son los que utiliza Tesla en el Model S y en el Model X, aunque en el Model 3 han cambiado a imanes permanentes. En ellos, el rotor está formado por espiras que, al generarse un “deslizamiento” o diferencia de velocidad respecto al estator, el campo magnético de este induce una corriente eléctrica en ellas, generando un nuevo campo magnético en el rotor. El par que se genera es proporcional al deslizamiento lo que hace más complicado controlar su velocidad de rotación porque no se comanda mediante la velocidad de rotación del estator como en el síncrono sino a través del deslizamiento. También son menos eficientes porque la corriente que se genera en las espiras del rotor exige a cambio una pérdida de eficiencia. A cambio, el motor es muy potente y duradero ya que el rotor es muy robusto porque no necesita alimentación externa ni partes móviles. También es más barato por la ausencia de imanes permanentes, muy costosos.

Motor de corriente alterna asíncronos o de inducción del Tesla Model S

Motor de corriente alterna asíncronos o de inducción del Tesla Model S.

La electrónica de potencia y el inversor

Hasta el desarrollo de la electrónica de potencia, allá por los años setenta, las aplicaciones que requerían cambios en la velocidad de rotación eran complicadas de controlar con motores de corriente alterna, de modo que se utilizaban los de corriente continua, que actualmente ya no incluye ningún fabricante.

Un motor convierte la corriente eléctrica en fuerza a través de una conversión de electricidad en magnetismo y de magnetismo a fuerza generando campos rotativos. Sea cual sea la tecnología del motor eléctrico elegida, es necesario incorporar una electrónica de potencia que gobierne el motor (PEM). Se encarga de transformar y controlar voltajes y corrientes de niveles significativos. Permite adaptar y transformar la energía eléctrica para alimentar de forma precisa otros equipos, transformar la energía eléctrica de continua a alterna o viceversa, y manejar la velocidad y el funcionamiento de máquinas eléctricas. La electrónica de potencia incluye precisamente al inversor que se encarga de transforman la corriente continua que almacena la batería en la corriente alterna que requiere el motor.

El manejo y transformación de la energía se realiza de forma eficiente, utilizando bobinas, condensadores y semiconductores y evitando el uso de elementos resistivos.

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