Para propulsar los actuales vehículos eléctricos, lo más habitual es el uso de motores de imanes permanentes (PM) en el que estos se encargan de generar el campo magnético en el rotor. Estos motores funcionan de manera más eficiente ofreciendo una mayor densidad de potencia y par, En 2022, un estudio de IDTechEx reveló que el 82% del mercado de motores para vehículos eléctricos correspondía a motores PM.
Su inconveniente está en los materiales utilizados para fabricar los imanes: las tierras raras. Esta categoría incluye materiales como el neodimio y el disprosio, que tienen un coste elevado y una cadena de suministro limitada geográficamente. China representa la gran mayoría de la producción mundial, lo que históricamente ha provocado la volatilidad de los precios. En 2011, el país asiático restringió las exportaciones de tierras raras, lo que provocó una subida de precios del 750% y el 2.000%, respectivamente, para el neodimio y el disprosio. Hacia finales de 2020, los precios empezaron a subir de nuevo y en 2022 el precio medio fue aproximadamente 2,6 veces superior al de 2017.
Además de las preocupaciones por los costes, existen también inquietudes medioambientales. La minería de tierras raras puede producir aguas residuales que acidifican el suelo y las aguas subterráneas circundantes. Los residuos radiactivos y de metales pesados son otro subproducto potencial de la minería de tierras raras.
Varios fabricantes europeos han optado por diseños libres de estos imanes, como es el caso de los motores de rotor bobinado (corriente alterna y síncronos de excitación externa) que utilizan Renault y BMW o el uso de motores de inducción por parte de Audi. Aunque optar por el uso de imanes libres de tierras raras supone un impacto significativo en el rendimiento, la opción de otros fabricantes ha sido la reducción de su contenido con el desarrollo de materiales avanzados y el diseño optimizado del motor.
Eliminando las tierras raras
En el informe de IDTechEx Electric Motors for Electric Vehicles 2024-2034 (Motores eléctricos para vehículos eléctricos 2024-2034, esta consultora analiza diferentes tecnologías de motores en función del rendimiento, los materiales, la adopción por parte del mercado y su potencial futuro. En él se reflejan las cuatro tecnologías habituales para no tener que utilizar tierras raras en los motores eléctricos más una alternativa que puede ser transcendental en el futuro.
La arquitectura de un motor eléctrico PM consta de una parte estacionaria (estator) rodeada de bobinas metálicas (normalmente cobre) que se alimentan de una corriente eléctrica para generar el campo magnético. Este hace girar la parte interna del motor, el rotor, gracias a la presencia de los imanes permanentes.
El motor de inducción
En un motor de inducción (o asíncrono), el campo magnético giratorio producido por el estator induce corrientes en el rotor, lo que a su vez produce un campo magnético que es atraído/repelido por el campo radial de los devanados del estator. El motor de inducción utiliza barras o devanados de cobre o aluminio en el rotor. Estos motores suelen ofrecer altas potencias y densidades de par durante períodos cortos, pero pueden resultar difíciles de gestionar térmicamente. Por lo general, tienen una eficiencia más baja que las opciones de PM.
Los motores de inducción han sido relativamente comunes en la industria de los vehículos eléctricos. Tesla los utilizó en el Model S y en el Model X, pero los cambió con el lanzamiento del Model 3 que emplea motores PM. Audi y Mercedes los utilizan actualmente, en gran medida, como motores secundarios para aumentar la aceleración, ya que no generan resistencia cuando no están en uso, lo que elimina la necesidad de un desacoplador.
El motor de rotor bobinado
También conocido como motores síncrono de excitación externa (EESM), el motor síncrono de rotor devanado (WRSM) reemplaza los imanes en el rotor por devanados de bobina que se alimentan mediante corriente continua para generar un campo magnético. Su ventaja es que se puede controlar tanto el campo del estator como el del rotor. Su desventaja es el tiempo y coste necesarios para su fabricación por la presencia de estos elementos adicionales y la necesidad de escobillas para transmitir potencia al rotor. Históricamente, estos motores también han tenido menor potencia y densidad de par, pero las versiones modernas son comparables con los motores PM.
Renault fue uno de los primeros defensores de esta tecnología que implementó en el Zoe. Ahora BMW y Nissan también han adoptado este diseño. MAHLE, uno de los mayores suministradores de motores para la industria del automóvil ha presentado una versión que añade transferencia inalámbrica de energía al rotor, eliminando las escobillas.
El motor de reluctancia conmutada
Los motores de reluctancia conmutada (SRM) son, potencialmente, los más simples de construir, ya que el rotor se construye principalmente de un material electromagnético (generalmente acero). La reluctancia es la resistencia de un material al paso de un flujo magnético cuando es influenciado por un campo magnético. A diferencia de los motores comunes, que precisan excitación externa para crear los campos magnéticos, la energía se envía a los devanados del estator en lugar de a los del rotor.
