Si está interesado en realizar una inmersión profunda en la tecnología de motores de combustión interna, debe estar preparado para ser bombardeado con muchos conceptos diferentes. Motores de aspiración natural, motores turboalimentados, inyección directa, inyección indirecta o inyección directa e indirecta. Gasolina, diésel, GNC, GLP, ciclo Atkinson, ciclo Miller, ciclo Budack, ciclo Diésel y Otto (Ver motor Mazda Skyactiv-X), turbo de geometría fija, turbo de geometría variable, turbo twin-scroll, distribución variable del árbol de levas… y la lista continúa.
La pregunta que surge casi automáticamente es: ¿por qué tenemos tantos diseños y conceptos de motores de combustión interna? La respuesta es simple: porque ninguno de ellos es lo suficientemente bueno desde el punto de vista de la eficiencia. En la búsqueda de mejorar la eficiencia, los ingenieros han introducido muchos diseños a lo largo de la historia del automóvil. ¿Esta variedad de diseños también es relevante para los motores eléctricos? ¿Cuántos tipos de motores tenemos en la movilidad eléctrica? La respuesta es sólo 3 principales. Conozcamoslos.
Motor de inducción asíncrono - Breve lección de historia
El motor de inducción asíncrono no es algo nuevo. Ha sido inventado por dos investigadores independientes: el único Nikola Tesla y Galileo Ferraris. Aunque aparentemente el inventor italiano desarrolló este motor por primera vez en 1885, Nikola Tesla fue el primero en presentar la patente en 1888.
La invención del motor de inducción es sin duda uno de los mayores logros en el aprovechamiento de la electricidad para impulsar nuestras vidas. La adopción de este tipo de motor está tan extendida hoy en día que es muy difícil imaginar la vida cotidiana sin él. Muchos dispositivos eléctricos utilizan esos motores y la gran mayoría de los motores industriales son del tipo asíncrono de inducción.
¿Cómo funciona un motor de inducción asíncrono?
Todos los motores eléctricos tienen dos partes principales. Una parte estática se llama estator y una parte giratoria se llama rotor. Comencemos con el estator, generalmente un cilindro de acero con ranuras y bobinas de cobre tejidas con una geometría específica. Estas bobinas se alimentan con corriente alterna trifásica que se ha convertido de CC (proporcionada por la batería) en la electrónica de potencia. Esta corriente crea un campo magnético giratorio en el estator y la velocidad de ese campo magnético giratorio se llama velocidad sincrónica.
En esencia, así es como funciona este tipo de motor: se aplica voltaje de CA a las bobinas (o devanados) de cobre y, como resultado, obtenemos un campo magnético giratorio, ese campo induce voltaje en el rotor, lo que a su vez hace que la corriente fluya. Este flujo de corriente produce su propio campo magnético giratorio en el rotor, que va por detrás del campo magnético del estator. La fuerza entre los dos campos magnéticos que acaban moviendo el rotor se llama Fuerza de Lorentz. El movimiento del rotor se transfiere luego a las ruedas del automóvil mediante la reducción adecuada.
Este motor se llama asíncrono porque el campo magnético giratorio del rotor y el estator no están sincronizados. La parte de inducción proviene del campo magnético giratorio, el voltaje y la corriente inducidos por el estator. Cuando pisamos el pedal del acelerador, el campo magnético del rotor se retrasa un poco respecto al del estator. Cuando desaceleramos y el motor funciona como generador (frenado regenerativo), entonces el campo magnético giratorio del rotor está por delante del estator. Esta diferencia en los campos magnéticos giratorios se denomina "deslizamiento" y generalmente es de hasta el 5% dependiendo del diseño del motor.
La eficiencia típica de un motor de inducción asíncrono trifásico utilizado en la industria automotriz es de alrededor del 90%. Debido a su robustez, simplicidad, longevidad y cero requisitos de materiales exóticos, este motor se utiliza casi exclusivamente en procesos industriales. Además, sus buenas características de sobrecarga lo convierten en un motor bajo demanda perfecto y por eso se utiliza a menudo como motor delantero en coches eléctricos AWD.
Algunos de los automóviles que utilizan motores de inducción asíncronos son: Audi e-Tron SUV, Mercedes-Benz EQC, Tesla Model S, 3, ejes delanteros XandYon y los automóviles VW Group MEB también los utilizan en los ejes delanteros.
Motor síncrono de imanes permanentes
La diferencia fundamental entre los motores de inducción asíncronos y los motores síncronos de imanes permanentes es la forma en que se producen e interactúan los campos magnéticos giratorios en el rotor y el estator. En los motores síncronos de imanes permanentes, existe un campo magnético giratorio nativo, creado por imanes permanentes (de ahí el nombre del motor) en el rotor. Los campos magnéticos giratorios del rotor y el estator de estos motores están bloqueados y no hay deslizamiento.
Los imanes permanentes del rotor son uno de los elementos clave que aumentan la densidad de potencia y mejoran la eficiencia del motor. La mayor densidad de potencia significa alta potencia en bajo volumen, razón por la cual los motores de imanes permanentes se utilizan exclusivamente en PHEV. El motor eléctrico de estos vehículos está alojado en la caja de cambios y existen limitaciones de espacio.
Los imanes permanentes están hechos de materiales de tierras raras y China controla la mayoría de ellos. Existen dudas sobre los aspectos éticos del proceso minero y por esa razón, muchos fabricantes intentan reducir el uso de estos materiales en sus motores. Sin embargo, el motor síncrono de imán permanente es el rey de la eficiencia: puede alcanzar hasta el 94-95% y cuando solo hay un motor en el automóvil, entonces este es el tipo de motor utilizado.
Los motores de imanes permanentes se utilizan en Hyundai Ioniq 5, Kia EV6, Tesla Model S, 3, X y Y en los ejes traseros. Los autos MEB del Grupo VW también los usan en los ejes traseros, Jaguar i-pace, Audi e-tron GT y Porsche Taycan, solo por nombrar algunos.
Motor sincrónico excitado eléctricamente.
Los motores síncronos de imanes permanentes ofrecen la mayor eficiencia, pero su dependencia de elementos de tierras raras genera preocupación. Para abordar esto, fabricantes como BMW, RenaultGroupe y Smart han recurrido a una arquitectura de motor híbrido: motores síncronos que no dependen de imanes de tierras raras.
¿Cómo funcionan estas máquinas? En lugar de emplear imanes permanentes en el rotor para generar flujo, utilizan escobillas y anillos colectores. Según BMW, este tipo de motor proporciona una eficiencia de hasta el 93%, muy cerca de la eficiencia de los motores de imanes permanentes. Aunque el concepto parece prometedor, la inclusión de cepillos significa que eventualmente será necesario reemplazarlos. Es de esperar que los fabricantes que desarrollan este tipo de motor seleccionen escobillas con una vida útil suficientemente larga.
Este diseño de motor se emplea en los BMW iX3, iX e i4; el Renault MéganeE‑TECH; y el ecualizador inteligente.
