¿Por qué Se Cala el Motor Eléctrico?

El zumbido del motor eléctrico es una combinación de dos fuentes físicas: los tonos electromagnéticos generados por las fuerzas magnéticas dentro del motor y el sonido de conmutación de alta frecuencia del inversor; a ellos se añade la contribución mecánica del reductor de engranajes y de los rodamientos. A medida que se acelera, la altura del zumbido aumenta porque estos tonos desplazan su frecuencia de forma proporcional a las revoluciones. Los fabricantes suavizan este sonido mediante conmutación de espectro ensanchado, cancelación activa de ruido y diseño sonoro, o lo moldean de manera deliberada.

Cuando arrancas un motor de combustión interna, el origen del sonido es indiscutible: las explosiones, el escape, el movimiento mecánico. Al subirte a un vehículo eléctrico, la mayoría de los ruidos familiares desaparecen y dan paso a un zumbido agudo, tonal y de rápida subida. Ese sonido es tan característico que mucha gente asume que proviene del propio motor. En parte tienen razón; pero la parte más interesante de la historia es que una parte importante del sonido no es obra del motor, sino de la electrónica de potencia que lo alimenta. Desde el punto de vista de la ingeniería, este zumbido no es en realidad la prueba de una avería, sino la evidencia acústica de que el sistema funciona correctamente.

¿De dónde proviene el zumbido en un vehículo eléctrico?

El origen del zumbido se agrupa en tres grandes apartados. El primero es el ruido electromagnético: la corriente eléctrica que entra en el motor crea un campo magnético entre el rotor y el estator; ese campo provoca fluctuaciones en las fuerzas del entrehierro, y las fuerzas fluctuantes hacen vibrar la carcasa del motor. Toda estructura que vibra emite sonido. El carácter de este ruido es constante y tonal, porque su frecuencia viene determinada directamente por la frecuencia eléctrica de alimentación y sus múltiplos, es decir, por sus armónicos.

La segunda fuente es el inversor. La electrónica de potencia, que convierte la corriente continua de la batería en corriente alterna adecuada para el motor, funciona abriendo y cerrando los transistores a una velocidad enorme. Este proceso de conmutación genera ruido en la frecuencia de conmutación y en sus múltiplos; las mediciones muestran que este rango corresponde típicamente a la banda de 5-15 kHz. Nuestro oído es precisamente más sensible en ese rango; por eso el zumbido de un vehículo eléctrico puede resultar molesto aunque su energía acústica absoluta sea baja. Las fluctuaciones de fuerza derivadas de la conmutación también crean vibración estructural; añaden una sensación que puede percibirse junto con el sonido. (Esa sensación, de hecho, también se filtra al interior del habitáculo: los efectos de tres técnicas PWM distintas sobre el ruido, la vibración y la rigidez son medibles por separado.)

El tercer apartado es el ruido mecánico: el reductor de engranajes y los rodamientos. Los motores eléctricos, a diferencia de los motores de combustión interna, pueden alcanzar decenas de miles de revoluciones, por lo que estos componentes giran a regímenes muy elevados. En los accionamientos de imanes permanentes, el suave tono electrónico que acompaña a la velocidad proviene generalmente de la aplicación al motor de la onda de conmutación del inversor; en algunos accionamientos se percibe un conocido tono electromagnético de octavo orden, y su forma leve es completamente normal.

¿Cómo determina la frecuencia de conmutación el sonido?

Para entender la firma sonora del inversor hay que mirar la lógica del PWM - Modulación por Ancho de Pulso. Los transistores se abren y cierran a una frecuencia fija, y el voltaje medio entregado al motor se ajusta variando el tiempo de conducción (duty cycle) en cada ciclo. Lo que llega al oído es este proceso de conmutación: un zumbido de tono constante, de carácter electrónico. Este tono breve y constante que se escucha en muchos vehículos eléctricos antes de empezar a acelerar es precisamente el sonido del funcionamiento normal del circuito PWM; después, a medida que el vehículo acelera, el tono sube.

El desplazamiento del tono con las revoluciones es un resultado aritmético. La frecuencia eléctrica aplicada al motor aumenta proporcionalmente con las revoluciones y las fuerzas electromagnéticas vibran en los armónicos de esta frecuencia. Veamos un ejemplo concreto: un armónico de 24.º orden a 4500 rpm corresponde a 1800 Hz. Este tipo de componentes tonales genera ruido tanto tonal como de banda ancha a partir de las fuerzas magnéticas presentes en el entrehierro. Es decir, que el tono del sonido suba con la velocidad no es un defecto, sino una necesidad física.

