Ya vimos una introducción a los motores eléctricos cuando explicamos por qué aceleran tanto los vehículos “a pilas”. Con este artículo os pondremos al día con los motores para poder discutir con propiedad las diferencias entre ellos. Cada vez hay más vehículos con motor eléctrico, desde fuera todos nos parecen iguales. Sin embargo, hay mucha diferencia entre sus componentes, diseño y propiedades.

Un lector con espíritu RACER como tú debe saber qué tipos de motor eléctricos hay, cuáles son sus ventajas e inconvenientes y qué están haciendo los fabricantes hoy en día. En este artículo os lo explicaremos y os pondremos un cuadro resumen al final para que no se os escape detalle.

Despiece del Audi A7 híbrido enchufable

Qué es un motor eléctrico

Un motor eléctrico es un dispositivo que transforma la energía eléctrica en mecánica, usualmente en movimiento circular. Para conseguirlo se genera un campo eléctrico en el interior del mismo que induce ese giro. En el caso de los automóviles (tanto híbridos como eléctricos o de pila de hidrógeno) se utilizan dos tipos de motor eléctrico: de inducción y de imanes permanentes. Los motores de escobillas son poco apropiados para los automóviles, si habéis tenido coches de slot -Scalextric- o si habéis utilizado mucho tiempo un taladro sabéis qué son estas escobillas.

Estas escobillas son unos contactos de carbón que están tocando unas pistas de cobre de manera que alternan el bobinado al que se aplica la tensión del rotor central. Son motores muy sencillos de construir y de controlar. Ahora bien, esas escobillas que se desgastan y además como son de carbón, el carbón es un material conductor y no los hacen adecuados para los motores de tracción. Sí han sido utilizados en motores de limpiaparabrisas y en motores de arranque.

Centrémonos en los motores de inducción y de imanes permanentes. Un punto en común que tienen estos dos tipos de motor es que tienen un bobinado en la parte externa. En este bobinado creamos un campo magnético que gira en su interior. Aparecen dos nuevas palabras en nuestro vocabulario de vehículo eléctrico. Este bobinado está en la parte que no gira por lo que se le conoce como estator (por estático), a la parte interna se le llama rotor, por ser la parte que gira.

Veamos las características de estos motores.

Estator del BMW iX3, motor síncrono

Motor de imanes permanentes o síncrono

Es el más utilizado y el más fácil de entender. El motor consta de un estator bobinado y un rotor con imanes permanentes. El controlador envía tensión a las bobinas del estator de manera que se crea un campo magnético en cada una de ellas. Cuanto más pegadas estén estas bobinas, mejor rendimiento obtendremos.

El rotor también tiene su propio campo magnético, como los polos opuestos se atraen y los diferentes se repelen, el rotor se alinea con el campo del estator. La tensión que envía el controlador al estator es alterna, de manera que los campos magnéticos giran en su interior. Como el rotor siempre se alinea con el campo del estator, que es giratorio, el rotor girará con él.

Cuando más rápido gire ese campo, más rápido girará el rotor, siempre que tenga el par necesario para hacerlo. Si queremos que se bloquee, simplemente dejamos ese campo fijo y no se moverá. Se le denomina síncrono porque gira a la misma velocidad que el campo electromagnético, copia el giro siempre que pueda vencer la resistencia de la carga.

Estator del Audi e-tron, motor asíncrono

Motor de inducción o asíncrono

Este es algo más complejo de explicar y no es tan usado en automóviles, ahora bien, es el más habitual en industria. El estator tiene un funcionamiento muy similar al de imanes permanentes. La gran diferencia es el rotor, en vez de ser de imanes permanentes está compuesto por láminas de metal encerrados en una jaula, también es conocido como jaula de ardilla. Resumiendo mucho, el movimiento de este motor es como sigue.

El controlador genera una señal trifásica que la envía al estator, el estator produce un campo electromagnético que rota en él. Hasta ahora no hay cambios con el motor síncrono. Este campo electromagnético es recogido por el rotor que básicamente es un transformador montado en un eje.

