Los motores eléctricos son una parte esencial de nuestra vida cotidiana. Aunque suelen estar ocultos a la vista, realizan innumerables tareas que nos facilitan la vida, aumentan nuestra comodidad y nos hacen más productivos. En casa, las lavadoras, aspiradoras, microondas, secadores de pelo y muchos otros electrodomésticos dependen de motores. Los motores son igual de frecuentes en el mundo comercial y la industria, donde son componentes clave en bombas, ventiladores, ascensores y compresores de aire. Nos permiten realizar muchos trabajos, desde tareas de fuerza bruta, como empujar enormes volúmenes de líquido a través de tuberías, hasta asegurar con delicadeza que el componente electrónico más diminuto se coloque con precisión en una placa de circuito. En la actual transición hacia una economía más sostenible, los motores vuelven a estar en el centro de ese cambio, impulsando vehículos eléctricos con bombas de calor de alta eficiencia y permitiendo que los generadores de energía renovable funcionen con la mayor eficiencia posible. Casi todas las máquinas eléctricas o dispositivos con movimiento mecánico utilizan un motor para realizar su tarea.
Los motores están disponibles en una gran variedad de tamaños; por ejemplo, uno de los motores más grandes y potentes del mundo es el motor eléctrico bipolar de 105 MW que Siemens ha desarrollado para un proyecto chino de almacenamiento de energía. En el extremo opuesto, uno de los motores más pequeños del mundo es un dispositivo de 1 nm que los científicos fabricaron a partir de una sola molécula de butilmetilsulfuro.
Ser parte integrante de muchas aplicaciones significa un enorme mercado para los motores eléctricos. Según MarketsandMarkets Research, su valor fue de 134.000 millones de dólares en 2022, y se espera que esa cifra aumente a 186.000 millones de dólares en 2027, lo que supone una tasa de crecimiento anual compuesto (TCAC) del 6,8%.1 Hay miles de millones de motores en funcionamiento en todo el mundo. Encontrar una cifra global del número actual de motores eléctricos es difícil. Aun así, la UE calcula que hay ocho mil millones de motores instalados sólo en su espacio económico.2 Estos motores utilizan una cantidad asombrosa de electricidad. Se calcula que consumen hasta el 46% de la electricidad total generada en todo el mundo y casi el 70% de la electricidad utilizada en aplicaciones industriales.3 Por ello, existe un fuerte deseo de reducir la cantidad de electricidad que utilizan los motores haciendo que su funcionamiento sea más eficiente.
Se puede conseguir una mayor eficiencia en la fabricación del propio motor mediante técnicas de fabricación más precisas y materiales avanzados; los componentes de apoyo también pueden diseñarse para accionar el motor de forma más eficiente. Por ejemplo, los variadores de velocidad (VSD) y los variadores de frecuencia (VFD) adaptan la rotación del motor a las necesidades de la carga, garantizando que el sistema funcione siempre con una eficiencia óptima. Los VSD y los VFD no son tecnologías nuevas, pero se están implantando cada vez más para ahorrar energía y ofrecer ventajas adicionales, como arranque suave, mayor vida útil y análisis del rendimiento.
Los materiales avanzados que han salido al mercado hace relativamente poco, como el nitruro de galio (GaN) y el carburo de silicio (SiC), pueden suministrar potencia al motor de forma más eficiente. Estos dispositivos de potencia suelen estar respaldados por complejas tecnologías informáticas digitales para controlar con precisión el flujo de potencia al motor. El uso de estas tecnologías puede hacer que los motores eléctricos sean considerablemente más eficientes desde el punto de vista energético, reduciendo los costes de funcionamiento y mejorando al mismo tiempo el rendimiento de los sistemas.
