ACTRO ELÉCTRICOS 101: Cómo funcionan los motores EV, las diferencias tecnológicas y más

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¿Cuándo fue la última vez que te detuviste a pensar en cómo funcionan realmente los coches eléctricos ? Nosotros, los superfanáticos del negocio de los automóviles, en su mayoría hemos desarrollado una comprensión razonable de cómo funcionan los trenes motrices de combustión. La mayoría de nosotros podemos visualizar el combustible y el aire entrando en una cámara de combustión, explotando, empujando un pistón hacia abajo y girando un cigüeñal que finalmente hace girar las ruedas. En general, entendemos las diferencias entre los motores de combustión en línea, planos, en forma de V y quizás incluso rotativos Wankel.

Los conceptos de ingeniería mecánica como estos son comparativamente fáciles de comprender. Pero probablemente sea una apuesta justa apostar que solo una minoría de las personas que lean esto pueden explicar en una servilleta de bar exactamente cómo los electrones invisibles hacen girar las ruedas de un automóvil o cómo un motor de imán permanente difiere de uno de inducción de CA. La ingeniería eléctrica puede parecer magia negra y brujería para los fanáticos de los automóviles, por lo que es hora de desmitificar este nuevo y audaz mundo de la electromovilidad .

Los motores de los automóviles eléctricos funcionan montando un conjunto de imanes o electroimanes en un eje y otro conjunto en una carcasa que rodea ese eje. Al invertir periódicamente la polaridad (cambiando los polos norte y sur) de un conjunto de electroimanes, el motor EV aprovecha estas fuerzas de atracción y repulsión para hacer girar el eje, convirtiendo así la electricidad en par y, en última instancia, haciendo girar las ruedas. Por el contrario, como en el caso del frenado regenerativo, estas fuerzas magnéticas/electromagnéticas pueden transformar el movimiento nuevamente en electricidad.

¿Cómo funcionan los coches eléctricos: AC o DC?

La electricidad suministrada a su hogar llega como corriente alterna (CA), llamada así porque la polaridad norte/sur o más/menos de la energía cambia (alterna) 60 veces por segundo. (Es decir, en los Estados Unidos y otros países que operan a 110 voltios; los países con un estándar de 220 voltios generalmente usan CA de 50 Hz). La corriente continua (CC) es lo que entra y sale de los polos + y – de cada batería. Como se señaló anteriormente, los motores requieren corriente alterna para girar. Sin ella, la fuerza electromagnética simplemente uniría sus polos norte y sur. Es el ciclo de cambiar continuamente de norte a sur lo que hace que el motor de un automóvil eléctrico siga girando.

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Los coches eléctricos de hoy en día están diseñados para gestionar tanto la energía de CA como la de CC a bordo. La batería almacena y distribuye corriente continua, pero nuevamente, el motor necesita corriente alterna. Al recargar la batería, la energía entra en el cargador integrado como corriente CA durante la carga de Nivel 1 y Nivel 2 y como corriente CC de alto voltaje en los «cargadores rápidos» de Nivel 3. La electrónica de potencia sofisticada (que no intentaremos explicar aquí) maneja las múltiples conversiones de CA/CC integradas mientras aumenta y reduce el voltaje de 100 a 800 voltios de energía de carga a los voltajes del sistema de batería/motor de 350-800 voltios a los muchos iluminación del vehículo, infoentretenimiento y funciones del chasis que requieren electricidad de 12 a 48 voltios de CC.

Cómo funcionan los coches eléctricos: ¿qué tipos de motores?

Motor de CC (cepillado): Sí, acabamos de decir que la CA hace que el motor funcione, y estos motores de estilo antiguo que impulsaron los primeros vehículos eléctricos del siglo XX no son diferentes. La corriente continua de la batería se entrega a los devanados del rotor a través de «escobillas» de carbón o plomo cargadas por resorte que energizan los contactos giratorios conectados a los devanados de alambre. Cada pocos grados de rotación, las escobillas activan un nuevo conjunto de contactos; esto invierte continuamente la polaridad del electroimán en el rotor a medida que gira el eje del motor. (Este anillo de contactos se conoce como el conmutador).