Un transformador recoge una corriente alterna, la transforma en campo electromagnético variable, el segundo bobinado del transformador la toma y la transforma en corriente eléctrica de nuevo, pero sin compartir circuito eléctrico, todo por inducción electromagnética. En el rotor pasa algo así, el campo rotante que genera el estator genera corriente eléctrica en su interior y esta corriente genera a su vez otro campo electromagnético.

Para que se genere esta inducción eléctrica debe haber una diferencia de velocidad entre el rotor y el campo que está girando en el estator, a más diferencia de giro más intensidad se genera y más par se produce.

Esta es una gran ventaja en este tipo de motor, una tensión trifásica constante es suficiente para arrancar un motor y mantenerlo a su velocidad de trabajo, pues al arrancar es cuando más diferencia de giro hay, por lo que tenemos más par cuando arrancamos y cuando llega a la velocidad de trabajo el consumo es mínimo.

El rotor nunca llegará a la velocidad de giro del campo electromagnético, porque si girasen a la misma velocidad no habría diferencia entre ellos, por lo que el rotor no generaría campo electromagnético y por este motivo bajaría de velocidad. Este motor es denominado asíncrono porque nunca gira a la misma velocidad que el campo electromagnético del estator, siempre es menor. A esa diferencia de velocidad entre el campo rotante y el rotor se le denomina deslizamiento.

Por todo lo contado se puede deducir que el control de un motor de inducción es más complejo que el de imanes permanentes. Los cálculos de la tensión y frecuencia que se le debe proporcionar el controlador se realizan por vectores matemáticos, de ahí que se diga que funcionan por “control vectorial”.

La verdad es que los cálculos son más complejos, pero una vez realizados se copian a todos los modelos fabricados sin más, solo complica su desarrollo.

Estator y rotor de Prius cuarta generación

Grupo propulsor de VW ID.3, 200 CV dentro de una bolsa de deportes

Diferencias entre motores síncronos y asíncronos

Hasta ahora hemos visto que estos dos tipos de motor necesitan una corriente trifásica con frecuencia variable para que funcionen. La manera de controlar es diferente, pero se puede obtener el mismo resultado. ¿dónde está la diferencia entonces? ¿Qué motor es mejor de los dos?

La primera de las grandes diferencias es su rendimiento, el rendimiento típico de los motores de inducción o asíncronos es del 85 %, un valor muy bueno comparado con los motores de combustión interna, que están en torno al 30% en ciclo Otto y 35% en ciclo Diésel, en algún caso se llega al 40 % o más hablando de híbridos.

El ganador en este caso es el motor síncrono o de imanes permanentes, que llega al 93 %. De nuevo, por provenir del mundo del motor de combustión nos parece que los rendimientos son muy parecidos y no parece significativo el cambio. Este 9,4% de diferencia entre ambos rendimientos no sería importante si las baterías aguantasen 1.000 km reales, poco nos importaría si podemos hacer con una carga 1.000 o 1.094 km, pues es una distancia que muy rara vez se conduce y además no es aconsejable hacerla de tirón.

La autonomía real está sobre la mitad de este valor, variando mucho de modelo a modelo. Estas cifras son mucho más importantes, pues un viaje Madrid-Alicante sí es muy habitual y es muy importante la diferencia de si podemos recorrer 400 o 437 km con una sola carga. La diferencia está en llegar o no llegar con una carga. Si sabemos que el motor síncrono es más eficiente en un momento en que las baterías andan justas, ¿por qué no son todos los motores de este tipo? La respuesta la tenemos en los materiales de sus rotores.

Motor eléctrico del Audi Q5 Hybrid

BMW iX3

Renault ZOE

Volkswagen ID.3

Los motores de inducción se basan en una jaula de barras verticales o ligeramente inclinadas que están unidas por anillos en ambos extremos, estas barras están fabricadas en aluminio o cobre. El núcleo de esta jaula está construido con múltiples láminas de acero bajo en carbono, pues tiene mejores propiedades magnéticas.

