Dentro del giro: cómo los motores eléctricos mueven los vehículos eléctricos

Aprieta el pedal, siente el empujón y casi no oyes nada. Lo que realiza el trabajo es un cilindro compacto de acero, cobre y imanes, girando con propósito.

La tarea del motor de un VE, en términos sencillos

Un motor eléctrico convierte energía eléctrica en rotación mecánica. En un VE, esa rotación crea par en las ruedas mediante una sencilla caja reductora. La sensación que te encanta —respuesta instantánea, tirón suave, control fino a baja velocidad— proviene de lo precisamente que se crean y sincronizan los campos magnéticos del motor.

Dos ideas están en el núcleo:

• Construir campos magnéticos fuertes y controlables en el estator.
• Hacer que el rotor persiga ese campo móvil en sincronía, produciendo par.

Todo lo demás —química de la batería, inversores, refrigeración, engranajes— existe para alimentar, moldear y preservar esos campos magnéticos de forma eficiente y fiable.

Electromagnetismo 101: los campos en movimiento crean movimiento

En el corazón está el campo magnético giratorio. El estator, un anillo de chapas de acero aisladas con bobinados de cobre, recibe corrientes alternas trifásicas. Esas corrientes desfasadas crean un campo magnético que gira alrededor de la circunferencia del estator. El rotor se sitúa dentro de ese campo que gira.

• En un motor síncrono de imanes permanentes (PMSM), el rotor lleva imanes de alta resistencia. El rotor se bloquea con el campo giratorio; el par surge de la alineación del rotor con el vector magnético del estator.
• En un motor de inducción (asíncrono), el rotor tiene barras conductoras (una “jaula de ardilla”). El campo móvil del estator induce corrientes en esas barras; el rotor genera su propio campo magnético y se queda ligeramente rezagado respecto al campo del estator, creando par.

En ambos casos, el par es el producto vectorial del flujo magnético y la corriente del estator. Aumenta la corriente o el flujo (dentro de los límites del material) y aumentas el par. Controla con precisión el ángulo del campo y mantienes el par suave.

Las piezas que no ves: anatomía del motor

Piensa en un motor EV moderno como una máquina en capas y muy compactada:

• Núcleo del estator: chapas de acero finas e aisladas apiladas para formar ranuras para el cobre. Las láminas reducen las pérdidas por corrientes de Foucault a alta velocidad.
• Bobinados: hilo redondo o conductores tipo hairpin llenan las ranuras. Los hairpin permiten alta ocupación de ranura y excelente repetibilidad, mejorando la eficiencia y la extracción de calor, a costa de un diseño cuidadoso para gestionar pérdidas en CA.
• Rotor: imanes embebidos (interior permanent magnet, IPM) o montados en superficie, o una jaula de ardilla de aluminio/cobre fundido. Los rotores IPM pueden producir par magnético y de reluctancia para mayor eficiencia a alta velocidad.
• Rodamientos y eje: soportan cargas radiales/axiales y conectan con la entrada de la caja de cambios. El diseño de los rodamientos considera lubricación, descargas eléctricas y NVH.
• Sensor de posición: un resolver o codificador informa del ángulo del rotor; el inversor usa esto para el control orientado al campo.
• Carcasa y conductos de refrigeración: llevan refrigerante alrededor del estator; algunos diseños pulverizan aceite sobre los extremos de las bobinas o a través del rotor para refrigeración extra.

En los VE, el motor rara vez trabaja solo. Forma parte de un e-axle: motor, inversor y caja reductora integrados para ahorrar espacio, peso y cableado.

