Fundamentos y Tipología de Motores Eléctricos para Tracción en Vehículos Híbridos y Eléctricos

Motores Eléctricos: Tracción y Recuperación de Energía

Los motores eléctricos se utilizan para la tracción del vehículo y la recuperación de energía en vehículos eléctricos e híbridos por las siguientes razones:

• Marcha silenciosa.
• Alto par motor desde el reposo.
• No necesitan caja de cambios.
• Se pueden instalar en cualquier lugar del chasis.
• No emiten gases contaminantes.

Principios de Funcionamiento: Diagrama Par-Revoluciones

El funcionamiento del motor se describe en relación al par y las revoluciones (RPM), dividiéndose en cuatro cuadrantes de trabajo:

1. Primer Cuadrante

• RPM: Positivas. El vehículo avanza hacia adelante.
• Par: Positivo. Par entregado hacia adelante, se ejerce en el mismo sentido del avance.

2. Segundo Cuadrante

• RPM: Negativas. El vehículo retrocede.
• Par: Negativo. Se ejerce en sentido contrario. El conductor no acelera y la función de recuperación de energía está activa (KERS).

3. Tercer Cuadrante

• RPM: Negativas. Avance del vehículo negativo (retroceso).
• Par: Negativo. El conductor acelera hacia atrás.

4. Cuarto Cuadrante

• RPM: Positivas. El vehículo avanza.
• Par: Negativo. Se recupera energía mientras el vehículo avanza hacia adelante.

Clasificación de Motores Eléctricos de Tracción

Los tipos de motores que se utilizan para tracción se clasifican en:

• De Corriente Alterna (AC): Síncronos, Asíncronos y de Reluctancia.
• De Corriente Continua (DC): Con escobillas, sin escobillas y motor paso a paso.

Aunque tradicionalmente en el automóvil se han utilizado motores de corriente continua por su sencillez, en aplicaciones de tracción principal se utilizan mayoritariamente motores de corriente alterna.

Motores de Corriente Alterna (AC)

Motores Síncronos

Funcionan girando con una velocidad de rotación sincronizada a la frecuencia marcada por la corriente alterna. Esta velocidad depende del número de polos magnéticos que conforman el motor.

Componentes:

• Estator: Conjunto de bobinas alrededor de un núcleo de material ferromagnético alimentadas por corriente alterna, que crean un campo magnético también alterno.
• Rotor: Núcleo magnetizado, con un determinado número de polos magnéticos.

Motores Asíncronos (Inducción)

La velocidad del rotor y la frecuencia de la corriente alterna no están sincronizadas. La frecuencia siempre tiene que ser mayor que la velocidad del rotor, ya que si se igualasen no habría inducción y el motor se pararía.

Velocidades Clave:

• n1 (Velocidad Síncrona): Velocidad de giro asociada con la variación de la corriente alterna.
• n2 (Velocidad del Rotor): Velocidad del rotor, que debe ser menor que la velocidad síncrona.
• n3 (Velocidad de Deslizamiento): La diferencia entre la velocidad síncrona y la del motor. Se puede expresar en porcentaje.

El par es directamente proporcional al deslizamiento, ya que a mayor deslizamiento, mayor variación del flujo magnético, lo que induce más corriente en el rotor y ejerce más fuerza entre el rotor y el estator.

Componentes:

• Rotor: Construido con un material conductor pero sin propiedades magnéticas, con posibilidad de girar alrededor de su eje.
• Estator: Incorpora las bobinas y se encarga de generar el campo magnético. Cada vez que el campo magnético se cruza con un segmento, se induce corriente eléctrica en el cable.

Motores de Reluctancia

Se diferencian de los motores síncronos solo en el rotor: este está construido con material ferromagnético que solo se magnetiza ante un campo magnético exterior. Los polos magnéticos del rotor tienden a alinearse con el campo magnético para minimizar la resistencia al paso del flujo magnético. Así se consigue un par de rotación en el rotor.

Motores de Corriente Continua (DC)

Motores con Escobillas

Son los menos utilizados en tracción principal porque las escobillas están sometidas a mucho desgaste. Sus ventajas principales son la facilidad de control y la gran capacidad de par.

Motores sin Escobillas (Brushless)

Son semejantes a los de corriente alterna de tipo síncrono. La diferencia es que entre la fuente de alimentación y el motor se intercala un generador de pulsos de tensión oscilante que es el que alimenta al motor. Este generador controla la velocidad y la potencia.

Motores Paso a Paso

Semejantes a los de reluctancia en constitución y funcionamiento, pero están alimentados por PWM (Modulación por Ancho de Pulso) y están diseñados para proporcionar mucha precisión.

Los motores de corriente continua son los más utilizados en aplicaciones auxiliares y se pueden ver instalados para:

• Bomba de gasolina.
• Elevalunas.
• Refrigeración.
• Espejos retrovisores.
• Techos solares.

Propiedades y Características Técnicas

Factores de la Placa Característica del Motor

Los factores que aparecen en la placa característica del motor son:

• El factor de potencia.
• El valor del rendimiento.
• Tensión eficaz.
• Corriente nominal.
• Potencia absorbida.
• Potencia mecánica.

Características Técnicas

Las características técnicas de cada motor eléctrico dependen de un gran número de propiedades constructivas:

• Los materiales utilizados.
• El tipo de motor eléctrico.
• Los circuitos eléctricos internos.
• Las tolerancias mecánicas de fabricación.

Las características de un motor eléctrico en función del par motor son:

• Rendimiento.
• Potencia mecánica.
• Intensidad.
• Velocidad de giro.