Si queremos mejorar el rendimiento podemos construirlo enteramente en cobre. El cobre es un metal relativamente abundante, de precio contenido y que se recicla muy bien. Los motores síncronos utilizan imanes permanentes basados en neodimio. Este compuesto fue desarrollado en 1983 por General Motors, Sumitomo Special Metals y la Academia China de Ciencias.

Desde entonces, este compuesto de neodimio, hierro y boro (Nd₂Fe₁₄B) se ha convertido en el estándar de imanes de calidad por su alta concentración de campo magnético. La llegada de este material ha revolucionado los motores eléctricos. Con estos imanes tan concentrados hemos seguido dos caminos: reducción de tamaño manteniendo la potencia (auriculares internos, motores de drones) o mantener un tamaño similar aumentando la potencia.

El grupo propulsor de un Volkswagen ID.3 es de imanes permanentes, eroga 200 CV y cabe en una bolsa de deporte, algo impensable para un motor de combustión interna.

Coercitividad de diferentes compuestos magnéticos, por Toyota

Subamos la temperatura

Otra de las diferencias entre un motor de combustión interna frente a uno eléctrico es que el de combustión se autodestruye por los rozamientos internos y el eléctrico no. Las únicas piezas de un motor eléctrico que se debería cambiar por el uso son sus rodamientos. Si un motor eléctrico está bien calculado y bien usado, no se romperá nunca, sin embargo, podemos tener problemas si aumenta su temperatura.

¿Qué pasa si castigamos mucho un motor eléctrico? Pues eso depende del tipo de motor

El motor de inducción no se ve alterado por la temperatura, solo si superamos la temperatura a la que se funde el barniz de los hilos de cobre, en caso contrario no tendremos problema. Si pegamos algún acelerón en modo Ludicrous no nos debe preocupar, el problema sería hacerlo constantemente. Los motores eléctricos de los automóviles suelen ir refrigerados, pero el calor que se genera en su interior es difícil de extraer, ya que el rotor no puede estar en contacto con el circuito de refrigeración.

Para un motor de imanes permanentes el calor es su mayor enemigo. Es tan fatal aplicar calor a un imán que puede perder sus propiedades magnéticas. Peor aún, si es muy elevado este calor puede desmagnetizar el imán de manera permanente. Por este motivo necesitamos imanes a los que no se le altere su campo si aumenta la temperatura.

Tenemos nueva definición: la coercitividad es la capacidad de un material para mantener sus propiedades magnéticas pese al incremento de la temperatura. Es fácil no llevar un imán al límite de su temperatura crítica y que pierda sus propiedades de manera permanente, pero no lo es tanto para mantenerlas en todo momento. La manera de aumentar la coercitividad de los imanes de neodimio es añadirle otras tierras raras, como el terbio o el disprosio.

Tabla periódica de los elementos, marcando las tierras raras (Wikimedia Commons) CC BY

Tierras raras, raras, raras

Las tierras raras son un grupo de 17 elementos químicos, en concreto los 15 lantánidos, además del escandio y el itrio. A pesar de su nombre, no todos son elementos muy difíciles de encontrar. Lo que sí es difícil es extraerlos, pues su separación de las menas donde se encuentran es muy compleja y además suelen estar acompañados de elementos radioactivos, con lo que su limpieza es todavía más difícil, cara y contaminante.

Por suerte para nosotros, el neodimio es una de las tierras raras más abundantes, aunque no es el caso de terbio o el disprosio. Otro problema con las tierras raras es que la mayoría de la producción se extrae de China. Curiosamente, sus yacimientos no suelen tener elementos radioactivos, por lo que son más competitivos que los de otros lugares. Este país produce más del 80 % de las tierras raras del total mundial.

Consumimos todo el neodimio que somos capaces de extraer y se está convirtiendo en uno de los materiales imprescindibles del presente y sobre todo del futuro. De ser un metal extraño, el neodimio ha pasado a ser un material estratégico del que cada vez dependemos más y consumimos más. Estamos pensando en automóviles, minimotores y auriculares, pero pensad en que cada generador eólico contiene cientos de kilogramos de tierras raras. Con la tecnología actual, si pensamos en electrificar pensamos en neodimio.