Además, los gobiernos y las organizaciones comerciales de todo el mundo utilizan la legislación para promover el uso de motores más eficientes. Estados Unidos empezó a regular los motores eléctricos en 1992 como parte de su Ley de Política Energética. Cinco años después, el país introdujo normas de rendimiento de eficiencia mínima (MEPS) para los motores fabricados o vendidos en el mercado estadounidense para aplicaciones industriales, comerciales y residenciales. A nivel mundial, la Comisión Electrotécnica Internacional (CEI) desarrolló la norma IEC 60034-30:2008, que armonizó las clasificaciones de eficiencia de los motores fabricados y vendidos en todo el mundo. La norma se actualizó en 2014, y se introdujo la norma IEC 60034-2-1:2014 para especificar cómo determinar las eficiencias y pérdidas de los motores utilizando la metodología de ensayo establecida. Las clasificaciones de la norma van de IE1 a IE5, siendo IE1 la menos eficiente e IE5 la más eficiente.
Los órganos de gobierno han utilizado estas clasificaciones IE para imponer un nivel mínimo de eficiencia a los motores. Por ejemplo, (UE) 2019/1781, el reglamento de la UE sobre motores eléctricos y variadores de velocidad, entró en vigor el 1 de julio de 2021. Ampliaba la legislación anterior y establecía por primera vez clasificaciones para los VSD y niveles mínimos de rendimiento. Los motores que no estén exentos del reglamento tendrán que cumplir los niveles de eficiencia IE2, IE3 o IE4, según su potencia nominal y otras características. La legislación significa que la UE es el primer organismo que impone IE4 como nivel mínimo de eficiencia para los motores incluidos en el ámbito de aplicación del reglamento.
Funcionamiento y tipos de motor
En su nivel más básico, el motor eléctrico es una máquina simple que convierte la energía eléctrica en movimiento mecánico. Este proceso es posible gracias a la interacción de campos magnéticos, en los que polos opuestos se atraen y polos similares se repelen. En la mayoría de los motores, los campos magnéticos son creados por imanes permanentes y/o electroimanes. Al construir un motor eléctrico básico, el electroimán se enrolla alrededor de un núcleo en un eje situado en el centro de la construcción. El imán permanente está en el exterior de la estructura, con los polos en lados directamente opuestos.
Como se muestra en la figura 1, cuando se suministra energía al rotor, se crea un campo eléctrico, y el polo norte del electroimán es repelido por el polo norte del imán permanente mientras es atraído por su polo sur. Gira hasta coincidir con el polo opuesto del imán permanente. Cuando llega a esa posición, se invierte su alimentación, lo que también invierte el campo magnético, y el rotor es repelido por el imán que tiene cerca y atraído por el imán del lado opuesto del aparato; cuando llega allí, se invierte de nuevo la polaridad para mantener la rotación. Este tipo de dispositivo se conoce como motor de corriente continua, ya que la corriente suministrada al electroimán es de corriente continua.
La figura 2 muestra los principales componentes de un motor de CC. Los devanados del electroimán, también conocidos como inducido, forman parte de la construcción del rotor, que normalmente también contiene un núcleo, cojinetes y un eje que le permite girar libremente. Los polos norte y sur del imán permanente, respectivamente, a izquierda y derecha del rotor, constituyen el estator.
En un motor, los polos siempre van de dos en dos, y el número de polos de un motor es el número de polos magnéticos permanentes. Por tanto, en un motor de dos polos, como el de la figura 2, se utilizaría un solo imán permanente. Dependiendo del número de polos del motor, existe un compromiso entre velocidad y par. Un motor de dos polos podrá girar aproximadamente el doble de rápido que un motor de cuatro polos del mismo tamaño, pero el motor de cuatro polos tendrá más par. Un conmutador de anillo partido cambia la polaridad de la corriente cada vez que el rotor alcanza su polo opuesto. Las escobillas son contactos eléctricos que conducen la corriente desde la fuente de alimentación hasta el rotor. Los diseños de motor más sofisticados pueden utilizar un electroimán tanto en el rotor como en el estator o tener el imán permanente en el rotor y el electroimán en el estator.
