Texto del ingeniero Esteban Maidana
Nota publicada originalmente en MiuraMag
¿Qué motor tiene? Esa es la pregunta más común que se le hace al propietario de un auto nuevo. Cualquiera, hasta el menos experto, conoce la diferencia entre un motor de más o menos cilindros (o mayor o menor desplazamiento). Los más entusiastas hasta pueden poner el foco en si la distribución es desmodrómica o de apertura variable.
¿Pasará lo mismo con los motores eléctricos? Pareciera haber un prejuicio de que no vale la pena interiorizarse tanto, porque “son todos iguales”. Pero esto no es así. Y ya es hora de que empecemos a “desasnarnos” un poco sobre el tema. Por eso, les proponemos este exhaustivo tratado sobre motores eléctricos, que son sin duda el futuro del transporte automotor.
V8, V6 o 4 en línea. Cilindrada. Gasolina o Diesel. Cantidad de válvulas por cilindro. Turbo, compresor o atmosférico. Distribución desmodrómica. Y la lista podría seguir.
Todos estos atributos no son solo parte de la ficha técnica de un vehículo actual. Son motivo de fanatismo, culto, debate y hasta para presumir erudición, en muchos casos sin siquiera llegar a comprender en profundidad los fundamentos mecánicos y técnicos de los mismos. Y es que los motores de combustión interna crearon una mística que envolvió a la industria del automóvil prácticamente desde sus orígenes, que despertó un interés y un deseo de comparación entre los usuarios que sigue vigente hasta el día de hoy. Incluso, hay un canal de televisión muy conocido cuyo leitmotiv reza “esa inexplicable pasión por los motores”.
Sin embargo, este comportamiento no parecería tener un paralelismo cuando de vehículos eléctricos se trata. ¿Cuántos saben lo que es un estator, un rotor, o las diferencias producidas por la dirección del flujo magnético? Y esto no es algo que solo se perciba en los consumidores: las compañías automotrices –salvo excepciones– tampoco se esmeran demasiado en comunicar las características técnicas de sus motores eléctricos.
¿Será que los motores eléctricos son más “aburridos”, y es por eso que no despiertan el interés del público? ¿O es quizás la falta de información, la que hace que los más apasionados no encuentren puntos de comparación entre los vehículos, haciendo que ni siquiera puedan discernir si el motor de su auto es igual en su funcionamiento que el de su máquina de afeitar?
Por si esto fuera poco, hay que tener en cuenta lo siguiente: el “motor” eléctrico, propiamente dicho, no es el corazón del vehículo eléctrico, sino una parte –muy importante– de un sistema de propulsión que incluye elementos como inversores, cargadores, conversores, unidades de control electrónico y baterías.
Entonces, ¿en qué lugar nos deja esto a los fanáticos, que siempre queremos saber todo sobre los autos? Posiblemente, en la antesala de un nuevo conjunto de variables y posibilidades, listas para ser descubiertas y valoradas. Hoy en la industria se emplean no uno, sino varios tipos de motores eléctricos, y está por venir uno que promete superar todo lo que está en plaza (¿se imaginan a un pequeño “motorcito” eléctrico de tan solo siete kilos de peso, capaz de entregar 113 CV de potencia?). Una posibilidad es que si los entusiastas entendieran un poco más sobre estos motores y sus diferencias, esto podría despertar su interés en los mismos. Pero, ¿será suficiente para generar la misma mística que con los motores a combustión?
FUNDAMENTALS
Comencemos por el principio: ¿qué es un motor? Básicamente, es el elemento de un sistema capaz de transformar alguna clase de energía –como la eléctrica o térmica– en energía mecánica, y de realizar “trabajo” (en Física, “fuerza por distancia”). Probablemente, muchos ya estén familiarizados con la manera en la que un motor de combustión interna realiza esa conversión, pero entender cómo los electrones que fluyen por un cable terminan impulsando a un vehículo es casi un universo paralelo.
Si observamos un motor eléctrico, encontramos que sus partes constitutivas más importantes –y las que nos permitirán entender las diferencias entre los distintos tipos de motores– son las siguientes: el estator, que es la parte fija que opera como base, aunque por él “se mueve” la corriente eléctrica que crea un campo magnético capaz de imprimirle movimiento a las partes móviles; y el rotor, que es el elemento que se mueve, convirtiendo entonces a la excitación magnética proveniente del estator en energía mecánica.
