Los motores son también clave en el desarrollo del coche eléctrico: no todo es cuestión de baterías
Cuando hablamos de coches eléctricos solemos centrarnos en cuestiones de autonomía, el tipo de baterías, los tiempos de recarga, el consumo y, gracias a Tesla, ocasionalmente en el 0 a 100 km/h. También hablamos de las redes de carga (o de su escasez), pero raras veces hablamos de los motores eléctricos.
En todo caso, hablamos de los motores eléctricos mucho menos que lo que hablamos de motores de combustión interna. Sin embargo, el motor eléctrico es como el motor de combustión interna: hay diferentes tipos, cada uno tiene sus ventajas para un determinado uso y su desarrollo es tan esencial para que el público acepte el coche eléctrico como lo es la tecnología de las baterías.
No hablamos nunca de los motores eléctricos
El motor de combustión interna lleva con nosotros más de cien años. Se impuso frente al motor eléctrico gracias a la esposa de Carl Benz hace ya 125 años. Y desde entonces, el motor ha sido el centro de atención del automóvil. Podemos hablar de las ventajas y desventajas de la inyección directa, de si preferimos la respuesta de un motor atmosférico frente a la de un sobrealimentado, etc.
Cuando sale un modelo nuevo, la marca no duda en explayarse durante páginas sobre los beneficios que aporta tal o cual modificación menor en el motor de su nuevo coche. Y cuando se trata de un superdeportivo, los medios podemos estar durante párrafos y párrafos extasiándonos en la tecnología del propulsor de ese nuevo bólido que terminará, en el 80 % de los casos, aparcado en un garaje climatizado.
Sin embargo, cuando sale al mercado un nuevo coche eléctrico, del motor apenas hablamos. Como mucho mencionamos que lleva uno o dos, la potencia, qué ruedas acciona y poco más. Incluso nuestro aguerrido Héctor Ares en su prueba del Tesla Model X menciona que lleva dos motores, uno en cada eje, y nada más.
Tampoco es que yo haya profundizado en el tema motores en mi prueba del Tesla Model S. Y lo que es peor, incluso las propias marcas suelen resumir al extremo en sus comunicados de prensa la tecnología de los motores que utilizan sus vehículos.
Vamos, que la información técnica acerca de los motores eléctricos de los coches es escasa. De hecho, nuestra falta de conocimiento e interés colectivo por un tipo de motor que es mucho más antiguo que el motor de combustión es algo tan extraño como erróneo: deberíamos interesarnos más por esos motores ya que son tan importantes como las baterías.
Cómo funciona
El motor eléctrico es una invención anterior al motor de combustión interna. La teoría sin la cual la industria moderna no sería posible se la debemos al inglés Michael Faraday (un autodidacta, por cierto). Descubrió que el magnetismo produce electricidad a través del movimiento y proporcionó las bases de la teoría del electromagnetismo.
En 1821 Faraday construyó dos aparatos para producir lo que él denominó entonces rotación electromagnética y, con este nombre como título, publicó los resultados de su trabajo; trabajo que, en realidad, describe el principio de lo que hoy conocemos como motor eléctrico.
En 1831 descubrió la inducción electromagnética, descubrimiento que ha permitido la construcción de los generadores. El primer motor de corriente continua fabricado y patentado fue el de Thomas Davenport (patente de 1837), mientras que la paternidad del motor de corriente alterna está disputada entre Galileo Ferraris, Michail Ossipowitsch Doliwo-Dobrowolski y Nikola Telsa, siendo la primera patente, la de Nikola Tesla (1887).
Los motores eléctricos usan la rotación electromagnética descubierta por Faraday. Dos imanes se rechazan o atraen en función de cómo alineamos sus polos. En un motor eléctrico, se usa la electricidad para crear campos magnéticos que se opongan entre sí, de este modo la parte giratoria, llamada rotor, se mueve, frente a la parte estática, llamada estator.
El rotor posee un cableado, llamado bobina, cuyo campo magnético es opuesto al del estator, que crea un magnetismo longitudinal fijo gracias a inductores o imanes permanentes . Así, con cada uno un campo magnético opuesto, el rotor empieza a girar dentro del estator. Pero ahí es donde se complica todo.
Y es que en cuando los polos del rotor y estator se alineasen, el motor se detendría. Para que el rotor siga girando en el estator (cuya polaridad es también fija) es necesario invertir la polaridad de los imanes del rotor. Esto se consigue porque las bobinas del rotor están conectadas a un colector rotativo. Éste permite mantener fija la dirección transversal del magnetismo mientras el rotor gira. De este modo, los magnetismos, entre estator y rotor, nunca están alineados y el rotor sigue girando.
Motor síncrono y motor asíncrono
Existen dos grandes familias de motores eléctricos, los motores síncronos y motores asíncronos. Los motores síncronos pueden funcionar como motores o como generadores.
El motor síncrono de corriente alterna se caracteriza por una velocidad de rotación directamente proporcional a la frecuencia de la red de corriente alterna que lo alimenta. El motor síncrono, utiliza el mismo concepto de un campo magnético giratorio producido por el estator, pero ahora el rotor consta de electroimanes, o de imanes permanentes, que giran sincrónicamente con el campo del estator. Su velocidad de rotación es constante.