Desde el año 2008 China restringió las exportación de tierras raras. Por este motivo, su precio fue subiendo hasta llegar a su máximo de 158 dólares por kg en 2011, cuando el gobierno chino prohibió su venta a Japón durante dos meses. Los precios volvieron a bajar y están a nivel de 2009 aproximadamente. Esta acción del Gobierno chino sirvió de aviso a los fabricantes de automóviles. Esta crisis recordaba mucho a las crisis del petróleo de los años 70. Ya nos dijo Pablo en 2017 que los mineros serán los nuevos jeques y no solo por las baterías.

No se notó en las ventas porque la fabricación de eléctricos en esos años era minoritaria, pero sentó precedente. Hemos sido esclavos de los productores de petróleo y no queremos ser esclavos de los productores de tierras raras. Los fabricantes se están preparando para evitar la dependencia de materiales escasos, caros y que sus ventas pueden ser reducidas por motivos políticos. Para empeorar el asunto, las tierras raras son difíciles de reciclar.

Tanto el aluminio como el cobre y el acero se pueden reciclar fácilmente y el producto reciclado puede ser de una calidad mejor a su origen. No es el caso de las tierras raras; sí se reciclan, pero por el momento no sabemos reciclar el neodimio de manera que sea al menos de una calidad similar al de primera mano. El reciclado óptimo de tierras raras es una tarea pendiente de la industria química actual.

Ahora que hemos visto los pros y los contras de los motores síncronos y asíncronos, veamos qué tipo han elegido los principales fabricantes de eléctricos e híbridos.

Grupo propulsor Nissan LEAF e+

Nissan

Cuando pensamos en vehículos eléctricos muchas veces se nos pasa que el modelo más vendido a nivel mundial es el Nissan Leaf. Veamos qué motor utiliza. Los motores de los vehículos eléctricos de Nissan son de imanes permanentes. Como ya sabemos, se utiliza el disprosio para mantener el campo magnético aunque aumente su temperatura, ya sabemos que esta característica es la coercitividad.

La cantidad utilizada de disprosio en imanes permanentes para automóvil puede ser de hasta un 11 % en masa. Si el neodimio es escaso y caro, el disprosio lo es mucho más, en julio de 2019 un kilogramo de disprosio en metal, con una pureza del 99,5 %, era de 373 dólares, frente a a 64 dólares por un kilogramo de neodimio, también en metal, con una pureza del 99,99 %.

Resumiendo, la relación de precio del neodimio frente al disprosio es de 6 a 1. Debido a esto, Nissan mantiene el neodimio en sus rotores y reduce el nivel de disprosio. El rotor del motor del Nissan Leaf fue diseñado para trabajar a temperatura elevada con un 40 % menos de disprosio que un motor de imanes permanentes equivalente. El modelo del 2017 mejora ese valor con una reducción de un 70 % menos de este metal. Veamos a otro fabricante.

Tesla Model S 60

Tesla

Es imposible hablar de vehículos eléctricos (o de cualquier novísima tecnología aplicada a la automoción) sin hablar de Tesla. Si ha habido una marca defensora del motor asíncrono o de inducción ha sido Tesla. Desde su primer modelo se han basado en este motor para desarrollar todos sus modelos, incluso desde antes pues se basaron en el General Motors EV-1, que también tenía un motor de este tipo.

Durante muchos años Tesla ha defendido a ultranza el motor de inducción con núcleo de cobre. Después de tantos años de defensa de este motor la sorpresa es que eligió el motor de imanes permanentes para su Model 3. El motivo de este cambio es la pequeña diferencia entre el rendimiento de un motor de inducción y otro de imanes permanentes. Puesto que ambos motores se pueden controlar perfectamente, tanto el flujo magnético de los motores de inducción como la posición de los motores síncronos, la gran diferencia es el mayor rendimiento del último.

Puesto que la tecnología de las baterías está todavía en evolución y no se espera grandes cambios en el rendimiento, la opción del departamento tecnológico de Tesla Motors ha sido elegir el motor síncrono para el Model 3 y para el eje delantero del Model S y el Model X.