Existe, desde el punto de vista de la ingeniería, una tensión entre mantener fija o variable la frecuencia de conmutación. Una frecuencia fija hace previsible el filtrado de interferencias electromagnéticas (EMI); pero provoca que un ruido tonal, agudo y molesto se quede siempre en el mismo punto. Las estrategias PWM con frecuencia de conmutación variable se utilizan para reducir tanto las pérdidas de conmutación del inversor como el ruido del sistema. Este equilibrio sigue siendo un área de desarrollo activo; los nuevos métodos que controlan dinámicamente las frecuencias de conmutación del inversor para mejorar la calidad del sonido figuran entre las soluciones técnicas publicadas.

Engranajes y rodamientos: la anatomía de la transmisión mecánica

En un vehículo eléctrico, la caja de cambios suele ser un reductor de una sola etapa, pero desde el punto de vista del ruido no es en absoluto una tarea trivial. Existen dos mecanismos principales del ruido de los engranajes: el error de transmisión y la vibración por fricción procedente de las superficies dentadas. Cuando los engranajes entran en contacto entre sí, el contacto metal-metal se combina con desviaciones a microescala de las superficies y la vibración resultante se transmite de la carcasa del reductor a la cabina. El aceite enmascara parcialmente el sonido creado por este contacto; por eso no es de extrañar que, con clima frío, al cambiar la viscosidad del aceite, el sonido sea más notorio por la mañana.

En el lado del diseño, el arma más eficaz son los engranajes helicoidales. A diferencia de los engranajes rectos, los dientes helicoidales establecen un contacto escalonado y sucesivo, y esta suavidad de transición reduce notablemente el ruido; es uno de los métodos estándar para reducir el ruido en las transmisiones de vehículos eléctricos.

Los rodamientos, por su parte, forman parte del sonido por dos razones. Mecánicamente, el origen de un silbido agudo pueden ser los rodamientos del motor o el grupo de engranajes del reductor; un aumento en el nivel de sonido o un cambio en su carácter es un buen indicador temprano de la salud de los rodamientos. Eléctricamente, en los motores accionados por inversor, la conmutación de alta frecuencia puede causar daños eléctricos en las pistas de los rodamientos, es decir, estos componentes son tanto la fuente del sonido como el tema de la historia que este cuenta. El quejido característico que emiten los motores bajo el vehículo independientemente de la carga también se incluye en esta contribución mecánica; el ruido del ventilador de refrigeración, en cambio, depende de la velocidad del motor pero es independiente de la carga.

¿Cambia el tipo de motor el carácter del sonido?

La respuesta corta: sí, en un nivel medible. El campo magnético del rotor de los motores síncronos de imanes permanentes está ya establecido por los imanes, no por la inductancia del estator; esto proporciona una mayor eficiencia y densidad de par. Gracias a que pueden generar un par constante sin fluctuaciones en el ciclo del par, estos motores pueden diseñarse muy silenciosos y con bajas vibraciones. Por otro lado, los motores de imanes permanentes deben funcionar necesariamente con inversor, es decir, el sonido de conmutación está siempre presente. En estos motores, las dos causas principales de vibración y ruido son los factores electrónicos y mecánicos; las combinaciones de polos y ranuras, es decir, la correspondencia entre el número de polos del rotor y el número de ranuras del estator, es el foco de las investigaciones de NVH.

Los motores asíncronos, en cambio, generan el campo magnético del rotor por inducción; en general son más grandes, más pesados y de menor eficiencia, pero sus costes son bajos. Su carácter de sonido también es diferente en consecuencia: pueden oírse componentes adicionales dependientes de la frecuencia de deslizamiento. El efecto del diseño del motor sobre el sonido no se limita al tipo de motor; parámetros de diseño como la inclinación del rotor, la muesca del estator y del rotor y la anchura de la abertura de la ranura determinan directamente la forma de la onda de fuerzas en el entrehierro y se consideran métodos clásicos de reducción de ruido.

Espectro ensanchado: la técnica que descompone el sonido

Una de las soluciones más elegantes para el ruido tonal causado por la conmutación es la conmutación de espectro ensanchado, cuyos fundamentos teóricos se remontan a 1992. La lógica es sencilla: se modula deliberadamente la frecuencia de conmutación dentro de una banda pequeña. Así, la energía de ruido acumulada en una frecuencia fija se distribuye en un espectro más amplio y disminuye el pico de energía de cualquier frecuencia individual. El oído percibe un tono de banda estrecha como mucho más molesto; un zumbido leve de banda ancha, en cambio, lo tolera fácilmente. La técnica también está probada en la reducción de EMI en fuentes de alimentación conmutadas; puede eliminar el ruido audible a la salida y reducirlo considerablemente a la entrada.