De la batería al eje giratorio: la pila de control

Las baterías entregan CC. Los motores quieren CA perfectamente sincronizada. El traductor es el inversor: un conjunto de transistores (IGBTs o, cada vez más, MOSFETs de SiC) que trocean la CC en formas de onda moduladas por ancho de pulso. El cerebro de control se sitúa en la unidad de propulsión:

• Medir tensión de batería, corrientes y posición del rotor.
• Transformar las corrientes trifásicas a un marco rotante “dq” alineado con el campo del rotor.
• Mandar “Id” (flujo) e “Iq” (par) con control orientado al campo (FOC).
• Usar modulación por vector espacial (SVM) para conmutar los transistores y sintetizar tensiones de fase casi sinusoidales.
• Cerrar el lazo cada microsegundos a milisegundos, ajustando por carga, temperatura y caída de tensión.

Si esto se hace bien, obtienes un par sedoso a 2 rpm en un garaje y un empuje potente más allá de velocidades de autopista.

Par, velocidad y relaciones: por qué basta una marcha

Un motor de VE puede girar a 14.000–20.000 rpm. Las ruedas no. Una única reducción (a menudo 8–10:1) convierte el par del motor en par en rueda. La curva par-velocidad del motor se divide naturalmente en:

• Región de par constante: por debajo de la “velocidad base”, el inversor suministra suficiente corriente y flujo para entregar el par máximo. Esto da el empuje desde parado.
• Región de debilitamiento de campo: por encima de la velocidad base, el controlador reduce el flujo (Id) para evitar sobrevoltajes en el motor, intercambiando par por velocidad. Piensa en ello como un cambio a la inversa: sigues girando más rápido pero con menos fuerza.

Como los motores pueden operar en un amplio rango de velocidades y mantener alto par a baja velocidad, una sola relación es suficiente para la conducción diaria, remolque dentro de límites y crucero en autopista.

Qué crea pérdidas — y cómo las combaten los diseñadores

Nada es gratis. Las pérdidas aparecen en forma de calor:

• Pérdida en cobre: calentamiento I²R en los bobinados. Se reduce con conductores más gruesos, menor resistencia y buena refrigeración.
• Pérdida en hierro: histéresis y corrientes parásitas en las chapas. Se reduce con acero de alta calidad y más fino y con oscilaciones de flujo optimizadas.
• Pérdida en inversor/conmutación: cada evento de conmutación consume energía; mayor frecuencia suaviza la corriente pero añade pérdida.
• Pérdida mecánica: fricción de rodamientos, resistencia aerodinámica (windage) en la cavidad del rotor.

El diseño es el arte de equilibrar esto. Los bobinados hairpin reducen la pérdida de cobre pero pueden aumentar la pérdida en AC a alta frecuencia; mejor refrigeración y geometría optimizada de los conductores ayudan. Frecuencias de conmutación altas mejoran el control pero penalizan la eficiencia; el carburo de silicio ayuda reduciendo las pérdidas de conmutación a alto voltaje.

Tipos de motores que encontrarás en los VE

Diferentes fabricantes eligen distintos motores por coste, rendimiento y recursos.

• Motor síncrono de imanes permanentes (PMSM, a menudo IPM)
  • Eficiencia: alta en un amplio rango.
  • Pros: excelente par a baja velocidad, fuerte capacidad de regeneración, compacto.
  • Contras: usa imanes de tierras raras; riesgo de desimantación a alta temperatura si no se diseña bien.
• Motor de inducción AC
  • Eficiencia: muy buena, ligeramente inferior en algunas zonas.
  • Pros: sin imanes, robusto, tolerante a altas temperaturas, casi nulo arrastre cuando está sin excitar.
  • Contras: puede ser más pesado para igual par; las pérdidas del rotor generan calor.
• Motor de reluctancia conmutada (SRM)
  • Pros: sin imanes, rotor simple, potencialmente barato y robusto.
  • Contras: el rizado de par y el ruido son más difíciles de domar, aunque los algoritmos de control mejoran.
• Motor de flujo axial
  • Pros: forma “pancake”, alta densidad de par, longitud corta que ayuda al empaquetado.
  • Contras: complejidad de fabricación, rutas térmicas más complicadas.
• Motores en el buje (hub motors)
  • Pros: eliminan la cadena cinemática, permiten control de par por rueda.
  • Contras: mayor masa no suspendida, exposición a golpes de carretera, retos de refrigeración.

