¿Cual es el mejor motor para un vehículo eléctrico?.

Te explicamos como funciona el motor de tu próximo auto eléctrico

En los talleres o empresas donde se convierte vehículos tradicionales en eléctricos se buscan los motores eléctricos que mejor se ajusten al correcto funcionamiento y presupuesto del proyecto. La tecnología de la tracción eléctrica tiene dos líneas definidas en sistemas de tres fases, los de inducción y los de imanes permanentes sin escobillas.

Motor de Inducción del Kit AC1 de Autolibre

Ahora explicaremos las diferencias y ventajas de cada uno y dejamos afuera de este estudio a los motores de CC con escobillas ya en desuso, pues son de menor eficiencia y necesitan mantenimiento.

A la pregunta ¿Cual es el mejor motor para un coche eléctrico? ¿Cuáles son las ventajas y
desventajas de cada uno de ellos?. Lo primero es admitir que dependerá del proyecto y las características del vehículo a convertir o diseñar. Hay diferentes tipos de motores que se adaptan a las necesidades particulares de cada aplicación, como pueden ser el precio y el rendimiento. Nuestra experiencia se basa en conversiones a eléctrico realizadas en México, Colombia, España, Ecuador, Paraguay, Argentina, Uruguay, Panamá donde se trabajo con zonas de compleja topografía.

La ventaja del eléctrico frente a los mas complejos motores de combustión. 

Hasta hace poco se usaban las baterías de plomo y los motores con escobillas (como en los carros de golf). Hoy en día, para proyectos comerciales casi ninguno ellos se utiliza. El plomo ha sido reemplazado por litio y los motores de corriente continua con escobillas por otros de corriente continua sin escobillas, inducción trifasicos o de imanes permanentes.

Rotor de un motor CC sin escobillas con imanes permanentes.

La regulación por contactores, por su parte, han dado paso a la modulación con inversores (controladores de velocidad). Entonces, ¿Cómo funcionan estas dos tecnologías? ¿Qué las diferencia y qué tienen en común? Vamos a empezar por las unidades de corriente continua (CC) sin escobillas.

Principio de funcionamiento: 

En los motores sin escobillas el rotor incluye dos o más imanes permanentes que generan un campo magnético de CC (como se ve desde el punto de vista del rotor). A su vez, este campo magnético entra en el núcleo del estator (compuesto por un laminado de metal) e interactúa con las corrientes que fluyen dentro de la bobina para producir una interacción de par entre el rotor y el estator. A medida que el rotor gira, es necesario que la magnitud y la polaridad de las corrientes del estator varíen continuamente – y en la manera correcta – de tal forma que el par de torsión permanezca constante y la conversión de energía mecánica a eléctrica sea la más eficiente. El aparato que proporciona este control de la corriente es el inversor. Sin él los motores sin escobillas no son operativos.

Motor de inducción y su inversor de velocidad (del coche eléctrico Tesla).

Vamos a pasar al funcionamiento del motor de inducción. Curiosamente, los estatores del motor de inducción de 3 fases y el motor de corriente continua sin escobillas son prácticamente idénticos. Ambos tienen tres conjuntos de bobinas o “devanados” que se insertan en el núcleo del estator. La diferencia esencial entre las dos máquinas está en el rotor. A diferencia del rotor de corriente continua sin escobillas, el rotor de inducción no tiene imanes. En su lugar tiene simples laminas de metal apiladas y conectadas con conductores periféricos que forman una “jaula de ardilla” (por su parecido a las ruedas donde corren los roedores enjaulados). Las corrientes que fluyen en los devanados del estator producen un campo magnético giratorio que entra en el rotor. La frecuencia de este campo magnético “vista” por el rotor es igual a la diferencia entre la frecuencia eléctrica aplicada y la “frecuencia” de rotación del propio rotor.

Estator 

En consecuencia, existe una tensión inducida a través de la “jaula de ardillas” que es proporcional a esta diferencia de velocidad entre el rotor y la frecuencia eléctrica. En respuesta a esta tensión, se producen corrientes dentro de los del rotor que son aproximadamente proporcionales a la tensión y también lo son, por lo tanto, a la diferencia de velocidad. Finalmente, estas corrientes interactúan con el campo magnético original para producir fuerzas, un componente de las cuales es el deseado par motor. Cuando un motor de inducción de 3-fases está conectado a una línea trifásica el par se produce desde el principio, el motor tiene la capacidad de arrancar con solo ser enchufado, no se necesita ningún inversor. El hecho de que los motores de inducción son directamente compatibles con la red eléctrica convencional es la principal razón de su éxito y uso en la industria. En contraste, un motor de corriente continua sin escobillas no produce ningún par de arranque cuando se conecta directamente a la red eléctrica de frecuencia fija. Los motores de corriente continua necesitan de la ayuda de un inversor cuyas “fase” se mantiene en sincronización con la posición angular del rotor. Mientras que los motores de inducción trifásicos tienen grandes ventajas, también tienen algunas limitaciones. La más clara es que no pueden operar con corriente continua, necesitan corriente alterna. Por otro lado como la velocidad del eje es proporcional a la frecuencia de la fuente cuando se conectan a la red son máquinas de velocidad constante y poseen un limitado par de arranque, así como un par máximo un tanto bajo en comparación con las máquinas de CC. Al añadir un inversor (sin ningún control de realimentación) se hace posible alimentar una máquina de inducción (de corriente alterna) con una batería u otra fuente de CC; también se hace posible tener una velocidad variable simplemente ajustando la frecuencia del inversor. Sin embargo, el rendimiento de par es bajo en comparación con las máquinas de corriente continua. Al agregar un poco de retroalimentación de tal manera que el inversor produce la frecuencia exacta que el rotor “quiere” el motor de inducción es capaz de competir con los modelos DC para aplicaciones en vehículos eléctricos. Hoy en día, todos los híbridos son impulsados por unidades CC sin escobillas (debido a su tamaño compacto con mayor densidad de potencia por Kg). Y los motores de inducción impulsan a la mayoría de los 100% eléctricos de producción.

