Motores eléctricos y unidades de propulsión

El motor de tracción de un vehículo eléctrico forma parte de un sistema estrechamente integrado en el que la batería, el inversor, el motor, el circuito de refrigeración, los engranajes reductores, el diferencial, los neumáticos y el software de control determinan conjuntamente con qué eficiencia se transforma la energía eléctrica en movimiento.

Este artículo central separa tres cuestiones que suelen confundirse: cómo generan par las distintas familias de motores, cómo se construye y controla una unidad de propulsión y cómo utiliza y mide ese hardware el vehículo completo.

El recorrido de la energía desde la batería hasta la carretera

La batería de alta tensión suministra corriente continua. Un Traction inverters de tracción conmuta esa CC para convertirla en corriente multifásica controlada —normalmente CA trifásica— cuya amplitud, frecuencia y fase determinan el par y la velocidad del motor. El Motor control and efficiency maps traduce la solicitud del conductor y los límites del vehículo en las consignas de corriente que sigue el inversor.

Dentro del motor, la corriente de los devanados estacionarios crea un campo magnético giratorio. El rotor sigue ese campo o interactúa con él y hace girar el eje de salida. Las decisiones relativas al estator, el rotor, los devanados, las laminaciones, el aislamiento, el entrehierro, los rodamientos y las tolerancias de fabricación se explican en EV motor construction and windings.

Un engranaje reductor fijo normalmente intercambia velocidad del motor por par en las ruedas. El diferencial permite que las ruedas motrices giren a velocidades distintas en una curva. En una Integrated electric drive units moderna, el motor, el inversor, los engranajes reductores, el diferencial, la lubricación y los conductos de refrigeración pueden compartir una carcasa compacta.

Cómo genera par un motor de tracción de CA

La mayoría de los motores de tracción de vehículos eléctricos tienen dos partes electromagnéticas principales: un estator que permanece inmóvil y un rotor que gira al otro lado de un estrecho entrehierro. Las tres fases del estator se energizan en secuencia y producen un campo magnético que gira alrededor del entrehierro.

La familia del motor se define principalmente por la forma en que el rotor obtiene su campo magnético y por cómo se mueve ese campo respecto al campo del estator:

Un motor síncrono de imanes permanentes lleva imanes dentro del rotor o sobre él.
Un motor síncrono de excitación eléctrica crea el campo del rotor mediante un devanado alimentado con CC.
Un motor de inducción induce corriente en una jaula conductora del rotor; el rotor debe girar a una velocidad distinta de la del campo del estator para producir par.
Un motor de reluctancia produce par porque su rotor se magnetiza más fácilmente en unas direcciones que en otras.

«Síncrono» describe la velocidad del rotor respecto al campo giratorio del estator. No significa que el rotor y el estator estén conectados mecánicamente. Los rodamientos sostienen el rotor, mientras que el entrehierro mantiene físicamente separadas las partes electromagnéticas.

Par, velocidad y potencia

El par es la fuerza de torsión aplicada al eje. La potencia es la rapidez con la que el motor realiza trabajo:

potencia = par × velocidad de rotación

Esta relación explica la curva de par característica de un vehículo eléctrico. Desde la parada hasta la velocidad base del motor, el inversor suele poder suministrar suficiente corriente para mantener una amplia zona de par constante. Por encima de la velocidad base, la tensión y la fuerza contraelectromotriz pasan a ser las principales limitaciones. El controlador debilita el campo magnético efectivo para que el motor pueda girar más deprisa, mientras disminuye el par disponible. La potencia puede mantenerse aproximadamente constante durante parte de esta zona de mayor velocidad.

La curva exacta está limitada por la potencia de la batería, la tensión y la corriente del inversor, la temperatura del motor, la velocidad del rotor y los límites mecánicos. Una potencia máxima anunciada quizá solo esté disponible durante unos segundos. La potencia continua es la que la unidad de propulsión completa puede mantener bajo unas condiciones definidas de refrigeración y entorno. EV motor testing and ratings explica por qué una cifra de potencia debe ir acompañada del límite de medición y la duración del ensayo.

Durante el frenado regenerativo, la misma máquina funciona como generador. El par de las ruedas impulsa el rotor, el inversor controla la corriente del generador y la energía eléctrica regresa a la batería cuando lo permiten su temperatura, el estado de carga, la adherencia y los límites del sistema.

Las principales familias de motores en los vehículos eléctricos

Los Permanent-magnet synchronous motors son habituales porque pueden combinar una elevada densidad de potencia con un alto rendimiento en una parte útil del mapa de funcionamiento. Los diseños con imanes interiores pueden producir tanto par de imanes permanentes como par de reluctancia. Su flujo fijo en el rotor también plantea retos de diseño relativos al debilitamiento de campo, la tensión durante fallos, el suministro de materiales y la gestión térmica.

Los Induction (asynchronous) motors no tienen imanes en el rotor ni contactos eléctricos. Su campo rotórico solo existe cuando la excitación del estator induce corriente en la jaula. Son mecánicamente robustos y pueden presentar una baja resistencia electromagnética cuando están desenergizados, lo que los hace útiles tanto como motores de tracción principales como en un eje secundario. No obstante, la corriente del rotor añade calor y pérdidas.

