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Qué es un motor asíncrono: la gran apuesta de Tesla y el futuro de los coches eléctricos

Juan Carlos Lezama Gonzalez | 22 Jun 2022
Tesla Model S Plaid 2021 0921 004
Tesla Model S Plaid 2021 0921 004

Mientras ahora mismo el mundo de la automoción parece dividirse entre los petrohead y los defensores de los eléctricos, lo cierto es que dentro de los eléctricos también encontraremos divisiones conforme los usuarios vayan desarrollando sus conocimientos. Y es que, al igual que tenemos los motores gasolina y los motores diésel, en el mundo de los eléctricos tenemos los motores síncronos y los motores asíncronos. Una de los principales defensoras de los motores asíncronos ha sido Tesla. Pero, ¿qué es en realidad un motor asíncrono? ¿Cómo funcionan estos motores? ¿Qué ventajas y desventajas implican? ¿Qué coches cuentan con estos motores a día de hoy?

Los motores asíncronos se han convertido en la referencia en el mundo de los coches eléctricos. Marcas como Tesla han apostado por este tipo de motores y parecen ser el futuro de la movilidad eléctrica.
El motor EQA de Mercedes utiliza un sistema de motor asíncrono.

Qué es un motor asíncrono

Un motor asíncrono es un tipo de motor eléctrico en el cual el rotor gira a una velocidad diferente a la que tiene el campo magnético del estátor. Al no estar sincronizados, se denomina motor asíncrono.

Los dos principales elementos de un motor eléctrico son el estátor y el rotor. La función de un motor es la de convertir la energía eléctrica en energía cinética o movimiento. El principio de funcionamiento de un motor eléctrico es el mismo en todos los casos. Tenemos un estátor que es siempre estático y que es la pieza "externa" del motor. Con bobinas integradas en este se genera un campo magnético. Cambiando qué bobinas se alimentan en cada momento se consigue que el campo magnético sea giratorio. El rotor es la pieza que gira físicamente, va conectado a la transmisión de las ruedas, por lo que si el rotor se mueve, el coche se mueve. El rotor está magnetizado, y sigue el campo magnético generado por el estátor.

Lo que caracteriza al motor asíncrono es que el rotor gira a una velocidad diferente que el campo magnético del estátor, y esto cambia muchísimas cosas con respecto a un motor síncrono.

Cómo funciona un motor asíncrono

Hasta ahora hemos hablado de la característica que da nombre al motor asíncrono, y es que el rotor gira a una velocidad diferente a la del campo magnético. Sin embargo, veamos por qué y cómo lo hace.

Física básica: cuando una carga eléctrica se desplaza a través de un conductor, genera un campo magnético. Por eso rodeamos el estátor de bobinas y las vamos alimentando según nuestra conveniencia para generar un campo magnético rotatorio. El rotor se moverá siguiendo el norte magnético en cada momento. Pero esto será siempre y cuando el rotor también sea magnético.

Hay varias formas de magnetizar el rotor. Podemos "llenarlo" de imanes permanentes (caros y limitados), lo que nos lleva a los motores síncronos de imanes permanentes. O podemos convertirlo en un electroimán. Como hemos visto, cuando una carga eléctrica se desplaza a través de un material conductor, genera un campo magnético. Así funciona un electroimán. Podemos poner bobinas en el rotor y alimentarlas. Así funcionan los motores síncronos de alimentación externa, pero tienen escobillas y no son tan eficientes.

O tenemos la tercera forma que es la que nos lleva al motor asíncrono. Alimentar el rotor por medio de inducción electromagnética. Seguimos con la física básica. Igual que una carga eléctrica moviéndose genera un campo magnético, un campo magnético en movimiento genera una carga eléctrica en un material conductor, y a esto lo llamamos inducción electromagnética. Por tanto, si hacemos que un campo magnético se mueva alrededor del rotor, podremos generar electricidad en este, y ya tendremos nuestro electroimán. Todo eso sin tener que instalar escobillas ni cables ni nada por el estilo. No hay contacto entre la fuente de alimentación y el rotor, solo inducción magnética.

Motor asíncrono = Motor de inducción

¿Cómo disponemos un campo magnético en movimiento alrededor del rotor? Ya lo tenemos. Eso es justo lo que genera el estátor, ¿no? Sí, con una salvedad. Si el rotor girara a la misma velocidad que el campo magnético, como ocurre con los motores síncronos, el campo magnético no estaría en movimiento real, porque estaría siempre alineado. Esto mismo sucede en la Tierra, aunque todos estamos girando a una gran velocidad, no lo percibimos porque todo a nuestro alrededor gira en esa misma velocidad.

Es por eso que en los motores asíncronos el campo magnético gira más rápido que el rotor, para estar moviéndose en todo momento alrededor del mismo, al menos de forma relativa. Con esto, produce inducción magnética, alimenta el rotor eléctricamente. Este se convierte en un electroimán, magnetizado, y sigue al campo magnético del estátor, aunque a diferente velocidad. La diferencia de velocidad es un porcentaje, y se denomina deslizamiento. El par motor depende directamente de este deslizamiento. Y podemos modificar el deslizamiento cambiando la carga eléctrica.