_{Photo by Mika Baumeister on Unsplash}

Frenado regenerativo: el motor como generador

Levanta el pie del acelerador y el inversor cambia de guion. Ordena corriente para que el motor resista la rotación, convirtiendo energía cinética de vuelta en eléctrica. Esa energía fluye por el inversor hacia la batería (o, ocasionalmente, a un banco de condensadores), limitada por:

• Aceptación de la batería: temperaturas frías o un estado de carga alto reducen la aceptación de carga; el regen se limita para proteger las celdas.
• Tracción: el reparto delantero-trasero y el agarre de los neumáticos dictan cuánto deceleración puedes aplicar antes de que ABS/ESC mezcle frenada por fricción.
• Velocidad: a velocidades muy bajas, el par de regeneración cae; los frenos de fricción completan la parada.

Los sistemas bien ajustados mezclan de forma imperceptible, y la “conducción con un pedal” consiste en calibrar la respuesta del regen para que la deceleración se sienta natural y consistente.

Refrigeración: el héroe silencioso

El calor reduce la fuerza de los imanes, aumenta la resistencia y envejece el aislamiento. Los motores e inversores de VE se refrigeran a fondo:

• Refrigeración del manguito del estator: un circuito agua-glicol envuelve el estator para extraer calor justo donde el cobre se calienta más.
• Pulverización/ refrigeración por aceite directa: aceite dirigido a los extremos de las bobinas o a través de microcanales extrae calor de puntos calientes rápidamente. Algunos diseños canalizan aceite a través del rotor para refrigerar los imanes directamente.
• Camino térmico: resinas de encapsulado, forros de ranura y materiales de alta conductividad llevan el calor del cobre al manguito. Los ingenieros buscan reducir la longitud de las vueltas finales porque esos lazos no contribuyen al par pero sí generan calor.

Sensores térmicos salpican los bobinados y el estator, alimentando al controlador. Si las temperaturas suben, el inversor limita la corriente para proteger el motor. Por eso una aceleración intensa puede perder fuelle tras lanzamientos repetidos: es la gestión térmica haciendo su trabajo.

Mapas de eficiencia y por qué importan

La verdad de un motor está en su mapa de eficiencia: un gráfico de contornos de eficiencia frente a par y velocidad. Los equipos de calibración usan estos mapas para elegir puntos de operación:

• ¿Bajo velocidad y poco par, en maniobra? Mantén bajas las pérdidas por conmutación y aplica corriente suave para evitar rizado de par.
• ¿Crucero en autopista? Apunta al “punto dulce” del motor, a menudo velocidad media y par moderado, donde las pérdidas en hierro y cobre son mínimas.
• ¿Subiendo una pendiente? Prioriza margen térmico y límites de potencia de la batería.

En configuraciones multimotores, el sistema puede hacer funcionar el motor más eficiente para la carga y dejar al otro en rueda libre. Las máquinas de inducción brillan aquí porque pueden rodar libremente con arrastre mínimo cuando no están excitadas.

NVH: la potencia silenciosa exige trabajo

Los motores eléctricos son silenciosos, pero no mudos por defecto. El diseño moldea el sonido:

• Par de cogging: la interacción entre los dientes del estator y los imanes del rotor puede crear rizados. Los ingenieros sesgan las ranuras del estator o los rotores, ajustan combinaciones ranura/polo y perfilan los bordes de los imanes para suavizar el par.
• Ruido electromagnético: las armónicas de conmutación excitan el estator como un altavoz. Los patrones de modulación por vector espacial y la elección de la frecuencia de conmutación desplazan el ruido fuera del rango más sensible.
• Rutas estructurales: carcasas rígidas, colocación cuidadosa de rodamientos y soportes amortiguados aíslan el habitáculo del zumbido del motor.