Los Electrically excited synchronous motors sustituyen los imanes permanentes por un electroimán controlable en el rotor. Aumentar o reducir la corriente de campo proporciona a los ingenieros otra variable de control, incluida la posibilidad de debilitar el campo eficientemente a alta velocidad. El precio es un sistema de excitación, pérdidas de cobre en el rotor y —cuando se emplean escobillas y anillos rozantes— requisitos mecánicos y de durabilidad adicionales.

Los Reluctance motors incluyen máquinas síncronas de reluctancia sin imanes y máquinas de reluctancia conmutada, además de diseños asistidos por imanes permanentes. Aprovechan diferencias direccionales en la reluctancia magnética del rotor. Son posibles rotores sencillos sin imanes, pero la densidad de par, las exigencias al inversor, la ondulación del par, la acústica y el control deben evaluarse para el sistema completo.

Los Axial-flux permanent-magnet motors describen una geometría magnética diferente, no una fuente independiente de excitación del rotor. La mayoría de los motores de flujo axial para automoción son máquinas síncronas de imanes permanentes cuyo flujo principal cruza el entrehierro en paralelo al eje. Su gran radio activo y su reducido tamaño axial pueden ofrecer una alta densidad de par, pero la refrigeración, el control del entrehierro, las fuerzas axiales y la producción en serie son exigentes.

Por qué ningún tipo de motor es sencillamente el mejor

Un motor no tiene una sola cifra de rendimiento. Tiene un mapa de rendimiento que abarca velocidad y par, y el vehículo recorre distintas zonas de ese mapa durante la conducción urbana, la circulación por autopista, las subidas, el remolque y las aceleraciones intensas. El inversor y la caja reductora tienen sus propios mapas, por lo que los ingenieros optimizan la unidad de propulsión completa según el ciclo de trabajo previsto.

Las pérdidas principales también cambian con el punto de funcionamiento:

la resistencia de los devanados genera pérdidas de cobre que aumentan intensamente con la corriente;
los campos magnéticos variables generan pérdidas por histéresis y corrientes de Foucault en el acero eléctrico y otras piezas conductoras;
los rotores de inducción y de excitación eléctrica añaden pérdidas de cobre en el rotor;
el inversor tiene pérdidas de conducción y de conmutación;
los rodamientos, retenes, engranajes, bombas de aceite y la agitación del aceite generan pérdidas mecánicas.

Por tanto, la elección del motor equilibra el rendimiento en la zona útil del mapa, la densidad de potencia y de par, el coste y el suministro de materiales, la capacidad nominal del inversor, la demanda de refrigeración, la velocidad máxima, la acústica, la facilidad de control, el rendimiento de fabricación, la durabilidad y la reparabilidad. Un motor algo menos eficiente en su punto óptimo puede dar lugar a un vehículo más eficiente si su zona útil de alto rendimiento se ajusta mejor a la carga de conducción del vehículo.

Uno o varios motores

Un solo motor puede impulsar el eje delantero o trasero mediante un diferencial. Dos motores proporcionan normalmente un par controlado de forma independiente en los ejes delantero y trasero, lo que permite tracción total sin un árbol de transmisión mecánico. Los fabricantes pueden usar el mismo tipo de motor en ambos ejes o combinar tipos para aprovechar distintas características de rendimiento y giro libre.

Los sistemas de tres motores suelen colocar un motor en un eje y dos motores controlados independientemente en el otro. Los sistemas de cuatro motores pueden utilizar un motor por rueda o dos motores por eje conectados mediante trenes de engranajes separados. Los motores independientes crean la posibilidad física de vectorizar rápidamente el par, pero la capacidad real depende de los sensores, la capacidad del inversor, el agarre de los neumáticos, los límites térmicos, las relaciones de transmisión y el software de control.

Los motores adicionales no aportan prestaciones gratuitas. Añaden masa, coste, demanda de refrigeración, inversores, cables, rodamientos y pérdidas parásitas. Los embragues de desacoplamiento y los motores de inducción desenergizados pueden reducir la penalización durante la marcha estable de un eje secundario. Multi-motor EV architectures analiza detalladamente las arquitecturas de uno, dos, tres y cuatro motores.

Cómo interpretar las especificaciones de los motores eléctricos

Los datos útiles de un motor deben responder a algo más que «¿cuántos kilovatios?». Compruebe si una cifra es máxima o continua, si corresponde a un motor, a un eje o al vehículo completo, y si el par indicado se mide en el eje del motor o en las ruedas después de la reducción.

Los datos técnicos más informativos incluyen:

topología y ubicación del motor;
potencia máxima y continua bajo las condiciones indicadas;
par máximo y velocidad máxima del motor;
tensión del bus de CC, corriente del inversor y tipo de semiconductor;
relación de transmisión y rendimiento de la cadena cinemática;
mapas de rendimiento del motor y del inversor en tracción y regeneración;
método de refrigeración y límites térmicos;
si los motores secundarios pueden desenergizarse o desacoplarse;
el límite de medición, las temperaturas y el procedimiento de ensayo.

Estos detalles explican por qué dos vehículos con una potencia máxima similar pueden diferir en consumo en autopista, aceleraciones repetidas, capacidad de remolque, ruido y capacidad sostenida a alta velocidad.

Lea la serie en orden

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Continúe por la cadena del hardware y del control de energía:

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