La carcasa que rodea los devanados electromagnéticos del rotor normalmente presenta imanes permanentes. (Una «serie de CC» o el llamado «motor universal» puede usar un estator electromagnético). Las ventajas son el bajo costo inicial, la alta confiabilidad y la facilidad de control del motor. Variando el voltaje se regula la velocidad del motor, mientras que cambiando la corriente se controla su par. Las desventajas incluyen una menor vida útil y el costo de mantenimiento de las escobillas y los contactos. Este motor rara vez se usa en el transporte hoy en día, a excepción de algunas locomotoras ferroviarias indias.

Motor de CC sin escobillas (BLDC): las escobillas y su mantenimiento se eliminan moviendo los imanes permanentes al rotor, colocando los electroimanes en el estator (carcasa) y usando un controlador de motor externo para cambiar alternativamente los diversos devanados de campo de positivo a negativo. , generando así el campo magnético giratorio.

Las ventajas son una larga vida útil, bajo mantenimiento y alta eficiencia. Las desventajas son un costo inicial más alto y controladores de velocidad del motor más complicados que generalmente requieren tres sensores de efecto Hall para que la corriente del devanado del estator esté en fase correctamente. Esa conmutación de los devanados del estator puede dar como resultado una «ondulación de par»: aumentos y disminuciones periódicas en el par entregado. Este tipo de motor EV es popular para vehículos más pequeños como bicicletas eléctricas y scooters, y se usa en algunas aplicaciones automotrices auxiliares como la dirección asistida eléctrica.

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Motor síncrono de imanes permanentes (PMSM): Físicamente, los motores BLDC y PMSM se ven casi idénticos. Ambos cuentan con imanes permanentes en el rotor y devanados de campo en el estator. La diferencia clave es que, en lugar de usar corriente continua y encender y apagar varios devanados periódicamente para hacer girar los imanes permanentes, el PMSM funciona con corriente alterna sinusoidal continua. Esto significa que no sufre ondulación del par y solo necesita un sensor de efecto Hall para determinar la posición y la velocidad del rotor, por lo que es más eficiente y silencioso.

La palabra «síncrono» indica que el rotor gira a la misma velocidad que el campo magnético en los devanados. Sus grandes ventajas son su densidad de potencia y su fuerte par de arranque. Una desventaja principal de cualquier motor EV con imanes permanentes giratorios es que crea una «fuerza electromotriz inversa» (EMF) cuando no se alimenta a gran velocidad, lo que provoca arrastre y calor que pueden desmagnetizar el motor. Este tipo de motor también tiene alguna función en los sistemas de frenos y dirección asistida, pero se ha convertido en el diseño de motor elegido en la mayoría de los vehículos híbridos y eléctricos de batería actuales.

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Tenga en cuenta que la mayoría de los motores de imanes permanentes de todo tipo orientan su eje norte-sur perpendicular al eje de salida. Esto genera «flujo radial (magnético)». Una nueva clase de motores de «flujo axial» orienta los ejes NS de los imanes paralelos al eje, generalmente en pares de discos que intercalan devanados de estator estacionarios. La orientación de flujo axial compacta y de alto torque de estos llamados «motores de panqueque» se puede aplicar a motores de tipo BLDC o PMSM.

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Inducción de CA: para este motor, desechamos los imanes permanentes del rotor (y sus materiales de tierras raras cada vez más escasos) y mantenemos la corriente CA fluyendo a través de los devanados del estator como en el motor PMSM anterior.