Otra característica que diferencia a los motores es el tipo de corriente eléctrica que necesitan para funcionar, que puede ser continua, como la que se obtiene de baterías o pilas; o alterna, como la que disponemos en los enchufes de nuestros hogares. ¿Qué diferencia hay entre estos dos tipos de corrientes? El movimiento que realizan los electrones a través de los conductores (cables), ya que en la corriente continua estos se desplazan en una sola dirección –por convención–, del polo positivo al negativo; mientras que en la corriente alterna el flujo es bidireccional, oscilando entre el polo negativo y positivo una determinada cantidad de veces por segundo, valor al que se lo denomina “frecuencia” y cuya unidad es el Hertz (Hz).
Como datos de color, en Argentina la frecuencia de la red eléctrica es de 50 Hz, y estos dos tipos de corrientes estuvieron asociadas a una de las luchas tecnológicas más relevantes de fines del Siglo XIX conocida como “la guerra de las corrientes”, entre el genio inventor Tesla y el genio empresario Edison.
Un cuarto elemento a tener en cuenta es la dirección del campo magnético que se genera en el motor, que para este análisis separaremos entre motores de flujo radial, en los que las líneas de campo discurren de manera radial respecto del rotor; y los más modernos de flujo axial, en los que el flujo magnético se produce en la misma dirección que el eje del rotor.
Si bien existen muchos tipos de motores eléctricos, solo tres han conseguido ocupar un lugar de relevancia en la industria. Pero se está asomando un nuevo player, que promete dar que hablar. Veamos de qué se trata.
1. Motor de corriente continua, sin escobillas de imanes permanentes: Como su nombre lo indica, este motor emplea corriente continua, siendo esto una ventaja ya que puede tomar la energía directamente de la batería, sin pasar por una etapa de conversión. Esta corriente es direccionada al estator, que está compuesto por una serie de bobinas (esto es un hilo conductor aislado y enrollado repetidamente) ubicadas una al lado de la otra, siguiendo una especie de circunferencia. Cuando se energizan, estas bobinas son capaces de crear un campo magnético. El rotor, que es una especie de imán (con polos negativos y positivos), gira para alinearse al campo magnético creado por cada bobina del estator. Entonces, para lograr que el rotor gire, lo que hace este motor es pasar la energía de una bobina a la siguiente del estator, provocando que el rotor vaya acompañando este cambio y, por ende, girando. Y si analizamos la forma del campo magnético que se genera en el interior del motor, esta es del tipo radial. Los motores de corriente continua son los más antiguos y los primeros que se emplearon en la industria automotriz allá por mediados del Siglo XIX, incluso antes que los motores de combustión interna, pero con una diferencia: por aquel entonces solo estaban disponibles los motores con escobillas. Estos requerían una conexión física con el rotor para que este gire, lo que producía un desgaste y una menor velocidad de punta fruto de la fricción permanente. El estator, por su parte, se trataba de un imán permanente con sus dos polaridades. Sin embargo, estos aspectos negativos eran compensados por algo muy importante para la época: la facilidad para controlarlos, solo requiriendo de un reóstato (componente eléctrico para regular la intensidad de la corriente sin necesidad de abrir el circuito, mediante una resistencia que puede variarse a voluntad) y unos contactores, sin necesitar de la electrónica que aún estaba por desarrollarse. Además, este tipo de motores también se empleó en un tipo de vehículos “de competición”, que posiblemente muchos conozcan, e incluso hayan comandado: los Scalextric. En cuanto a su uso, hoy es muy difícil encontrar vehículos tanto híbridos como eléctricos que monten este tipo de motores (el Honda Insight de anterior generación es un ejemplo), ya que se han visto superados en performance, simplicidad y capacidad de regeneración de energía por los motores que veremos a continuación.
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Esquema de Corriente Continua (arriba) y Corriente Alterna (abajo).
