Motores de inducción (asíncronos) en vehículos eléctricos
Un motor de inducción —también llamado motor asíncrono— crea el magnetismo del rotor sin imanes permanentes ni una alimentación eléctrica independiente para el rotor. Su sencillo rotor de jaula de ardilla, su campo controlable y su capacidad para funcionar a alta velocidad lo convierten en una opción resistente para la tracción eléctrica.
Cómo genera par la inducción
El inversor alimenta los tres devanados de fase del estator con corrientes desplazadas en el tiempo. En conjunto, esas corrientes crean un campo magnético que gira alrededor del entrehierro. La velocidad de rotación del campo viene determinada por la frecuencia eléctrica y el número de polos magnéticos del motor.
El rotor habitual de un motor de tracción es una jaula de ardilla: unas barras conductoras de aluminio o cobre recorren el acero laminado y quedan cortocircuitadas mediante anillos en los extremos. El campo giratorio del estator corta esas barras e induce corriente en ellas. Esa corriente crea un campo magnético en el rotor, y la interacción de ambos campos produce par.
Para que se produzca inducción, el rotor debe girar a una velocidad distinta de la del campo del estator. Esta diferencia se denomina deslizamiento. En funcionamiento como motor, el rotor normalmente queda retrasado respecto al campo giratorio; en funcionamiento como generador, incluido el frenado regenerativo, la relación controlada se invierte para transformar la potencia mecánica en eléctrica.
El deslizamiento es una característica, no un fallo
El deslizamiento suele expresarse como porcentaje de la velocidad síncrona. Cambia con la demanda de par y no es lo mismo que el deslizamiento de las ruedas. A baja carga, el deslizamiento electromagnético necesario puede ser pequeño. Un par mayor suele exigir más corriente en el rotor y una diferencia de velocidad controlada más grande.
El inversor hace mucho más que aplicar una alimentación fija de CA. El control vectorial estima o mide el flujo del rotor y separa las consignas de corriente que establecen el flujo de las que crean el par. Al variar continuamente la corriente de fase y la frecuencia, el controlador puede producir un par uniforme desde la parada hasta la zona de debilitamiento de campo.
El funcionamiento trifásico crea un campo giratorio uniforme, pero no elimina la necesidad de engranajes reductores. La mayoría de las unidades de propulsión de vehículos eléctricos con motor de inducción siguen reduciendo la elevada velocidad del eje del motor antes de transmitir el par a las ruedas.
Construcción del rotor y calor
Los motores de inducción de los turismos eléctricos utilizan normalmente un rotor de jaula de ardilla porque no tiene escobillas, anillos rozantes, imanes ni devanados aislados en el rotor. Existen máquinas de inducción con rotor bobinado, pero no son la arquitectura habitual de una unidad de tracción moderna para turismos eléctricos y no deben confundirse con un motor síncrono de excitación eléctrica.
La ausencia de imanes en el rotor simplifica el suministro de materiales, pero la inducción no implica una magnetización sin pérdidas. La corriente del estator debe establecer el campo en el entrehierro y transferir potencia al rotor. La resistencia eléctrica de la jaula transforma en calor una parte de la corriente inducida en el rotor. A alta carga, extraer ese calor de un componente giratorio puede ser uno de los principales retos térmicos de la unidad de propulsión.
Ventajas en un vehículo eléctrico
Un rotor de inducción es mecánicamente sencillo y puede soportar una alta velocidad de rotación cuando la jaula, las laminaciones, el eje y los rodamientos están diseñados para las tensiones resultantes. No existe riesgo de desmagnetización de imanes permanentes y el rotor no contiene imanes de tierras raras.
El inversor puede reducir el flujo de la máquina cuando se necesita poco par. Cuando se desenergiza un motor de inducción de un eje secundario, este puede girar con poca resistencia electromagnética porque no tiene un campo rotórico permanente. Persisten las pérdidas de rodamientos, retenes, engranajes, agitación del aceite y electromagnéticas residuales, por lo que la expresión «sin resistencia» no debe interpretarse literalmente.
Los motores de inducción también pueden admitir sobrecargas breves si el inversor, la batería y el sistema de refrigeración tienen margen suficiente. Esto resulta útil para aceleraciones cortas, pero es la temperatura —no la palabra «inducción»— la que fija el límite repetible.
Límites y compromisos de diseño
Las pérdidas de cobre del rotor y la corriente magnetizante suministrada por el estator pueden reducir el rendimiento del sistema y el factor de potencia respecto a una propulsión de imanes permanentes bien optimizada en algunos puntos de funcionamiento. También aumentan la corriente del inversor para una potencia dada en el eje.
Estas comparaciones dependen del mapa. Un motor de inducción no es inherentemente ineficiente a alta velocidad, y un motor de imanes permanentes no es automáticamente superior en todas partes. El diseño del rotor, el acero eléctrico, el entrehierro, la refrigeración, la estrategia de conmutación, la relación de transmisión y el ciclo de uso del vehículo determinan el resultado.
El control preciso también depende de la estimación de la temperatura y los parámetros del rotor, porque la resistencia de la jaula cambia a medida que este se calienta. El controlador debe mantener estables el flujo y el par sin acceso eléctrico directo al rotor.
Cómo utilizan los fabricantes los motores de inducción
Un motor de inducción puede ser el motor de propulsión principal o un motor de refuerzo en un segundo eje. El sistema de propulsión PPE de Audi ofrece un ejemplo claro de combinación de motores: un motor síncrono de imanes permanentes proporciona la propulsión principal del eje trasero, mientras que un motor de inducción delantero se energiza cuando se necesitan prestaciones o tracción adicionales. Cuando está inactivo, el motor delantero puede girar con poca resistencia.
Esta disposición es una elección de sistema, no una regla universal. El rendimiento real de un vehículo depende de la frecuencia con la que funciona cada eje, de si incorpora un embrague, de las pérdidas de los engranajes y los neumáticos y de cómo selecciona el software de control los puntos de funcionamiento.
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