El lugar de esta técnica en el mundo de los VE está creciendo. En los vehículos eléctricos, las altas tensiones y la gran cantidad de chips hacen que el sistema sea especialmente sensible a la interferencia electromagnética; tecnologías de sensores inteligentes ya se han desarrollado para detectar y reducir esta sensibilidad. Los métodos de calidad de sonido que controlan dinámicamente la frecuencia de conmutación son una extensión de la misma filosofía que el spread spectrum: en lugar de un tono fijo y predecible, un ruido disperso en el espectro o posicionado de forma dinámica.

Supresión activa de ruido y diseño de sonido intencionado

También existen tecnologías que intentan eliminar el sonido por completo. El principio de la supresión activa de ruido es clásico: se generan ondas sonoras de igual amplitud pero en fase opuesta a la fuente de ruido, y las dos ondas se anulan mutuamente. En los vehículos eléctricos, la tarea de este enfoque es diferente a la de un vehículo de combustión interna. El ruido clásico del motor ya no existe; la energía acústica del ruido de alta frecuencia de los motores eléctricos es comparativamente baja. Por eso los sistemas modernos supervisan continuamente el ruido ambiental de la vía, el viento y los neumáticos que entra en la cabina y generan una onda contraria. Muchos fabricantes ofrecen soluciones de paquete en este ámbito; en algunos modelos, el diseño de sonido activo no solo suprime el ruido, sino que también añade un carácter sonoro intencionado a la cabina.

¿Y el sonido hacia el exterior? Como el ruido del motor eléctrico es bajo, a velocidades bajas los peatones pueden no escuchar la presencia del vehículo. Por ello, los sonidos de alerta artificiales diseñados para avisar a los peatones de la presencia de vehículos híbridos y eléctricos - AVAS - se han convertido en un estándar: un sonido de hover producido con altavoces a bajas velocidades, que recuerda al movimiento del aire. La UE vinculó la obligatoriedad de estos sonidos a su decisión de 2014; en Estados Unidos, el sonido artificial también es obligatorio por debajo de ciertas velocidades. El diseño de sonido evoluciona como disciplina que concilia esta obligación de seguridad con la experiencia del usuario - y aquí cada marca encuentra también la oportunidad de crear su propia firma acústica.

¿Cuándo el zumbido es normal y cuándo es un problema?

Una regla aproximada: un zumbido tonal, uniforme, que sigue a la velocidad, es normal. El tono que sube al acelerar es el desplazamiento natural de frecuencia de los armónicos electromagnéticos; un zumbido de tono fijo es el sonido de trabajo del inversor. Las siguientes situaciones sí merecen una escucha:

• Si el zumbido apareció de nuevo o subió notablemente respecto a antes,
• Si al sonido le acompaña vibración o pérdida de potencia,
• Si el carácter del sonido cambia de forma inesperada con la velocidad y la carga.

Estos síntomas apuntan a la parte mecánica - especialmente a los rodamientos y al grupo de engranajes reductores. El nivel de ruido es un medio práctico y sin coste para supervisar la salud de los rodamientos; hacer una revisión cuando el sonido cambia da la oportunidad de intervenir antes de que la avería crezca.

El zumbido no es un defecto, sino un espacio de diseño

El zumbido del motor eléctrico no es el fallo de una sola pieza; es la superposición de las contribuciones de las fuerzas electromagnéticas, la conmutación del inversor, los engranajes y los rodamientos. Cada avance en el ámbito de la ingeniería - spread spectrum, frecuencias de conmutación variables, engranajes helicoidales, cancelación activa de ruido - reduce la presión de este sonido dentro del habitáculo o lo moldea de forma deliberada. Cuando escuches el tono que se oye al acelerar en tu próximo vehículo eléctrico, ya sabrás qué estás oyendo: no es el motor, sino la firma sonora de un sistema completo.

Fuentes

• Ruido, zumbido y sobrecalentamiento del motor eléctrico: causas y soluciones
• NVH en vehículos eléctricos
• Características de vibración y ruido de un inversor para vehículos eléctricos
• Nuevo método de control de conmutación del inversor para mejorar la calidad del sonido en vehículos eléctricos
• Ruido acústico del inversor: estrategia PWM, magnetostricción y percepción en el habitáculo de los VE
• Comprensión del ruido de funcionamiento de los motores eléctricos
• Ruido en los motores eléctricos: una revisión exhaustiva
• Abordar la reducción del ruido en los VE
• Técnicas de reducción de ruido para las transmisiones de los VE
• Técnica de modulación de bajo ruido para accionamientos con inversor PWM
• Ventajas e inconvenientes de la implementación de espectro expandido
• Investigadores desarrollan una tecnología para proteger los vehículos eléctricos del ruido de los chips
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