Destripando un motor eléctrico

Después de ver el vídeo de Saúl sobre el cambio de aceite de un Tesla me ha parecido interesante echar un vistazo con vosotros a las tripas de un motor eléctrico.

No, no le he desguazado el coche para abrir su motor, pero sí he abierto uno de los que tengo en mi garaje. En concreto, un motor de retrovisor, de los que ya os he hablado en esta entrada. Como dije entonces, los retrovisores llevan dos unidades de estos pequeños motores, como puede verse en esta imagen:

Motores eléctricos de un retrovisor

Cada uno de ellos tiene el tamaño que podéis apreciar aquí:

Tamaño de los motores eléctricos de un retrovisor

Y si lo abrimos, nos encontramos con un rotor formado por bobinados de cobre y un estator formado por imanes permanentes:

Motor eléctrico de un retrovisor, abierto

Como sus nombres sugieren, el estator es la parte estática y el rotor rota, apoyado sobre ambos extremos de su eje. Este tipo de pequeños motores es tan básico (tan barato) que ni siquiera requiere de rodamientos para apoyar los extremos del eje: éste simplemente descansa apoyado sobre la propia carcasa de plástico con una delgada arandela metálica como apoyo para evitar desgastes. ¿A qué llamo barato? A menos de dos euros cada unidad. Los podéis encontrar por ejemplo en Aliexpress. La mayoría son de la japonesa Mabuchi.

Y bien, ¿cómo funciona?

Todos hemos jugado con imanes, bien haciéndolos atraerse, bien haciéndolos repelerse, bien formando dibujos con virutas de hierro sobre un papel.

Virutas férricas mostrando un campo magnético

Esas líneas invisibles, que podemos observar empleando virutas férricas, son las líneas del campo magnético, propias de todo imán. Cuando acercamos otro imán, esas líneas interactúan entre ellas, fortaleciéndose o enfrentándose: los polos opuestos se atraen; los polos del mismo signo se repelen.

Hasta aquí nada que no supieran ya los griegos. Lo interesante es que podemos crear imanes artificiales para conseguir los mismos efectos (y mejorarlos) que con los materiales magnéticos: son los electroimanes.

Un electroimán es una bobina de cobre por la que hacemos pasar una corriente eléctrica.

Para amplificar el campo magnético se suele enrollar dicha bobina alrededor de un trozo de hierro, que sirve para canalizar mejor dicho campo y a la vez aumentarlo.

Cuando deja de fluir la corriente, el efecto del imán desaparece. Éste es el principio de funcionamiento de este tipo de artilugios, para recoger chatarra o vehículos en desguaces:

Volviendo a nuestro motor de retrovisor, vemos que tenemos un imán propiamente dicho, y un imán formado por una bobina de cobre (de hecho en nuestro motor hay tres bobinas, aunque lo ideal es que haya más) enrollada sobre un núcleo de metal, por la que hacemos pasar la corriente que nos proporciona una pila, a la que en el mundo de los vehículos eléctricos llamamos batería. Por tanto tenemos dos campos magnéticos con los que operar, como hemos hecho desde niños al jugar con dos imanes.

Con esta disposición, un polo del imán del estator atrae el campo magnético del rotor, y el otro polo repele a la parte contraria. Se consiguen así dos fuerzas iguales y opuestas (en verde sobre la imagen), que hacen que el eje gire (de ahí que hablemos de “par” de fuerzas). Explicar este giro sólo con palabras y sin fórmulas es un tanto farragoso: hay montones de vídeos en youtube que lo explican de forma muy gráfica, pero creo que con esta imagen queda clara cuál es la idea para conseguir el movimiento (sigamos pensando en esas líneas de campo magnético invisibles):

Por si alguien se está planteando sustituir la batería y el devanado de cobre por otro imán y crear así el movimiento perpetuo… la idea es bonita; pero imposible. Recordemos que la energía no se crea ni se destruye: se transforma.

En este caso, aportamos energía eléctrica y obtenemos energía mecánica (un eje girando). Pero si cogemos esa misma máquina eléctrica y la hacemos operar al revés, haciendo girar muy rápido su eje (es decir: le aportamos energía mecánica) obtendremos energía eléctrica. Ésta es la explicación (muy básica) del funcionamiento de la frenada “regenerativa”: la inercia del coche hace que el eje gire, sin aportar electricidad, y con un par resistente, hasta pararse (¿veis como no interesa el movimiento perpetuo?), devolviendo así una corriente que va a la batería.

Evidentemente si una máquina va a funcionar sólo como motor o sólo como generador se diseña para optimizar su funcionamiento. En este caso vemos un alternador de coche (generador), con las aletas de ventilación diseñadas para funcionar en un único sentido de giro:

Alternador

¿Y si queremos que el eje gire en sentido contrario? Pues nos basta con invertir la polaridad. Es decir: un simple conmutador (llámese interruptor, botón, palanca o como se prefiera) nos permite que lo que esté conectado al eje (pongamos las ruedas de un coche) gire en sentido contrario. Así de fácil podemos ir “marcha atrás”. ¡Sin cajas de cambio!

Leído así puede parecer un tanto misterioso y complicadísimo, pero no es nada que no se estudie antes de ir a la facultad: cuando uno va al instituto y ve que Alberto, su profesor de Física, coge un motorcillo (similar a los de un retrovisor), le enrolla una cuerda al eje y tira con fuerza de la cuerda (como arrancando un fuera borda, o como jugando con una peonza) observa que inmediatamente la pequeña bombilla que hay conectada al motorcillo se enciende. ¿Magia?

Para ver si era un truco de Alberto o si realmente funcionaba así, reproduje en casa el experimento con uno de esos motores de retrovisor. Y resultó que es verdad: con una misma máquina se puede obtener un giro aplicando electricidad (motor), o se puede obtener electricidad proporcionando un giro (generador).

Supongo que esto fue lo que me hizo acercarme a las máquinas eléctricas rotativas y empezar a soñar con coches eléctricos, aunque fueran los años de reinado de Carlos Sáinz y su Toyota Celica, y esto pesara mucho en los intereses de un adolescente loco por los coches.

Obviamente si destripamos el motor del Tesla de Saúl nos vamos a encontrar un motor algo más complejo, pero la idea viene a ser la misma. Y a diferencia de los motores de combustión interna… no, no lleva aceites.

Motor de un Tesla Model S

Con este artículo no he querido entrar en tecnicismos ni explicar las ecuaciones de Maxwell. Simplemente he querido expresar del modo más claro posible la robustez de un motor eléctrico (dos campos magnéticos interactuando); la simplicidad de estas máquinas (puede invertirse su giro cambiando la polaridad); la versatilidad que ofrece (puede ser empleado también como generador) o la facilidad de hacerse con uno para destriparlo (nos vale con desmontar cualquier viejo juguete). Y como ya adelanté en esta entrada el peor de ellos nos va a dar rendimientos por encima del 50%.

Si tú, adolescente que me estás leyendo, pretendes hacer experimentos como los que hice yo, pero con un motor de combustión interna, posiblemente necesites asaltar un desguace de coches o al menos conseguir un cortacésped o una motosierra para hacerte con uno… y ventilar muy bien tu habitación para que tus padres no le pongan fin a tu curiosidad. Lo que sí te aseguro es que a base de hacer pruebas tendrás que agenciar más de un repuesto; necesitarás algún engranaje para invertir su sentido de giro (digamos una caja de cambios); jamás podrás hacerlo funcionar como generador (llámalo bomba impulsora de gasolina mediante el giro del cigüeñal) y ni en tus mejores sueños conseguirás rozar un rendimiento del 40%.