2. Motor sincrónico de imanes permanentes, flujo radial y corriente alterna: Este es el motor más empleado hoy en la industria automotriz. La primera diferencia respecto del anterior es que utiliza corriente alterna para funcionar, haciendo necesario entonces que la corriente continua que proviene de las baterías pase por un inversor para convertirse en alterna antes de llegar al motor. Yendo al estator, este se compone de tres bobinados conectados en estrella, mientras que el rotor consta de imanes permanentes que crean un flujo constante, sin necesidad de bobinados o escobillas. Para que se produzca el movimiento, el estator debe energizarse mediante un accionamiento de velocidad variable, capaz de modificar la magnitud y la polaridad de la corriente cada bobina, tarea que está a cargo del inversor mencionado anteriormente. Y para ello el sistema necesita conocer exactamente la posición del rotor, motivo por el que deben contar con sensores de posición. El hecho de que sea sincrónico se debe a que la velocidad de giro del campo magnético en el estator es la misma que la del rotor que está magnetizado. Además, el flujo magnético es del tipo radial, como en el motor anterior. Un detalle interesante es que para la fabricación de los imanes permanentes de los rotores se suelen emplear aleaciones de tierras raras, que producen un mayor campo magnético que las aleaciones convencionales. Esto quizás les resulte familiar ya que estas tierras raras son uno de los principales elementos en disputa entre los Estados Unidos y China, en la suerte de guerra comercial que está ocurriendo entre los dos países. Respecto de su utilización, estos motores son los más populares entre los vehículos híbridos y eléctricos actuales, y se pueden encontrar en modelos como Nissan Leaf, Chevrolet Bolt, Renault Zoe, Mitsubishi I-MiEV, o el mismísimo Tesla Model 3. Al tener un rotor con imanes permanentes que generan su propio campo, son más eficientes y no requieren energía extra para la generación del mismo, y se estima que –en promedio– su eficiencia puede rondar el 90% para la mayoría de los vehículos mencionados anteriormente, excepto para el Model 3 que descolla con un asombroso 97% (la de un motor de ciclo Otto varía entre un 20 y 30%, y la del Diesel roza el 40%). En contrapartida, son más caros por los materiales exóticos necesarios para el rotor y no son tan apropiados para vehículos de calle de alta performance, ya que hoy se puede obtener más potencia con los motores que veremos a continuación. Sin embargo, esto posiblemente cambie en un futuro cercano ya que la Fórmula E actualmente emplea este tipo de motores, y es de esperar que los desarrollos realizados terminen derramando en la industria del automóvil.
Motor sincrónico del Nissan Leaf.
3. Motor asincrónico o de inducción, de corriente alterna: Este motor tiene notables similitudes con el detallado anteriormente ya que, por ejemplo, el estator es prácticamente igual: tiene tres conjuntos de bobinas o “devanados” conectados en estrella, por donde circula la corriente eléctrica. Además, se alimenta de corriente alterna que es gestionada por el inversor para crear el campo giratorio en el mismo. La gran diferencia radica en el rotor, que es completamente distinto. Por empezar, no tiene imanes permanentes que generan su propio campo magnético, ni tampoco está conectado mediante escobillas que provean corriente para generar el mismo. Por el contrario, y como su nombre lo indica, la corriente que circula por el estator crea un campo que genera “por inducción” la aparición de un campo magnético en el rotor. Esta corriente que transita por los devanados del rotor es consecuencia de lo que en Electricidad se denomina la F.E.M. (Fuerza Electro Magnética) inducida. En cuanto a la configuración física del rotor, generalmente está compuesto por una serie de láminas de metal apiladas y conectadas con conductores periféricos, que en apariencia terminan formando una especie de jaula, y es por eso que en electricidad se lo suele denominar como rotor de “jaula de ardilla”. El campo magnético que genera el estator es del tipo radial, al igual que los dos motores anteriores. Pero, a diferencia del motor sincrónico, la velocidad de giro del campo magnético del estator no es la misma que la del rotor –que es más lenta–, motivo por el cual se lo conoce como “asincrónico”. La utilización de este motor hoy es menos frecuente que la del motor sincrónico, porque es un poco menos eficiente para operar a bajas revoluciones, con cifras promedio de eficiencia pico de entre 80 y 90%. Pero es el más indicado –por el momento– para vehículos de alta performance, y es por eso que el Tesla Model S emplea este tipo de tecnología para la propulsión y promete una eficiencia –también tope en su clase– del 93%.