Rotor Jaula de Ardilla de un motor de Inducción.

Los motores de corriente continua sin escobillas y los de inducción tienen estatores similares. Y ambas unidades utilizan inversores de modulación de 3 fases. Las únicas diferencias están en los rotores y en los controles del inversor. Y en el caso de controladores digitales, la única diferencia es el código de control, ya que las unidades de CC sin escobillas requieren un sensor de posición absoluta (seno coseno), mientras que las unidades de inducción requieren sólo un sensor de velocidad; estas diferencias son relativamente pequeñas. Una de las principales diferencias es que el calor que genera el rotor con la unidad CC sin escobillas es mucho menor. La refrigeración del rotor es más fácil y eficiencia máxima es generalmente más alta para este tipo de unidad. Esta también puede operar con un factor de potencia 1, mientras que el mejor factor de potencia de la unidad de inducción es de aproximadamente 0.85. Esto significa que la eficiencia energética máxima para una unidad de corriente continua sin escobillas será típicamente unos pocos puntos porcentuales superior a la de una unidad de inducción.
En una unidad sin escobillas ideal la fuerza del campo magnético producido por los imanes permanentes sería ajustable. Cuando se requiere un par máximo, especialmente a bajas velocidades, la fuerza del campo magnético (B) debe ser máximo, de modo que las corrientes del inversor y del motor se mantienen a sus valores más bajos posibles. Esto minimiza las pérdidas (I² R – corriente al cuadrado por resistencia) y de ese modo optimiza la eficiencia. Del mismo modo, cuando los niveles de par son bajos, el campo magnético debe ser reducido de tal manera que las pérdidas debidas a las corrientes de Foucault y a la histéresis también se reduzcan. Idealmente B debe ser ajustado de tal manera que la suma de las pérdidas por las corrientes de Foucault, histéresis e I² se reduzcan al mínimo. Desafortunadamente, no hay una manera sencilla de cambiar la magnitud de B con imanes permanentes. En contraste, los motores de inducción no tienen imanes y los campos magnéticos son “ajustables”, ya que B es proporcional a V/f (tensión entre frecuencia). Esto significa que en cargas ligeras el inversor puede reducir la tensión de tal manera que las pérdidas magnéticas se reducen y se maximiza la eficiencia. Por lo tanto, la máquina de inducción cuando se opera con un inversor inteligente tiene una ventaja sobre una máquina de corriente continua sin escobillas – las pérdidas magnéticas y de conducción pueden ser tratadas de tal manera que se optimiza la eficiencia. Esta ventaja se vuelve cada vez más importante a medida que aumenta el rendimiento. Con el motor de corriente continua sin escobillas las pérdidas magnéticas aumentan proporcionalmente con el tamaño de la máquina, y la eficiencia para cargas parciales disminuye. Con la inducción, las pérdidas no crecen necesariamente con el tamaño de la máquina. Por lo tanto, las unidades de inducción pueden ser el enfoque preferido en donde se desea de alto rendimiento; aunque la eficiencia máxima será un poco menor que con motores de corriente continua sin escobillas, la eficiencia media en realidad puede ser mejor. Si bien es cierto que los motores de inducción son mas difíciles de controlar en lo que respecta al desarrollo de la programación del controlador en la estabilización de todo el rango de par/velocidad/ temperatura, luego de definida la solución se obtiene un equipo confiable y de menor costo.

Kit AC51 Enpower de motor de Inducción Autolibre y controlador de 144V.

Y en esta cuestión del precio es donde el motor de inducción el claro ganador. Los imanes permanentes son caros, algo así como 90 dólares por kilogramo ( el precio depende de metales raros como el neodimio).  Esto significa que los motores de inducción para algunas aplicaciones probablemente mantendrán una ventaja de costos sobre las máquinas de imán permanente. Además, debido a la capacidad de debilitamiento de campo de las máquinas de inducción, los requisitos para el inversor y por lo tanto los costes parecen ser más bajos, en especial para las unidades de alto rendimiento. Ya que la maquinas de inducción en funcionamiento producen poca o ninguna tensión cuando se deja de suministrar corriente son más fáciles de proteger. Ambos sistemas de motores de inducción y de imanes permanentes seguirán en carrera y dependiendo de los requerimientos de la relación peso/potencia/costo serán aplicables en cada vehículo de fabrica o convertido. Lo que si es seguro es que prácticamente no veremos más a los sistemas de motores de corriente directa con escobillas.

Taller de conversión de vehículos eléctricos.

Los asociados de Autolibre para el desarrollo de sus proyectos locales reciben capacitación integral y acceso a los correctos procedimientos planificación e instalación de kit de conversión. Acceso a Kits de venta local, con excelentes beneficios. También un muy útil apoyo en estrategias de negocios lo que abre un abanico de oportunidades de ingresos. Por mas información: ventas@autolibreelectrico.com

     Gabriel González Barrios
Director Organización Autolibre
Por mas información sobre capacitación a distancia Autolibre, visite:

https://autolibreelectrico.com/formacion/