De esta manera tenemos el tamaño compacto y mayor autonomía en el Model 3 y tenemos las ventajas de los dos tipos de motor para el Model S y el X. Según el fabricante, el uso del motor de imanes permanentes en los modelos grandes aumenta su autonomía un 10 % con respecto a solo motores de inducción.

Volkswagen ID.3

Grupo Volkswagen

El grupo alemán está electrificando a la carrera sus modelos. Para cada una de sus marcas ha tomado un camino concreto. En el caso de Porsche la nobleza manda, es por ello que se ha elegido el motor síncrono de imanes permanentes tanto para propulsores híbridos como eléctricos 100 %. El motivo de la elección es por su tamaño compacto y el mejor rendimiento por peso del motor. Poco le importa a un cliente de Porsche si es el vehículo de sus sueños es algo más caro por contener neodimio, disprosio o terbio.

El caso de Audi es algo más complejo. Resumiendo su caso, los modelos híbridos utilizan un motor de imanes permanentes y los eléctricos asíncronos. Como los de imanes permanentes son de apoyo al motor de combustión, se pueden construir más pequeños y el grupo propulsor completo puede ser más compacto. Cuando pase el tiempo, las generaciones venideras se echarán las manos a la cabeza cuando vean los actuales vehículos híbridos por su complejidad al mantener un motor de combustión interna, su caja de velocidades, su motor o motores eléctricos acoplados a la transmisión y el control de todo el conjunto.

La gran novedad de la marca es el Audi e-tron, que tiene dos motores asíncronos o de inducción. El prototipo se presentó con imanes permanentes, como el resto de vehículos de la gama, se hizo el cambio en el modelo final.

Al utilizar el primer eléctrico de la marca de los aros un motor de inducción, ¿nos está diciendo cómo va a actuar la marca en los próximos años? ¿Serán siempre motores asíncronos para los eléctricos y síncronos para los híbridos? En breve lo sabremos cuando tengamos más noticias del nuevo e-tron GT.

Volkswagen se encuentra en plena campaña de presentación del ID.3, el vehículo “para el pueblo” 100 % eléctrico. Se presenta como el camino a seguir para la marca y si se parece un poco a su antecesor el Golf, volverá a ser la referencia de todos los compactos. Esta vez el motor es síncrono de imanes permanentes, en oposición al e-tron. ¿Por qué lo que es bueno para una marca Premium no lo es para otra semipremium?

Quizás sea la respuesta de siempre, la pequeña diferencia entre ambos sistemas les da un poco más de autonomía, menos volumen y una tecnología más sencilla a los motores síncronos de imanes permanentes, por lo que los hace ideales para deportivos y pequeños vehículos.

Material magnético con un 50 % menos de neodimio

Toyota

La marca japonesa es una experta en híbridos, sentando cátedra con el Prius desde 1997. Todos sus motores son síncronos de imanes permanentes. Para evitar la dependencia de tierras raras críticas se están estudiando otros elementos. Para conseguir un elemento que produzca un campo magnético elevado y que resista a las altas temperaturas, como el del neodimio con la ayuda del terbio o del disprosio, tenemos que mantenernos en la misma familia tierras raras.

La propuesta de Toyota para la siguiente generación de motores síncronos es no utilizar ni disprosio ni terbio y reducir al mínimo el neodimio. En los prototipos actuales también se ha eliminado la mitad del neodimio que se sustituye por lantano y cerio, otras tierras raras, pero más habituales y económicas.

Para conseguir el mismo nivel de magnetismo sin neodimio, se ha desarrollado un material con gránulos con el núcleo de lantano y cerio, que contiene neodimio en su exterior.

Mercedes-Benz EQC

Mercedes-Benz

Después de muchos años de estudio y de prototipos, por fin vemos un eléctrico 100 % con una estrella en su capó, el EQC. Esta marca sigue la misma filosofía que Audi: motores síncronos para los híbridos y asíncrono para el EQC.