El reemplazo de los imanes es un concepto que Nikola Tesla patentó en 1888: a medida que la corriente alterna fluye a través de varios devanados en el estator, los devanados generan un campo giratorio de flujo magnético. A medida que estas líneas magnéticas pasan por los devanados perpendiculares de un rotor, inducen una corriente eléctrica. Esto genera entonces otra fuerza magnética que induce al rotor a girar. Debido a que esta fuerza solo se induce cuando las líneas del campo magnético cruzan los devanados del rotor, el rotor no experimentará par ni fuerza si gira a la misma velocidad (síncrona) que el campo magnético giratorio.

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Esto significa que los motores de inducción de CA son inherentemente asíncronos. La velocidad del rotor se controla variando la frecuencia de la corriente alterna. Con cargas ligeras, el inversor que controla el motor puede reducir el voltaje para reducir las pérdidas magnéticas y mejorar la eficiencia. Desactivar un motor de inducción durante la conducción cuando no se necesita elimina la resistencia creada por un motor de imán permanente, mientras que los vehículos eléctricos de dos motores que utilizan motores PMSM en ambos ejes siempre deben alimentar todos los motores. La eficiencia máxima puede ser ligeramente mayor para los diseños BLDC o PMSM, pero los motores de inducción de CA a menudo logran una eficiencia promedio más alta. Otra pequeña compensación es un par de arranque ligeramente más bajo que PMSM. El GM EV1 de mediados de la década de 1990 y la mayoría de los Tesla han empleado motores de inducción de CA.

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Motor de reluctancia: piense en «reluctancia» como resistencia magnética: el grado en que un objeto se opone al flujo magnético. El estator de un motor de reluctancia presenta múltiples polos de electroimán: devanados concentrados que forman polos norte o sur altamente localizados. En un motor de reluctancia conmutada(SRM), el rotor está hecho de un material magnético suave, como acero al silicio laminado, con múltiples proyecciones diseñadas para interactuar con los polos del estator. Los diversos polos del electroimán se encienden y apagan de la misma manera que los devanados de campo en un motor BLDC. El uso de un número desigual de polos del estator y del rotor asegura que algunos polos estén alineados (para una reluctancia mínima), mientras que otros están directamente entre polos opuestos (reluctancia máxima). Al cambiar la polaridad del estator, el rotor gira a una velocidad asíncrona.

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Un motor de reluctancia síncrono (SynRM) no depende de este desequilibrio en los polos del rotor y el estator. Más bien, los motores SynRM cuentan con un devanado más distribuido alimentado con una corriente CA sinusoidal como en un diseño de PMSM, con velocidad regulada por un variador de frecuencia y un rotor elaborado con huecos en forma de líneas de flujo magnético para optimizar la reluctancia.

La última tendencia es colocar pequeños imanes permanentes (a menudo de ferrita más simples) en algunos de estos vacíos para aprovechar tanto el par magnético como el de reluctancia mientras se minimizan los costes y las ineficiencias de alta velocidad EMF (o fuerza contraelectromotriz) que provocan los motores magnéticos sufren.

Las ventajas incluyen menor costo, simplicidad y alta eficiencia. Las desventajas pueden incluir ruido y ondulación de par (especialmente para motores de reluctancia conmutados). Toyota introdujo un motor de reluctancia síncrono de imán permanente interno (IPM SynRM) en el Prius , y Tesla ahora combina uno de esos motores con un motor de inducción de CA en sus modelos de motor dual. Tesla también utiliza IPM SynRM como motor único para sus modelos de tracción trasera.

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Es posible que los motores eléctricos nunca canten como un bloque pequeño o un Ferrari plano con manivela. Pero tal vez, dentro de una década más o menos, consideraremos el sistema de propulsión Tesla Plaid con tanto cariño como esos motores, y todos los amantes de los automóviles podrán describir con detalles íntimos qué tipo de motores utiliza.

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Juan Francisco Calero

Llevo ya casi 20 años trabajando para la industria del automóvil. Asesorando a docenas de empresas del sector en materia de comunicación y marketing. Linkedin