La otra categoría principal de motores eléctricos es el motor de CA, que, como su nombre indica, funciona con una fuente de alimentación de CA. Los motores de CA se parecen a los de CC en que utilizan un rotor y un estator. Sin embargo, el estator tiene varias bobinas que se activan por pares en una secuencia determinada para producir un campo magnético que gira alrededor del exterior del motor. Como el estator alimenta al rotor, éste no necesita energía como en un motor de corriente continua. El campo magnético generado por el estator induce una corriente en el rotor, que, a su vez, produce su propio campo magnético que interactúa con el campo magnético del estator, haciendo que el rotor gire. El motor de CA no necesita un conmutador para cambiar el sentido de la corriente, ya que la CA cambia de polaridad de forma natural.
Los motores de CA pueden ser monofásicos o trifásicos, y los trifásicos utilizan tres corrientes de CA desfasadas entre sí en un triángulo de bobinas. En cualquier momento durante el funcionamiento, una bobina atrae al rotor, otra lo repele y otra es neutra. Como el rotor no necesita alimentación externa, los motores de CA no necesitan escobillas, lo que los hace más robustos a la vez que funcionan más fríos y silenciosos.
Tanto los motores de CA como los de CC tienen otras subdivisiones, como se muestra en la Figura 3. En artículos posteriores se darán más detalles sobre este tipo de motores, su funcionamiento y las aplicaciones en las que pueden emplearse mejor.
Comparación de prestaciones
Cada aplicación es diferente; elegir entre un motor de CA o uno de CC requiere muchas decisiones complejas, que esta guía abordará más adelante. En general, los motores de CA son más robustos y, por su modo de funcionamiento, tienen mayores niveles de par que los motores de CC. Son flexibles, con niveles de corriente de arranque controlables, y su aceleración y velocidad pueden adaptarse a las cargas más fácilmente. Los motores de CC son más fáciles de instalar y mantener. Ofrecen alta potencia y par desde el arranque y responden más rápidamente al arranque, la parada y la aceleración.
El futuro de los motores eléctricos
Los motores eléctricos han existido casi desde que la electricidad se ha aprovechado de forma fiable. Sólo 34 años separaron la invención de la pila por Alessandro Volta en 1800 y el desarrollo por Moritz Jacobi de un motor eléctrico con potencia mecánica utilizable. Desde entonces, los motores no han dejado de evolucionar para satisfacer las demandas de los usuarios. La necesidad de motores más eficientes impulsa el mercado actual y seguirá haciéndolo en un futuro a corto y medio plazo. Aunque últimamente se ha avanzado mucho para hacer más eficientes tanto los motores como los circuitos que los accionan, sigue habiendo una enorme demanda de más innovación. Por ejemplo, los fabricantes de vehículos eléctricos exigen motores más potentes y ligeros para aumentar la densidad energética y el kilometraje. En otras aplicaciones, los diseñadores quieren motores que no utilicen minerales de tierras raras en su construcción para abaratarlos y evitar los problemas que puedan surgir en la cadena de suministro. Estas demandas garantizarán que la tecnología de motores sea tan relevante como siempre y siga ampliándose en el futuro.
Fuentes
1 «Electric Motors Market Size, Share,
Industry Analysis [2022-2030],»
MarketsandMarkets, noviembre de 2024,
https://www.marketsandmarkets.com/
Market-Reports/electric-motor-marketalternative-fuel-vehicles-717.html.
2 «Electric Motors and Variable Speed
Drives», Comisión Europea, consultado en
el 26 de enero de 2024, https://commission.
europa.eu/energy-climate-changeenvironment/standards-tools-and-labels/
products-labelling-rules-and-requirements/
energy-label-and-ecodesign/energyefficient-products/electric-motorsand-variable-speed-drives_es.
3 Fluke, «New Testing Approach Matches
Real World Conditions,» Blog, 9 de mayo,
2021, https://www.fluke.com/en-us/
learn/blog/power-quality/testingmatches-real-world-conditions.
Sobre el autor: Alistair Winning