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Imán permanente vs. Asincrónico.
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4. Motor sincrónico de imanes permanentes, flujo axial y corriente alterna: Luego de haber leído decenas de documentos y papers técnicos de reciente publicación en el mundo, me atrevo a afirmar que los motores de flujo axial serán el futuro de la industria automotriz. Esto todavía no ocupa los titulares de los medios especializados, pero muchas empresas están dedicando una considerable cantidad de recursos en desarrollar los motores que equiparán a los vehículos en un futuro cercano, en los lugares más secretos de sus laboratorios. A diferencia de los motores térmicos y los eléctricos mencionados anteriormente, sobre los que prácticamente todo ya está escrito, estos motores de flujo axial están empezando a cobrar protagonismo gracias a recientes descubrimientos técnicos. Para resumirlo, esta configuración mecánica era conocida por ofrecer beneficios diferenciales, como ser su extraordinaria densidad de potencia. Sin embargo, también sufría de inconvenientes (calentamiento, desalineación entre rotor y estator que causaba que los discos se tocaran y destruyeran el motor, manufactura cara y compleja) que restaban –y mucho– en la balanza. Pero, luego de años de investigación, los ingenieros parecen haber encontrado las soluciones necesarias para su factibilidad técnica y económica. Algunas de las marcas comerciales más relevantes son Magnax y Yasa. Una de las grandes virtudes de estos motores es que hacen un uso más eficiente del cobre por el que circula la corriente alterna en el estator, ya que no tiene desperdicio (material que sobresale en los extremos de las bobinas) que solo aumenta el tamaño y el peso, mas no la potencia. Para ello, este se ubica perpendicular a la rotación, y como la sección del cobre es rectangular en vez de circular (a pesar de que se aloja en una pieza circular en forma de disco) su eficiencia aumenta y el tamaño se reduce. Además, no requiere de una carcasa metálica a la cual anclarse, algo que trae muchos beneficios técnicos. Y, al igual que en los motores anteriores, la gestión de la corriente está a cargo de un inversor que permite la creación de un campo giratorio en el mismo. El rotor es un disco ferromagnético. Es decir: cuenta con imanes permanentes que crean un campo cuyas líneas viajan paralelas al eje de rotación, motivo por el cual se lo conoce como motor de flujo axial. La velocidad de giro del mismo es similar a la del campo del estator, por lo que también se trata de un motor sincrónico. En la práctica, el motor luce como dos discos enfrentados, uno de los cuales está fijo (estator) y el otro es móvil (rotor), empaquetados en una carcasa diseñada para optimizar el enfriamiento. Algunos números: estos motores pueden alcanzar una eficiencia energética superior al 96%, similar a la de los motores sincrónicos más eficientes del Tesla Model 3; pero se diferencian por ofrecer una descomunal densidad de potencia que puede superar los 15 kW/kg, aproximadamente el triple que los modernos motores de Tesla. Entonces, un pequeño motor de tan solo 7 kg de peso y 185 mm de diámetro puede erogar 84 kW (113 CV) de potencia, una cifra que hoy suele ser alcanzada por impulsores de cuatro cilindros y 1.600 cm3 de desplazamiento. Y uno de “tan solo” 22,5 kg de peso puede llegar hasta los 408 kW (550 CV), lo mismo que monstruosos V8 o V12 que pesan cientos de kg y tienen infinidad de piezas. Así de radical es la diferencia de la tecnología de los motores eléctricos de flujo axial. Si bien las compañías automotrices todavía no han utilizado este tipo de motores en sus vehículos de producción, ya están apareciendo las primeras señales de la mano de los concept cars. Un ejemplo puede ser el Alieno Arcanum, un bestial hiperauto eléctrico de 5.150 CV / 8.800 Nm diseñado para montar hasta seis motores de flujo axial por rueda: un total de 24. ¿Es necesaria tanta potencia? Claramente no, pero es un buen indicio de las capacidades que estarán disponibles con esta nueva tecnología.
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Flujo Radial vs. Flujo Axial.