En la información que proporciona el fabricante también sigue la filosofía de Audi y tampoco indica qué materiales utiliza para sus imanes permanentes ni el motivo de la elección. Lo único que indica es que sus motores están refrigerados de manera compacta.

Rotor bobinado de BMW iX3

BMW

La marca bávara ha sido la primera Premium clásica en ofrecer un vehículo eléctrico 100 %, en este caso el i3, después de haber hecho pruebas durante décadas. Esta versión dispone de un motor síncrono de imanes permanentes, ahora bien, el diseño del rotor era muy especial. La idea era colocar el mínimo de imanes en las posiciones óptimas de manera que con la mitad de tierras raras produzca el mismo efecto.

Para el nuevo modelo iX3 se ha utilizado la quinta generación del motor eDrive, que ha ido un paso más allá. Volviendo al principio, un motor síncrono tiene un estator con un campo magnético giratorio y un rotor de imanes permanentes que sigue ese campo giratorio porque los campos magnéticos iguales se repelen y los opuestos se atraen.

Si a una bobina de conductor le aplicamos una corriente eléctrica, también genera un campo magnético al igual que un imán, por lo que también serviría para nuestro rotor. De esta manera, tendremos un motor síncrono, pero no de imanes permanentes. Esta solución también es la que utiliza Renault con el Twizy y Zoe.

Si se puede fabricar un motor eléctrico sin tierras raras, ¿por qué no lo hacen también otros fabricantes?

Escobillas, rotor y estator de BMW iX3

La utilización de los motores síncronos sin imanes permanentes tiene tres inconvenientes. En primer lugar necesitan la corriente extra para alimentar el rotor. Cada vez que cambiamos el estado de una energía hay una pérdida, en este caso se pierde energía en las espiras de ester rotor. BMW nos informa que su motor aprovecha el 93 % de la energía, un valor tan bueno que hace pensar si solo se refiere al motor y no tiene en cuenta las pérdidas de las bobinas del rotor.

En segundo lugar, como el rotor necesita corriente eléctrica pero está girando, necesitamos escobillas para que transmitan la corriente eléctrica. Estas escobillas no son de carbón, si no de metales nobles como el oro, que transmiten muy bien la corriente. Pasado el tiempo habrá que cambiarlas porque sufrirán un desgaste.

El tercer inconveniente es que para generar el mismo campo magnético que un imán de neodimio, una bobina debe tener una superficie cinco veces mayor. Esto se traduce en que la sección de un rotor bobinado es cinco veces más grande que uno de imanes permanentes.

Conclusiones

Os mostramos en este cuadro un resumen comparativo de los principales motores utilizados en los automóviles actuales, tanto en híbridos como en eléctricos. En él podemos ver la preocupación de los fabricantes por no depender de elementos escasos, caros y controlados en su mayoría por un solo país. Para ello se investiga en cómo utilizar el mínimo de estos elementos o bien en eliminarlos completamente. La tecnología más utilizada del momento es la de motor síncrono.

Añadimos a esta lista la marca Hyundai, que utiliza motores de imanes permanentes en toda su gama eléctrica. Por otro lado, está investigando en motores sin tierras raras, quizás vuelva al clásico su autonomía gris de ferrita dentro de unos años. Nos queda un tipo de motor eléctrico por aplicar al automóvil, el de reluctancia sin imanes permanentes. Esta tecnología se utiliza en motores paso a paso como los de las impresoras 3D, ¿se aplicarán a las próximas generaciones de automóviles?

¿Qué ocurrirá cuando se fabriquen millones de unidades de eléctricos al año y las tierras raras escaseen de verdad? ¿Volveremos al motor asíncrono de inducción? ¿Habrá más fabricantes que se pasen a la opción de rotores bobinados? ¿Estamos en una fase de experimentación de tecnología y pasados unos años todos los eléctricos serán similares o todavía nos quedan sorpresas por ver?

No podemos aventurarnos a contestar todas estas preguntas, pero no tengáis cuidado, en espíritu RACER estaremos atentos a todas las noticias y os las haremos llegar.

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