Un motor bien hecho suena como un zumbido tenue y limpio bajo carga y se desvanece al fondo en crucero.

Materiales e imanes: el lado de la oferta del par

La mayoría de los PMSM usan imanes de neodimio-hierro-boro (NdFeB). Para resistencia a altas temperaturas, puede añadirse disprosio o terbio, aunque nuevas técnicas como la difusión en los límites de grano mantienen mínimos los elementos pesados. Los diseñadores se protegen contra la desimantación mediante:

• Mantener los puntos de operación por debajo de temperaturas críticas.
• Diseñar caminos de flujo que eviten puntos calientes.
• Usar mangas en el rotor o bandas de fibra de carbono para sujetar los imanes ante altas fuerzas centrífugas.

Para reducir la dependencia de tierras raras, algunos fabricantes mezclan máquinas de inducción o de reluctancia, o buscan aleaciones de imanes con menos elementos pesados. También crece el interés por imanes reciclados y cadenas de suministro de circuito cerrado.

Matices de control: saber dónde está el rotor

La posición precisa del rotor lo es todo. Las opciones incluyen:

• Resolver: analógico, robusto, ampliamente usado en automoción. Funciona en un amplio rango de temperaturas.
• Codificador: digital, alta resolución, compacto.
• Control sin sensores: el controlador estima la posición del rotor usando señales de tensión y corriente; a baja velocidad se aplican técnicas como inyección de señal de alta frecuencia. Ahorra coste y piezas, pero muchos VE mantienen un sensor por fiabilidad y rendimiento al arrancar.

Además, el software vigila:

• Eventos de sobrecorriente/sobrevoltaje.
• Desaturación en transistores.
• Fallos de aislamiento entre alta tensión y chasis.
• Límites de par ligados al agarre de los neumáticos, mezclando con control de tracción y estabilidad.

Debilitamiento de campo: estirando la parte alta

Tras la velocidad base, la fuerza contraelectromotriz del motor se acerca al límite de tensión del inversor. El debilitamiento de campo aplica Id negativa (oponiéndose al flujo) para reducir el campo magnético efectivo, manteniendo la tensión dentro de límites. El precio es menos par y más pérdida en hierro. Los motores IPM son especialmente buenos en esto gracias al par de reluctancia: una geometría que permite mantener par incluso con flujo de imán reducido.

Integración de la cadena de transmisión: del eje a la calle

La mayoría de los VE usan:

• Una caja reductora de una sola velocidad con engranajes helicoidales para silencio y eficiencia.
• Un diferencial abierto o una unidad de deslizamiento limitado controlada electrónicamente.
• En AWD con doble motor, cada eje tiene su propio e-axle; el software reparte par para tracción y eficiencia.
• Vectorización de par, ya sea con motores traseros independientes o intervenciones basadas en frenos, mejora el paso por curva y la estabilidad.

Como los motores reaccionan rápido, el control de tracción puede cortar o añadir par en decenas de milisegundos sin el ruido ni las penalizaciones de consumo de un motor de combustión.

Fiabilidad y seguridad: diseñados para durar

Los motores eléctricos son intrínsecamente de bajo mantenimiento. No hay escobillas ni conmutadores. Los elementos de servicio típicos son el aceite de la caja y ocasionalmente el refrigerante. La ingeniería de fiabilidad se centra en:

• Sistemas de aislamiento (a menudo clase H) para soportar estrés de tensión y ciclos térmicos sin descargas parciales ni tracking.
• Vida de rodamientos y mitigación de descargas eléctricas, como rodamientos cerámicos o cepillos de puesta a tierra para evitar corrientes que erosionan las pistas.
• Sellos robustos y ventilación para manejar cambios de presión y mantener la humedad fuera.
• Seguridad funcional (ISO 26262): asegurar que los comandos de par coincidan con la intención del conductor, con estados seguros ante detección de fallos.

