Juan Manuel Díaz Jiménez es responsable pericial de Miperito.es y profesor del CEAPS. Es Perito de Seguros en las especialidades de Vehículos Automóviles, Incendios y Riesgos Diversos y Embarcaciones, así como Comisario de Averías. Especialista en investigación electrónica y vehículos híbridos y eléctricos, aborda en la primera parte de este documento la clasificación de los vehículos a partir de su grado de electrificación y de cumplimiento de las directrices.
Este artículo, en el que hablaremos de los motores eléctricos, es la tercera entrega de una serie en la que estamos viendo a grandes rasgos las particularidades que más nos interesan de los vehículos eléctricos e híbridos.
Debemos asumir que los vehículos eléctricos no son el futuro, son el presente, y por ello debemos familiarizarnos cuanto antes con todo este tipo de tecnologías, que, dicho sea, tienen poco de modernas puesto que ya mismo se cumplen 200 años de su invención. Es más, podemos afirmar que el motor eléctrico es nada menos que 40 años más antiguo que el motor de combustión interna ciclo Otto.
En primer lugar, cuando hablemos de motores de vehículos eléctricos es más correcto denominarlos máquinas eléctricas, puesto que su misión no es solamente la de servir como precursor del movimiento del vehículo, sino que también sirven como generador de corriente aprovechando la masa inercial en caso necesario –lo que conocemos como frenada regenerativa– e incluso en vehículos híbridos también tienen función de puesta en marcha del motor térmico.
Desde un punto de vista energético, las máquinas eléctricas son las más eficientes en cuanto a consumo. De hecho, presentan una eficiencia energética superior al 90% mientras que un motor térmico ronda el 25%-30%, desperdiciando el resto de energía fundamentalmente en calor y en gases no combustionados.
Pongamos un ejemplo: la energía media que presenta un litro de combustible es de 10Kwh; por tanto, un vehículo que consuma 6 litros de combustible a los 100km está “gastando” 60Kwh de energía. Un vehículo eléctrico similar recorrería con esta energía más de 300Km y ello sin contar que en caso de frenada regenerativa parte de la energía cinética la vuelve a meter en la batería.
Otra de las particularidades de las máquinas eléctricas es su forma de entregar la potencia y el amplio margen de revoluciones utilizables que alcanzan.
Imaginemos dos vehículos con la misma potencia, pero uno eléctrico y otro de combustión. El eléctrico obtiene su par máximo, que puede ser dos o tres veces superior al de combustión, desde 0 revoluciones y los mantiene por encima del de combustión hasta después del “corte de inyección” de este. En cuanto a la potencia, la da desde muy bajas revoluciones y la mantiene hasta prácticamente el tope de velocidad de revoluciones, que se sitúa entre las 11.000 Rpm y las 20.000 Rpm. Es decir, entre dos y cuatro veces por encima del régimen máximo de giro de los motores de combustión.
Si trasladamos esto al margen de utilización, mientras que en un vehículo de combustión necesitamos una caja de cambios para poder utilizar el rango de potencia y revoluciones aprovechables que nos ofrece el motor, en un vehículo eléctrico no tiene mucho sentido una caja de cambios ya que el margen de utilización permite partir desde cero y alcanzar grandes velocidades en superioridad de condiciones con una sola relación desmultiplicadora, que suele ser el equivalente a la segunda o tercera marcha de un vehículo convencional.
¿Existen vehículos eléctricos con caja de cambios? Sí, de dos relaciones y con la única misión de mantener una aceleración extraordinaria cuando comienza a decaer el par “por debajo de sus competidores de combustión”… Estamos hablando de eléctricos de más de 700 cv.
Ahora hablaremos de fiabilidad. Un motor eléctrico es mucho más fiable que uno de combustión debido a un diseño más simple y con menos componentes propensos a fallar por roces, desgastes, holguras o ajustes; una menor cantidad de piezas móviles, una mayor eficiencia que genera menor calor interior, un amplio margen de utilización que posibilita el funcionar siempre muy por debajo de sus capacidades, así como una tecnología muy probada en todo tipo de ámbitos desde el domestico al industrial. Cabe significar que dicha fiabilidad la consiguen sin mantenimiento alguno. Eso sí, no hay que olvidar que aquellas máquinas eléctricas que contengan en su carcasa un grupo desmultiplicador y diferencial es aconsejable sustituir su fluido lubricante cada 60.000Km – 80.000Km.