El motor asíncrono (o de inducción) es un tipo de motor eléctrico de corriente alterna. El motor asincrónico está formado por un rotor, que puede ser de dos tipos: de jaula de ardilla o bobinado, y un estátor, en el que se encuentran las bobinas inductoras. Estas bobinas son trifásicas y están desfasadas entre sí 120º en el espacio.
Cuando por estas bobinas circula un sistema de corrientes trifásicas se induce un campo magnético giratorio que envuelve al rotor. Este campo magnético variable va a inducir una tensión eléctrica en el rotor. Éste tiene barras de conducción en todo su largo, incrustadas en ranuras a distancias uniformes alrededor de la periferia y conectadas con anillos (en cortocircuito) a cada extremidad del rotor.
Entonces se da el efecto Laplace (o efecto motor): todo conductor por el que circula una corriente eléctrica, inmerso en un campo magnético experimenta una fuerza que lo tiende a poner en movimiento. Simultáneamente se da el efecto Faraday (o efecto generador): en todo conductor que se mueva en el seno de un campo magnético se induce una tensión. De ahí que puedan funcionar como motores o bien como generadores.
Los progresos; hacia donde van las marcas
El funcionamiento de un motor eléctrico es nuevo para la mayoría de nosotros, acostumbrados a nuestros pistones, bielas y demás turbos. Y en el fondo, si no sabemos más, es porque ninguna marca se ha preocupado de comunicar sobre los desarrollos y avances de sus motores eléctricos.
De todos modos, para la inmensa mayoría de la clientela, que el motor sea asíncrono o síncrono, ofrece el mismo interés que si le hablan del avance del encendido o que equipa un turbo eléctrico. Vamos, que no le interesa lo más mínimo. Aún así, indagando un poco, nos damos cuenta que también hay avances conseguidos en el desarrollo de los motores eléctricos, así como en la gestión de la energía y de las baterías, para mejorar el coche eléctrico.
La mayoría de fabricantes desarrollan sus propios motores eléctricos, lo cual es una indicación de que quizá se puedan mejorar. O en todo caso, que piensan que pueden conseguir un avance suficientemente significativo como para darles una ventaja comercial sobre el resto de marcas.
Materiales más ligeros en la construcción de los motores, optimizar las prestaciones del motor en función del vehículo (turismo, carga pesada, industrial ligero, etc) y alternativas a los metales llamados tierras raras (imprescindibles en los motores que usan electroimanes) son algunos de los ejemplos más conocidos de la mejora de los motores eléctricos.
BMW, Toyota y Honda ya trabajan en el desarrollo de electroimanes sin tierras raras para sus motores. El objetivo es claro, reducir el coste de unos materiales cada vez más caros al mismo tiempo que se libran de una dependencia de esos materiales nefasta para el negocio. ¿Qué pasaría si los productores cerrasen el grifo?
Uno de los puntos claves que se pueden mejorar, y donde Tesla lleva cierta ventaja, por ejemplo, es en la gestión de la energía. En un motor eléctrico, el par y la velocidad de rotación del motor determinan su consumo, mientras que la potencia máxima es necesaria para las prestaciones.
Gestionar esos parámetros de la forma más eficiente ayuda a aumentar la autonomía de las baterías. Por otra parte, la refrigeración de los motores, así como de las baterías, cuando son muy solicitados es algo en el que también hay margen para mejorar.
La mayoría de fabricantes usan motores síncronos, ya sea de imanes permanentes o electroimanes. El uso de uno u otro se decide en función de las prestaciones deseadas. Para el Model 3, Tesla optó por motores con imanes permanentes, cuando el Model X y Model S equipan motores de inducción con electroimanes.
Los electroimanes, como su nombre indica, usan electricidad -de la batería, obviamente- para generar el campo magnético, mientras que el de imanes permanentes no la necesita, pues siempre generan el campo magnético. Eso sí, a cambio usan metales de tierras raras. Pero para Tesla era la mejor solución para que su coche fuese uno de los eléctricos más eficientes del mercado estadounidense (solo lo supera el Hyundai Ioniq Electric).
También hay margen en el packaging de los motores, es decir, en su configuración. Por ejemplo, en el nuevo Honda NSX la firma japonesa optó por dos pequeños motores eléctricos para el eje delantero en lugar de un único motor.
Así, la función de reparto de par y frenada regenerativa es mucho más eficiente, pues cada uno de los dos motores puede funcionar de forma diferente del otro. Mientras uno envía par motor a la rueda con mayor motricidad, el otro aplica par negativo (las curvas de par de un motor eléctrico son infinitas y aplicando una corriente se pueden modular), es decir, una frenada regenerativa. Honda utiliza esta configuración también en el NSX eléctrico que corrió en Pikes Peak.
Por último, no podemos dejar de mencionar la Formula E y sus nuevos coches como un laboratorio de desarrollo e innovación que más tarde veremos en los coches eléctricos de calle. Vamos, como era antiguamente la Fórmula 1... Además, en el pasado Salón de Ginebra, se presentó el CUPRA e-Racer con la promesa de un campeonato TCR para eléctricos más allá de 2018, así como el Jaguar i-Pace eTrophy y su copa monomarca. De todas estas competiciones, saldrán pequeñas o grandes innovaciones, pero innovaciones al fin y al cabo, para el desarrollo del coche eléctrico en general, incluyendo el motor eléctrico.