Los inversores aportan sus propias protecciones: detección de desaturación, redundancia en drivers de puerta, condensadores del enlace CC dimensionados para corriente de rizado y contactores que aíslan el sistema de alta tensión durante mantenimiento o accidentes.

Números del mundo real: qué significan las especificaciones

Una unidad de propulsión compacta a media puede ofrecer:

• 120–220 kW de potencia pico, 60–120 kW continuos.
• 250–500 Nm de par en el motor, multiplicado por la relación para superar con creces los 2.000 Nm en las ruedas.
• 10.000–18.000 rpm de velocidad máxima.
• Eficiencias pico por encima del 95% cerca del punto dulce; a nivel de sistema (inversor más motor) en los bajos 90s a lo largo de buena parte del mapa.

Configuraciones de doble motor superan con facilidad los 300 kW combinados, con software mezclando par para control de lanzamiento y crucero eficiente haciendo descansar un eje cuando no es necesario.

Por qué SiC y 800 V importan

Mayor tensión reduce la corriente para la misma potencia, disminuyendo pérdidas en cobre y conmutación. Los dispositivos de carburo de silicio (SiC) conmutan más rápido con menores pérdidas que los IGBT tradicionales, manteniendo alta eficiencia a carga ligera y permitiendo inversores compactos. Beneficios:

• Cables y conductores más pequeños.
• Menos calor que disipar en la etapa de potencia.
• Mejor rendimiento en debilitamiento de campo debido a mayor margen de tensión disponible.

El resultado es mayor autonomía, compatibilidad con recarga más rápida y más margen para rendimiento sostenido.

Diseñar la sensación: la calibración es clave

El hardware fija los límites; el software moldea la experiencia. Buena calibración significa:

• Mapeado pedal-par lineal y predecible que varía sensiblemente por modo (Eco, Normal, Sport).
• Creep y retención en pendiente suaves y naturales en tráfico.
• Deceleración por regen consistente a lo largo de temperaturas y estados de carga, dentro de las limitaciones de la batería.
• Transiciones suaves entre intervenciones de control de tracción para que el conductor se sienta seguro, no sobresaltado.

Hecho correctamente, el coche parece leer tu mente. Ese es el trabajo invisible de miles de horas en banco de potencia, pruebas en carretera y análisis de datos.

Qué sigue en los motores para VE

Tres tendencias a seguir:

• Más e-axles integrados: motor, inversor y marcha en una sola unidad sellada, reduciendo peso y coste y simplificando el montaje.
• Refrigeración directa del cobre: estatores con microcanales y bobinados inmersos que extraen calor más rápido, elevando los límites de potencia continua.
• Diseños con menos imanes o sin imanes con estrategias de control mejoradas, reduciendo la dependencia de tierras raras sin perder suavidad.

También se esperan refinamientos continuos en NVH, opciones sensoriales sin sensores más inteligentes y un uso más extendido de flujo axial donde el beneficio de empaquetado gane peso.

La conclusión que puedes sentir desde el asiento

Pisa el acelerador y una trama de matemáticas electromagnéticas entra en acción: conmutación de silicio en microsegundos, corrientes de fase vectorizadas sincronizadas con un rotor, flujo que trabaja en silencio. La belleza de un motor EV es que la complejidad se oculta tras un movimiento sin esfuerzo. El coche arranca limpio, recupera energía limpiamente y mantiene un crucero sereno con apenas un murmullo. Debajo está una danza cuidadosamente equilibrada entre materiales, refrigeración, geometría y código —girando no solo rápido, sino con inteligencia.

External Links

Understanding How EV Motors Work - Hypercraft EV Motors Explained - Car and Driver How Electric Cars Work - Auto | HowStuffWorks Learn all you need to know about the motor of an electric car How Do All-Electric Cars Work? - Alternative Fuels Data Center