El acero del rotor tiene una reluctancia baja en comparación con el aire que lo rodea, por lo que el flujo magnético viaja preferentemente a través de él, acortando el flujo de su trayectoria de flujo y girando el rotor. A pesar de su simplicidad y fiabilidad, los SRM generalmente ofrecen menor potencia y densidad de par, además de otros problemas como la ondulación del par y el ruido acústico.
Si bien los SRM se han limitado en gran medida a aplicaciones industriales o de servicio pesado, se están realizando esfuerzos significativos en su desarrollo para vehículos eléctricos. Compañías como Turntide Technologies han agregado más polos de rotor y estator y han creado sistemas de control más sofisticados para superar los problemas tradicionales. Junto a Bentley, Advanced Electric Machines, con sede en el Reino Unido, ha desarrollado un nuevo tipo de motor con un rotor segmentado, que sigue siendo sencillo de construir, pero que asegura que elimina el ruido acústico y la ondulación del par al tiempo que mejora la potencia y la densidad del mismo.
Materiales magnéticos alternativos
Si bien muchos fabricantes han tratado de reducir el contenido de tierras raras de sus motores, ha sido Tesla el que ha realizado la propuesta más interesante. En el Día del Inversor de marzo de 2023, anunció que su próxima generación de motores eléctricos no contendría materiales de tierras raras.
Hay varios proyectos en curso para desarrollar imanes libres de tierras raras que puedan competir en rendimiento magnético que se encuentran en diferentes niveles de comercialización. El problema de estos materiales alternativos es que su rendimiento magnético suele ser muy inferior. Por ejemplo, algunos fabricantes utilizan motores de imanes de ferrita y tierras raras que muestran una reducción en la potencia de un 50-70% para el mismo tamaño de motor. Para igualar el rendimiento, se necesita mucho más material magnético y/o un motor mucho más grande.
Proterial ha desarrollado imanes con propiedades magnéticas que, según afirma, "ofrecen los niveles más altos del mundo entre los imanes de ferrita". El diseño del motor solo requiere un 20% más de material magnético para mantener la misma densidad de potencia del motor. Niron Magnetics está desarrollando imanes de nitruro de hierro y sus versiones de próxima generación están planificadas para competir con el rendimiento del neodimio. PASSENGER es un proyecto europeo que desarrolla aleaciones de ferrita de estroncio y aluminio-carbono de manganeso.
El motor de ferrita de alta velocidad con un extra de optimización
Si bien hay varios proyectos en marcha, por ahora no existen materiales cuyo rendimiento sea verdaderamente comparable con los imanes de tierras raras. Sin embargo, unidos con otras modificaciones en el diseño de los motores es posible que no sea necesario alcanzar el mismo nivel de magnetización.
La inclusión de imanes de ferrita reduce significativamente el rendimiento del motor, pero la optimización de muchas otras características podría minimizar este impacto. La empresa de tecnología australiana Ultimate Transmissions presentó una patente para un diseño de motor de ferrita que podría estar relacionado con el anuncio de Tesla, eliminando por completo el uso de tierras raras en un motor PM.
En su diseño utiliza imanes de ferrita mucho más grandes y velocidades más altas (20.000 rpm) para lograr una potencia comparable a la de un motor PM de tierras raras de tamaño similar. El mayor desafío es el de contener los imanes de manera efectiva en el rotor; una posible solución sería usar una envoltura de fibra de carbono en el rotor (una tecnología que Tesla ya ha demostrado en sus vehículos Plaid). Otro desafío es que los imanes de ferrita tendrían que calentarse para un funcionamiento óptimo, el problema opuesto al que se enfrentan los imanes de neodimio.
Cabe señalar que este diseño aún se encuentra en la fase de pruebas de simulación y que Tesla podría estar adoptando una alternativa diferente basada en sus propios materiales magnéticos alternativos. Pero en las simulaciones, esta opción ha mostrado una potencia similar junto con unos costes y pesos reducidos, a expensas de una pequeña reducción de par y un tamaño ligeramente más alargado.
Conclusiones
Existe un interés cada vez mayor, especialmente fuera de China, en la reducción del contenido de tierras raras de los motores eléctricos. Hay varias estrategias, cada una con sus propias compensaciones y oportunidades para los fabricantes de motores y proveedores de materiales. IDTechEx predice que los motores PM de tierras raras seguirán siendo la tecnología dominante, en gran parte gracias al dominio de China en el mercado de vehículos eléctricos. Sin embargo, anticipa que las opciones libres de tierras raras, incluidas las mencionadas anteriormente, representarán casi el 30% del mercado en 2034.