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ELÉCTRICOS vs. TÉRMICOS
Si bien es un poco difícil –y hasta pretensioso– asegurar cuántas piezas tienen los motores térmicos, no hace falta indagar demasiado para concluir que la simplicidad de un motor eléctrico es infinitamente superior a la de uno térmico. Algunos dicen que el motor térmico (sin los elementos auxiliares) de un vehículo familiar podría rondar las 300 piezas, mientras que uno eléctrico apenas superaría las 20. Esto es algo subjetivo y depende bastante de las características de cada motor, pero la diferencia es tan abrumadora que no deja lugar a dudas. Esta simplicidad redunda en beneficios a favor de los motores eléctricos, como ser una mayor fiabilidad, fácil y rápido mantenimiento, costo acotado… y la lista podría seguir.
Otra gran diferencia es cómo estos motores entregan la potencia y el torque. Quizás, el aspecto más distintivo entre ambos es que los motores eléctricos son capaces de disponer del 100% de su torque desde que entran en funcionamiento, algo que sabemos no ocurre con los motores de combustión. Además, si comparamos motores de potencia similar, observaremos que la cifra de torque del motor eléctrico es mucho más elevada que la del motor a combustión. Esto hace que al conducirlos transmitan una particular –y divertida– sensación de poder, ya que en un uso racional las ventajas de los motores eléctricos son notables.
Respecto de la potencia, los motores eléctricos llegan más rápido al punto de potencia máxima, y lo interesante es que permanece plana en un gran rango de revoluciones. Un dato a tener en cuenta es que los motores eléctricos actuales pueden girar hasta las 10.000 rpm, mientras que los de Ciclo Otto no suelen llegar a las 7.000 rpm. Pero, el rango óptimo de aprovechamiento de la potencia y torque en un motor térmico es mucho más limitado, por eso necesitan cajas de transmisión con múltiples velocidades.
Por el contrario, los motores eléctricos sólo suelen requerir una simple reductora de relación fija, fruto de la entrega estable de prestaciones a lo largo de su rango de operación.
Tres cosas me llamaron la atención cuando investigaba los detalles técnicos de los motores eléctricos que montan los vehículos actuales (tarea bastante complicada, ya que la información escasea): primero, que Tesla es la única empresa que hoy puede hacer girar sus motores hasta las 18.000 rpm, casi el doble que muchos de sus rivales, lo que se traduce en mejores prestaciones. Segundo, la diferencia en “consumo” que podemos encontrar en vehículos de similar potencia como ser el Jaguar i-Pace (27.3 kWh/100 km) y el Tesla Model X 75D (22.3 kWh/100 km), fruto de una elección poco acertada por parte de Jaguar en el tipo de motor utilizado en el eje delantero (sí, Jaguar no tuvo en cuenta cuestiones bastante básicas de la Electricidad para su diseño). Y tercero, la brutal diferencia en la densidad de “potencia pico” (kWp/kg) entre los motores eléctricos actuales, que pueden ir desde los 2,60 (BMW i3) hasta los 4,88 kWp/kg (Tesla Model 3), y los novedosos motores de flujo axial, que pueden superar los 15 kWp/kg (tres veces más que el más eficiente Tesla).
Volviendo al tema del “consumo”, me parece poco menos que llamativo que nadie esté hablando de eso. Nadie. Todo el mundo se concentra en “la autonomía” como la única variable a considerar, que pareciera depender exclusivamente de la capacidad de las baterías. Es como si habláramos frenéticamente del tamaño de los tanques de combustible de los vehículos actuales, sin reparar en una cuestión básica: ¿cuán eficiente es el motor, y cuántos litros de combustible necesita para recorrer 100 kilómetros?
Acá la métrica son los kilowatts por hora que necesita un motor para recorrer 100 kilómetros (kWh/100 km), que es el equivalente a los litros cada 100 km que hoy empleamos. Para tener referencia y complementar los ejemplos mencionados en el párrafo anterior, el Hyundai Ioniq Electric se posiciona como uno de los más “rendidores” del mundo con un consumo promedio de 15,7 kWh/100 km. El BMW i3 demanda 17,2 kWh/100 km, el Chevrolet Bolt EV 17,7 kWh/100 km, un Nissan Leaf 18,7 kWh/100 km, el Tesla Model 3 18.4 kWh/100 km y un Mercedes-Benz Clase B Electric Drive unos 28 kWh/100 km; todas cifras según el estándar EPA.