¿Cómo funcionan?
El funcionamiento básico de un motor eléctrico se basa en la rotación electromagnética descubierta por Faraday. Esta consiste en la propiedad de dos imanes que se rechazan o se atraen, dependiendo de la alineación de sus polos. Esa orientación será la que genere un desplazamiento hacia delante o hacia atrás, en el caso de estos motores se emplea la electricidad para la creación y variación de los campos magnéticos, creándose así el movimiento entre una pieza estática y otra que permite su giro.
Componentes principales de un motor eléctrico
Veamos los componentes principales de un motor típico de vehículo 100% eléctrico:
Estator: es un cilindro hueco y fijo que inducirá campos magnéticos giratorios en su interior mediante unos bobinados. De esta manera y gracias a un control electrónico, podrá variar la potencia del campo magnético, secuencia de la excitación de sus bobinados y velocidad de giro, provocando el movimiento del rotor.
Rotor: es un cilindro que gira en el interior del estator unido solidariamente al eje de salida del motor, posteriormente conectado a engranajes desmultiplicadores y diferencial. El rotor puede tener imanes permanentes o funcionar por inducción magnética. En el caso de los vehículos, prácticamente todas las máquinas eléctricas son de corriente alterna y sin escobillas (brushless). Este elemento en función de los campos electromagnéticos emitidos por el estator reaccionará girándose.
Para entender un poco el funcionamiento vamos a simplificar al máximo el concepto. Imaginemos que miramos un rotor de frente y que presenta en la parte de arriba el polo positivo y en la parte de abajo el polo negativo. Bien, imaginemos que el estator, que está alrededor del rotor, va a crear un campo magnético contrario al del rotor con un desfase de 45 grados en el sentido de las agujas del reloj. El rotor, dado que los polos opuestos se atraen, girará esos 45 grados. Cuando el rotor se esté aproximando a los 45 grados se excitarán en el estator las siguientes bobinas que lo conforman y volverá a desfasar otros 45 grados, por lo que el rotor continúa girando. De esta manera se consigue el funcionamiento del motor…
Y gracias por echarle imaginación al asunto.
Tipologías y características constructivas
Actualmente, la industria automotriz emplea dos familias de motores eléctricos que utilizan corriente alterna trifásica: el motor síncrono y el asíncrono.
Motor síncrono: se caracteriza por una velocidad de rotación directamente proporcional a la frecuencia de la corriente alterna que lo alimenta. Esto significa que el rotor gira a la misma velocidad que lo hace el campo magnético del estator, es decir, en sincronismo. El rotor está constituido por una serie de imanes, generalmente de neodimio, y se le conoce como motor síncrono de imanes permanentes (PMSM).
Entre sus ventajas destacan una eficiencia mayor respecto a otros motores y alta densidad de potencia, por lo que son más pequeños y livianos. Sus inconvenientes principales son un coste de fabricación más elevado y un menor rango de revoluciones. Los podemos encontrar en modelos como el Tesla Model 3 y el Model Y, los motores delanteros de Tesla Model S y Model X, Porsche Taycan, Audi Gt Etron y en muchos vehículos híbridos, ya que al reducirse las dimensiones del motor resulta más sencillos de adaptar. Un ejemplo de estos coches puede ser la gama Toyota o Bmw. También existen vehículos que en lugar de equipar imanes de neodimio utilizan un rotor bobinado alimentado por escobillas, como el Renault Zoe y el Bmw I3.
Cuando por estas bobinas aplicamos una corriente trifásica conseguimos inducir un campo magnético giratorio que envuelve al rotor e induce una tensión eléctrica mediante campos magnéticos variables. El rotor está provisto de unas barras de conducción en todo su largo, similar a una jaula, e incrustadas en una serie de ranuras dispuestas de manera equidistante entre ellas y conectadas con anillos a cada extremidad del rotor.
