Los entusiastas de los automóviles siempre han sido fanáticos de los motores, pero la electrificación es imparable y es posible que sea necesario actualizar las reservas de conocimientos de algunas personas.
El más conocido hoy en día es el motor de ciclo de cuatro tiempos, que también es la fuente de energía para la mayoría de los vehículos propulsados por gasolina.Al igual que los motores de cuatro tiempos, dos tiempos y de rotor Wankel de los motores de combustión interna, los motores de vehículos eléctricos se pueden dividir en motores síncronos y motores asíncronos según la diferencia de rotores.Los motores asíncronos también se denominan motores de inducción, mientras que los motores síncronos contienen imanes permanentes.y corriente para excitar el motor.
Estator y rotor
Todos los tipos de motores de vehículos eléctricos constan de dos partes principales: un estator y un rotor.
Estator▼
El estator es la parte del motor que permanece estacionaria y es la carcasa fija del motor, montada en el chasis como el bloque del motor.El rotor es la única parte móvil del motor, similar al cigüeñal, que envía torque a través de la transmisión y el diferencial.
El estator se compone de tres partes: núcleo del estator, devanado del estator y marco.Las numerosas ranuras paralelas del cuerpo del estator están llenas de devanados de cobre interconectados.
Estos devanados contienen elegantes inserciones de cobre en forma de horquilla que aumentan la densidad de relleno de la ranura y el contacto directo de cable a cable.Los devanados densos aumentan la capacidad de torsión, mientras que los extremos están escalonados más claramente, lo que reduce el volumen para un paquete general más pequeño.
Estator y rotor▼
La función principal del estator es generar un campo magnético giratorio (RMF), mientras que la función principal del rotor es ser cortado por las líneas de fuerza magnética en el campo magnético giratorio para generar corriente (de salida).
El motor utiliza corriente alterna trifásica para establecer el campo giratorio, y su frecuencia y potencia están controladas por una electrónica de potencia que responde al acelerador.Las baterías son dispositivos de corriente continua (CC), por lo que la electrónica de potencia del vehículo eléctrico incluye un inversor CC-CA que suministra al estator la corriente CA necesaria para crear el importante campo magnético giratorio variable.
Pero vale la pena señalar que estos motores también son generadores, lo que significa que las ruedas impulsarán el rotor dentro del estator, induciendo un campo magnético giratorio en la otra dirección, enviando energía de regreso a la batería a través de un convertidor AC-DC.
Este proceso, conocido como frenado regenerativo, crea resistencia y ralentiza el vehículo.La regeneración es fundamental no sólo para ampliar la gama de vehículos eléctricos, sino también para los híbridos altamente eficientes, ya que una regeneración extensiva mejora la economía de combustible.Pero en el mundo real, la regeneración no es tan eficiente como "hacer rodar el coche", lo que evita la pérdida de energía.
La mayoría de los vehículos eléctricos dependen de una transmisión de una sola velocidad para reducir el giro entre el motor y las ruedas.Al igual que los motores de combustión interna, los motores eléctricos son más eficientes a bajas revoluciones y cargas elevadas.
Si bien un vehículo eléctrico puede obtener una autonomía decente con una sola marcha, las camionetas pickup y los SUV más pesados utilizan transmisiones de varias velocidades para aumentar la autonomía a altas velocidades.
Los vehículos eléctricos de varias marchas son poco comunes y, hoy en día, sólo el Audi e-tron GT y el Porsche Taycan utilizan transmisiones de dos velocidades.
Tres tipos de motores
Nacido en el siglo XIX, el rotor del motor de inducción está formado por capas o tiras longitudinales de material conductor, más comúnmente cobre y, a veces, aluminio.El campo magnético giratorio del estator induce una corriente en estas láminas, que a su vez crea un campo electromagnético (EMF) que comienza a girar dentro del campo magnético giratorio del estator.
Los motores de inducción se denominan motores asíncronos porque el campo electromagnético inducido y el par de rotación sólo pueden generarse cuando la velocidad del rotor va por detrás del campo magnético giratorio.Este tipo de motores son comunes porque no requieren imanes de tierras raras y su fabricación es relativamente económica.Pero son menos capaces de disipar el calor con cargas elevadas sostenidas y son inherentemente menos eficientes a bajas velocidades.
Motor de imán permanente, como su nombre indica, su rotor tiene su propio magnetismo y no requiere energía para crear el campo magnético del rotor.Son más eficientes a bajas velocidades.Un rotor de este tipo también gira sincrónicamente con el campo magnético giratorio del estator, por lo que se denomina motor síncrono.
Sin embargo, simplemente envolver el rotor con imanes tiene sus propios problemas.En primer lugar, esto requiere imanes más grandes y, con el peso añadido, puede resultar difícil mantenerse sincronizado a altas velocidades.Pero el mayor problema es el llamado "EMF inverso" de alta velocidad, que aumenta la resistencia, limita la potencia máxima y genera un exceso de calor que puede dañar los imanes.
Para resolver este problema, la mayoría de los motores de imanes permanentes de vehículos eléctricos tienen imanes permanentes internos (IPM) que se deslizan en pares en ranuras longitudinales en forma de V, dispuestas en múltiples lóbulos debajo de la superficie del núcleo de hierro del rotor.
La ranura en V mantiene seguros los imanes permanentes a altas velocidades, pero crea un par de reluctancia entre los imanes.Los imanes son atraídos o repelidos por otros imanes, pero la desgana ordinaria atrae los lóbulos del rotor de hierro hacia el campo magnético giratorio.
Los imanes permanentes entran en juego a bajas velocidades, mientras que el par de reluctancia actúa a altas velocidades.Prius se utiliza en esta estructura.
El último tipo de motor excitado por corriente ha aparecido recientemente en los vehículos eléctricos.Ambos de los anteriores son motores sin escobillas.La sabiduría popular sostiene que los motores sin escobillas son la única opción viable para los vehículos eléctricos.Y BMW recientemente ha ido en contra de la norma e instaló motores síncronos de CA con escobillas excitados por corriente en los nuevos modelos i4 e iX.
El rotor de este tipo de motor interactúa con el campo magnético giratorio del estator, exactamente como un rotor de imán permanente, pero en lugar de tener imanes permanentes, utiliza seis lóbulos de cobre anchos que utilizan la energía de una batería de CC para crear el campo electromagnético necesario. .
Esto requiere la instalación de anillos colectores y cepillos de resorte en el eje del rotor, por lo que algunas personas temen que los cepillos se desgasten y acumulen polvo y abandonen este método.Si bien el conjunto de cepillos está encerrado en un recinto separado con una cubierta extraíble, queda por ver si el desgaste de los cepillos es un problema.
La ausencia de imanes permanentes evita el aumento del coste de las tierras raras y el impacto medioambiental de la minería.Esta solución también permite variar la intensidad del campo magnético del rotor, permitiendo así una mayor optimización.Aún así, alimentar el rotor sigue consumiendo algo de energía, lo que hace que estos motores sean menos eficientes, especialmente a bajas velocidades, donde la energía necesaria para crear el campo magnético es una proporción mayor del consumo total.
En la corta historia de los vehículos eléctricos, los motores síncronos de CA excitados por corriente son relativamente nuevos y todavía hay mucho espacio para que se desarrollen nuevas ideas, y ha habido puntos de inflexión importantes, como el paso de Tesla de conceptos de motores de inducción a motores permanentes. Motor síncrono de imanes.Y llevamos menos de una década en la era de los vehículos eléctricos modernos, y apenas estamos comenzando.
Hora de publicación: 21 de enero de 2023