La llegada de los coches eléctricos ha cambiado también todo lo que hasta ahora sabíamos de mecánica. Nos podemos olvidar de los motores de dos y cuatro tiempos, de los cilindros y de los inyectores. El motor de un coche eléctrico funciona de forma diferente. Y uno de los elementos clave en estos motores es el rotor. Ahora bien, qué es un rotor, qué tipos hay, en qué tipos de motores lo veremos, y en qué está basado.
Estátor a la izquierda, rotor a la derecha.
Qué es un rotor
El rotor es uno de los principales elementos en una máquina eléctrica, bien sea un motor o un generador eléctrico. Se trata de la parte interior que actúa como eje, y que gira (o rota) sobre ese mismo eje. Es la contrapartida del estátor, que es el componente que se mantiene fijo (o estático) y que suele «contener» al rotor dentro de sí. Mentalmente puedes imaginar el estátor como un cilindro muy grande que está fijo, y el rotor un cilindro más pequeño que está dentro del anterior, y que está libre y puede rotar.
En un motor térmico de combustión como el que lleva cualquier coche, tenemos que convertir la energía térmica o calor, generado por la reacción de la gasolina o el diésel, en energía cinética o movimiento. Para esto tenemos los cilindros, los pistones, las válvulas o los inyectores, que se encargan de ir «trabajando» con el combustible para convertir el calor en movimiento.
En cambio, en un motor eléctrico tenemos energía eléctrica que hay que convertir en movimiento. Y en lugar de los componentes anteriores, lo que tenemos es un estátor y un rotor. De forma simplificada, podemos decir que la clave de un motor eléctrico está en utilizar esa energía eléctrica para generar un campo magnético en el estátor (tienes más información en la página dedicada a Qué es el estátor). Controlando la energía eléctrica que damos a cada bobina del estátor, estamos creando un campo magnético que en realidad está girando constantemente, cambiando el Norte magnético.
El rotor es un elemento que está magnetizado y que va siguiendo el campo magnético. De esta forma, utilizamos la electricidad para crear un campo magnético, y el movimiento del rotor siguiendo siempre ese campo magnético es lo que tenemos que llevar a las ruedas. Hemos convertido energía eléctrica en energía cinética.
Tipos de rotor en motores eléctricos
Podemos diferenciar dos tipos de motores en coches eléctricos, los motores síncronos y los motores asíncronos. Los primeros son aquellos en los que el rotor gira de forma sincronizada con el campo magnético que generamos en el estátor. En este caso solemos tenemos un rotor compuesto por imanes permanentes, que suelen ser similares a los imanes de neodimio como los que podemos comprar por poco dinero, aunque mucho más refinados y dispuestos de forma precisa (y de otros elementos como el samario o el terbio).
También hay motores síncronos que prescinden de los imanes. En lugar de eso, el rotor está formado por elementos conductores a los que se da una carga eléctrica y dándoles por tanto magnetismo. En lugar de un imán, tenemos un electroimán cuando le damos electricidad. Funciona igual que el anterior, con la diferencia de que tenemos que darle electricidad al rotor también.
Rotor compuesto por una serie de bobinas que actúan como electroimanes.
En el caso de los motores asíncronos, el rotor gira a una velocidad diferente a la del campo magnético del estátor, no van sincronizados. Esa desincronización genera fuerzas magnéticas cambiantes en el rotor. El rotor no cuenta con imanes. Sin embargo, estas variaciones de fuerzas magnéticas en él generan electricidad, dotándolo de magnetismo, y convirtiéndolo en un electroimán. Esta forma de generar electricidad en un elemento conductor sin necesidad de tocarlo, y simplemente cambiando el campo magnético alrededor, se llama inducción magnética, y la tenemos muchos en nuestra cocina.
Los motores asíncronos no tienen rotores con imanes propiamente dichos. En lugar de eso, el rotor está formado por elementos conductores de electricidad que al recibir carga eléctrica crean un electroimán. Y de nuevo tendremos a un rotor siguiendo el campo magnético del estátor. Ahora bien, ¿cómo damos electricidad al rotor para imantarlo?
Por medio de inducción magnética. Esto es lo que hace que los motores asíncronos también sean llamados motores de inducción. No obstante, para generar la inducción magnética necesitamos que el campo magnético del estátor gire a diferente velocidad que el rotor. Es por eso por lo que es un motor asíncrono, porque no giran igual. Esa diferencia de velocidades suele ser de entre un 3% y un 6%, y es denominada deslizamiento.
¿Qué rotor es mejor?
Podemos diferenciar entre varios rotores. Por un lado tenemos los rotores con imanes permanentes propios de los motores síncronos. Son eficientes, el bloque motor es más pequeño, dan un buen rendimiento, y no hay rozamiento en el interior entre rotor y estátor, por lo que se evitan averías en ese sentido. Hasta ahí todo genial. El problema es que para producir estos imanes necesitamos elementos denominados en la tabla periódica como tierras raras. Que son menos raros cuando los llamamos por su nombre: neodimio (te suena, ¿verdad?), terbio, disprosio, entre otros. No son fáciles de conseguir y se han encarecido. Ofrecen ventajas, pero los fabricantes buscan alternativas para no depender de elementos que se van encareciendo.
Los rotores sin imanes de los motores síncronos, utilizan una fuente de energía eléctrica para convertirse en electroimanes. No obstante, eso implica tener que gastar energía también en alimentar al rotor, y no solo al estátor, lo que nos lleva a un mayor gasto de batería. Además, como no tenemos imanes tenemos que poner dentro del rotor todo el equipamiento necesario para generar un electroimán, lo que nos lleva a motores más grandes y aparatosos. Ya hemos encontrado la desventaja.
Y tenemos también los rotores sin imanes de los motores asíncronos. En vez de poner una fuente de energía externa que dé electricidad al rotor, lo que hacemos es inducir magnéticamente electricidad haciendo que exista un campo magnético variable alrededor del rotor. Para que sea variable, tenemos que hacer que funcione de forma asíncrona, y que el rotor nunca gire a la velocidad del campo magnético del estátor. La diferencia de velocidad suele ser de entre un 3% y un 6%, y se llama deslizamiento. Está directamente relacionada con el par que nos da el motor. Así, necesitamos sensores para controlar la velocidad del rotor jugando con la velocidad del campo del estátor, y supone un desarrollo más complejo.
Rotor de un motor eléctrico de Porsche, compuesto por imanes permanentes.
¿Qué rotor lleva cada modelo de coche?
No existe una marca que apueste por unos y otra por otros de forma clarísima. En general todos los fabricantes están buscando la forma de no depender de materiales como las tierras raras, aunque cada uno lo hace de una forma. Incluso hay marcas que optan por integrar dos motores, uno síncrono y uno asíncrono, y con diferentes tecnologías. Tesla, por ejemplo, que siempre ha abogado por las ventajas a futuro de los motores asíncronos, incorpora motores síncronos en algunos casos o en los coches con cuentan con dos motores. Como todos los sistemas tienen ventajas y desventajas, es muy probable que ahora y en el futuro veamos cómo cada fabricante opta por un diseño en un modelo y otro en otro modelo, y que sigamos viendo múltiples cambios conforme veamos cómo determinados motores acaban teniendo un mejor funcionamiento, rendimiento, o eficiencia que otros.