Debido al aprovechamiento del fenómeno de la inducción magnética estos motores son también denominados motores de inducción.

Ventajas de los motores asíncronos

No necesitamos imanes permanentes, lo que abarata los costes por esa parte, y asegura la sostenibilidad en la fabricación. De hecho, los motores asíncronos eléctricos existen desde hace muchísimo tiempo, cuando fueron inventados por Nikola Tesla. Un modelo muy utilizado es el denominado motor de jaula de ardillas, en el que el rotor es muy parecido a las ruedas diseñadas para que los roedores corran. Por otro lado, no necesitamos conectar alimentación externa al rotor, lo que elimina elementos que son susceptibles de un desgaste notable, tales como escobillas, y también reduce en cierta medida la pérdida de energía por ese lado. Son más eficientes que los motores síncronos de alimentación externa, aunque no que los motores síncronos de imanes permanentes.

Por otro lado, hace falta poca energía para arrancar el movimiento del motor, lo que ayuda a economizar el uso de energía en ciudad, por ejemplo.

Y no nos olvidamos de que es un motor fiable y con pocas vibraciones. En este sentido tiene las mismas ventajas que el motor síncrono de imanes permanentes, evitando los problemas del motor de alimentación externa, y sin el problema de sostenibilidad de los imanes.

Desventajas de los motores asíncronos

No obstante, tiene desventajas. El motor tiene que ser más grande que uno de imanes permanentes, y es algo menos eficiente que este. Esto significa que la densidad de potencia es inferior. Si necesitamos un motor pequeño en nuestro coche, porque es un compacto, o si necesitamos que consuma menos energía porque tenemos una batería más reducida, este motor tiene inconvenientes. Necesitamos una batería y un motor más grande para una autonomía o potencia similar.

Por otro lado, dar más o menos potencia a las ruedas no depende de la velocidad de giro del motor, sino de la diferencia entre las velocidades del campo magnético y el rotor. Las revoluciones de motor serán casi siempre constantes, pero si queremos más potencia, tendremos que aumentar esa diferencia de velocidad entre un elemento y otro, lo que ya hemos llamado deslizamiento. Esto se consigue aumentando la carga eléctrica, lo que a su vez conlleva un riesgo de sobrecarga, pudiendo llegar a niveles poco ideales para el ser humano en caso de avería, y también conlleva un gasto de energía superior.

Por otro lado, el deslizamiento se mueve entre un 3% y un 6%. Y en esa variación es donde tenemos que gestionar toda la diferencia de potencia del motor del mínimo al máximo. El proceso de desarrollo del motor es más complejo, pues en realidad hay que encontrar una relación entre el nivel de deslizamiento y la entrega de potencia. No obstante, una vez desarrollado el motor y estudiado su comportamiento, este conocimiento se podría replicar a todas las unidades del motor, por lo que esto no sería un problema tanto para el usuario normal como para el propio fabricante que desarrolla el motor.

Qué coches cuentan con un motor asíncrono

Los Tesla fueron precursores en el uso de estos motores asíncronos. Siempre se consideró que los motores de inducción serían una de las opciones más sostenibles, se sigue considerando que de cara al futuro será así. Aun así, las limitaciones que tenemos en capacidad de las baterías y el partido que le sacamos a la energía ahora mismo, han llevado a que el Tesla Model 3 no cuente con este motor. En cambio, el Tesla Model X y Model S sí cuentan con motor asíncrono. Y son sus versiones de doble motor las que incluyen un motor asíncrono y uno síncrono, para aprovechar las virtudes de ambos.

Eso sí, hay que decir que la norma para la mayoría de los coches eléctricos actuales que son 100% eléctricos y no son híbridos, es la de optar por motores asíncronos. Es el caso por ejemplo de Mercedes y Audi. Si bien es cierto que muchos híbridos y coches pequeños tienen motores de imanes permanentes, esta suele ser más bien una excepción que se debe a que es imprescindible sacar mucho partido a una batería pequeña o a un motor compacto. Es lo que ocurre con los coches compactos eléctricos de Volkswagen, por ejemplo.

Pero en cualquier caso, todo parece indicar que por una cuestión de sostenibilidad, lo normal es que los fabricantes opten por los coches con motores asíncronos, sobre todo si vamos mejorando el aprovechamiento de la energía que hacemos ahora mismo, y aumentamos la tensión de las baterías, lo que nos permitiría trabajar en voltajes más altos, ideales para sacar el máximo partido a un motor donde la variación de entrega de potencia depende radicalmente de la carga eléctrica que aportamos al motor. Algo que, por cierto, parece seguro de cara al futuro, cuando la mayoría de los fabricantes pasarían a trabajar con baterías de entre 800 y 900 V.