Dicho esto, sería muy interesante que comencemos a cambiar el mindset y empecemos tanto a indagar como a “exigir” que las marcas nos brinden más información acerca del rendimiento de sus vehículos eléctricos.
¿EXISTIRÁ LA MÍSTICA?
Debo admitir que tengo sentimientos encontrados para encarar este cierre. Se me cruzan muchas cosas por la cabeza, de alguna manera relacionadas con la temática, y que me hacen pensar acerca del impacto que tienen en nuestras emociones. Por ejemplo, pienso en la Fórmula 1 y el opaco sonido de sus unidades de potencia, en los chillidos de los Fórmula E, en la esterilidad de un vehículo eléctrico y en el excesivo silencio que habita en ellos.
Por otro lado, recuerdo la curiosidad y la exaltación que sentí al leer todo lo que está pasando hoy respecto del desarrollo de los nuevos motores eléctricos, especialmente porque estamos en una etapa en la que aún no está claro cómo será la tecnología que prevalecerá por sobre las demás y se imponga como paradigma.
Tal es así que algunas compañías deciden encarar esta búsqueda inhouse (Toyota, Nissan), otras mediante joint ventures (Honda con Hitachi), mientras que aquellas con menos capacidad de desarrollo optan por recurrir a “vendors” especializados. Y por si esto fuera poco, está el factor China, país que se proyecta como el hub de los vehículos eléctricos, no solo como mercado consumidor sino como lugar de desarrollo, por ejemplo de motores (me pregunto qué estarán haciendo los chinos y qué no nos cuentan).
Es por eso que estos motores se presentan como un universo novedoso, lleno de cosas para descubrir y sobre las cuales dialogar. ¿Cuántos motores tiene este auto, de qué tipo son y cómo están distribuidos? ¿Cuántos rotores tiene cada motor? ¿Cuál es su densidad de potencia? ¿Puede superar las 18.000 rpm de los motores de Tesla? ¿Cuál es su eficiencia energética? ¿Y qué están tramando los muchachos de Tesla para no quedarse atrás en esta prominente carrera tecnológica?
Entonces, creo que el resultado de esta conclusión será agridulce.
¿Por qué motivo? Porque hay algo que ineludiblemente no podrá sobrevivir al progreso: el sonido del motor. Como entusiasta, “me pasa algo” cuando escucho acelerar a un motor de combustión, especialmente si es un vehículo deportivo. Ni hablar si se trata de un V8 o un V12. Vivo frente a un concesionario Chevrolet y, cada vez que encienden un Camaro, se produce un alarido que resulta imposible que pase inadvertido para mí, más allá de lo que esté haciendo en ese momento.
También, me pregunto si esta devoción –algo retrógrada– por el sonido de los motores será algo que motive a las nuevas generaciones. Quizás, y mirando el otro lado de la moneda, ahora los jóvenes sitúen el foco principalmente en entender la eficiencia de los motores eléctricos, el consumo y la autonomía.
En los próximos años veremos decenas de vehículos eléctricos con motores capaces de batir la performance de cualquier Ferrari moderna, sin demasiado esfuerzo y a precios cada vez más accesibles. Y es que el cambio va a pasar. La única duda es cuándo ocurrirá lo que se denomina el “Efecto Osborne”. Se trata del momento en el que los compradores decidirán no adquirir un vehículo con motor a combustión porque saben que está próximo a lanzarse un vehículo eléctrico que cubrirá mejor sus necesidades y les resulte más conveniente económicamente.
Personalmente, vaticino un futuro silencioso, pero interesante o -si se me permite la licencia- “electrizante”. Veremos muchos cambios que nos sorprenderán, mas no nos emocionarán demasiado. Con el tiempo, nos iremos familiarizando con los conceptos técnicos desarrollados en esta nota, y hasta llegaremos a encontrarlos de alguna manera “atractivos”.
Pero, de igual manera, crecerá nuestra nostalgia al ver –y escuchar– pasar a un irreverente, ineficiente y nada eco-friendly V8. Esas voces jamás serán olvidadas.
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Fuente: Autoblog