Su funcionamiento práctico se basa en el efecto Laplace que define que todo conductor por el que circula una corriente eléctrica, inmerso en un campo magnético, experimenta una fuerza que lo tiende a poner en movimiento. Al mismo tiempo sucede el efecto definido por Faraday por el cual todo conductor que se mueva en el seno de un campo magnético se induce una tensión y se produce un efecto generador.
En cuanto a los rotores bobinados están prácticamente en desuso, pues precisan de escobillas para excitar la bobina del rotor, planteando desgastes, chispas y suciedad en el interior del motor.
Entre sus desventajas están una baja densidad de potencia y elevada corriente de arranque. Entre sus ventajas, una alta eficiencia, amplia gama de velocidades y robustez y economía.
Otros motores
Existen una infinidad distinta de motores, pero se basan en el funcionamiento de los anteriores o no están muy extendidos. Un ejemplo es el motor de corriente continua con o sin escobillas, el motor trifásico asíncrono de rotor bobinado, el motore síncronos de reluctancia y de reluctancia conmutada, el motor síncrono de excitación independiente, el motor síncrono de flujo axial, etc.
Averías típicas de los motores eléctricos
Las máquinas eléctricas son muy fiables pero también tienen averías. En muchos casos algunas de las averías no sobrevienen del motor sino de piezas que se engloban en el mismo conjunto y de las que el fabricante no suministra recambios o despieces (que no significa que no existan por fuera o no sean reparables).
En términos generales las más habituales son la pérdida de aislamiento eléctrico, deterioro de rodamientos y entrada de líquido refrigerante al recinto.
En cuanto a conjunto motor, es decir, aquellos elementos que se suelen englobar con el motor en una misma carcasa, como es la unidad inversora y la caja desmultiplicadora, los más recurrentes son fallos electrónicos del inversor, filtración de líquido refrigerante en electrónica, pérdida de aceite lubricante de grupo, rodamientos y holguras en ejes de salida de transmisiones por elevado par.
La provenientes de la parte mecánica suelen ser fácilmente reparables ya que no distan de un grupo reductor y diferencial normal, por lo que pueden ser mecanizadas, encasquilladas o cambiadas. Las provenientes de grupo inversor, si están derivadas de filtración de líquido refrigerante por fallos de aislamiento (pese a ser compuestos dieléctricos) pueden ser corregidas si se cogen a tiempo. Las averías en placas de inversor, en términos generales, será difícil su reparación, salvo en el caso de que sean placas diferentes a la electrónica de potencia, en cuyo caso pueden ser sustituidas por otras de segundo uso previamente virginizadas y posteriormente reprogramadas. En cuanto al “motor en sí”, las derivadas de rodamientos sí se pueden reparar, si bien, dada la excentricidad que provocan, suelen promover recalentamientos en rotor y, dependiendo del tipo que sea, el motor puede sufrir la pérdida de rendimiento (caso imanes permanentes), o que el estator haya podido ver afectado su aislamiento eléctrico a presente o futuro al dañarse el esmalte de bobinados.
Recomendaciones para el Perito
No podía terminar este artículo sin recomendar a los peritos que tengan que enfrentarse a un siniestro o avería de cualquier tipo en la que pueda verse afectado un vehículo eléctrico, que es primordial tener dominio técnico, información y experiencia para poder emitir un dictamen adecuado.
Recomiendo a todos los peritos que reúnan los requisitos de acceso que realicen el Curso de Especialización en Mantenimiento y Seguridad en Sistemas de Vehículos Híbridos y Eléctricos, formación reglada y oficial amparada bajo el Real Decreto 109/2022 y habilitante, incluso, para trabajos en alta tensión. Esta formación la pueden realizar gratuitamente durante un curso académico en centros públicos y, lógicamente, es mucho más avanzada, práctica y acreditada que cualquier otra formación que puedan ofrecer otro tipo de centros.
Recuerda que si tienes que enfrentarte a un siniestro o avería compleja y no te consideras capacitado no dudes en contactar con otros peritos especialistas, que, como yo, puedan ayudarte a gestionar la situación.
