La industria del automóvil lleva años buscando una alternativa tecnológica a los motores eléctricos de imanes permanentes que generalmente están compuestos por tierras raras. La escasez de estos materiales, que en su mayoría proceden de China, y las tensiones entre el Gigante Asiático y Occidente (sobre todo Estados Unidos), están elevando su precio y por lo tanto el coste de producción de los vehículos eléctricos. Las opciones pasan por dos posibilidades. Acudir a tecnologías más complejas como los motores de jaula de ardilla o los motores de excitación externa, que no precisan de estos imanes o mantener esta tecnología y emplear combinaciones de materiales magnéticos diferentes y más abundantes en la naturaleza.
¿Por qué imanes permanentes?
El coste final de producción de un coche eléctrico depende sobre todo de los dos componentes fundamentales de su sistema de propulsión: la batería y el motor eléctrico. Años atrás la batería suponía hasta el 50% del coste total. En este escenario, y ante la imposibilidad de reducir el precio de esta, cuya tecnología se podría considerar todavía en un estado incipiente, los fabricantes decidieron abaratar el precio del tren de potencia utilizando motores eléctricos síncronos de imanes permanentes compuestos de tierras raras. Estos hicieron posibles grandes rendimientos con un tamaño reducido y, en principio, sin un coste elevado.
La guerra comercial entre China y EEUU también afecta a las tierras raras.
Sin embargo, ya en 2012 estos materiales habían comenzado a aumentar de precio por lo que la industria buscó alternativas con mayor disponibilidad y más sostenibles. En la actualidad, son dos las posibilidades que se abren para reducir la dependencia de las tierras raras. La primera, los motores eléctricos de excitación externa, que necesitan un sistema externo que cree el campo eléctrico del rotor y que sustituye a los imanes. El segundo, encontrar imanes formados por otros materiales magnéticos, o combinaciones de estos, que realicen la misma función y reduzcan al máximo la necesidad de las tierras raras.
Diferencia tecnológica
Un motor eléctrico síncrono incorpora generalmente imanes permanentes compuestos por tierras raras como el disprosio, el gadolinio o el neodimio. Estos imanes proporcionan un flujo magnético cuando se magnetizan con otro campo magnético y no pierden sus propiedades una vez que cesa la causa que provoca el magnetismo. Incrustados en el rotor del motor eliminan la necesidad de implementar un sistema de excitación externa, y de unas escobillas, necesarios para generar el correspondiente campo magnético en el rotor y hacerlo girar cuando se expone al campo generado externamente en el estátor.
Los motores sin imanes permanentes utilizan una corriente eléctrica externa, que a menudo precisa de un cableado de cobre, unos anillos rozantes y una fuente de alimentación para crear un campo magnético en el rotor. Son más baratos, pero menos eficientes y requieren una batería más grande, lo que reduce la autonomía.
Motor eléctrico de Mahle, sin imanes permanentes.
La ventaja de los motores de imanes permanentes es su mayor eficiencia, y su menor tamaño. La de los motores con excitación externa es que permiten controlar la potencia del imán que se crea en el rotor y por lo tanto los requerimientos de par en cada momento, lo que los hace más eficientes. A cambio, son motores más voluminosos por los componentes extra que supone el sistema de alimentación del campo magnético.
¿Quién está prescindiendo de los imanes permanentes?
Nissan. El tercer fabricante de automóviles más grande de Japón desarrolló, allá por 2012, un motor eléctrico que requería un 40% menos de disprosio. En 2016 amplió esa reducción y ahora asegura que su nuevo SUV eléctrico, el Nissan Ariya, prescindirá completamente de motores de imanes permanentes de tierras raras.
Tesla. En el Model S y en el Model X, el fabricante californiano ha usado siempre motores de inducción. En su caso se trataba de motores de corriente alterna asíncronos o de inducción conocidos como jaula de ardilla. En ellos, en el rotor se genera un "deslizamiento" o diferencia de velocidad respecto al estator, induciendo una corriente eléctrica en sus espiras y generando un nuevo campo magnético. El par es proporcional al deslizamiento lo que hace más complicado controlar su velocidad de rotación ya que se no comanda mediante la velocidad de rotación del estator sino a través del deslizamiento. También son menos eficientes porque la corriente que se genera en las espiras del rotor exige una pérdida de eficiencia. A cambio, el motor es muy potente y duradero ya que el rotor es muy robusto porque no necesita alimentación externa ni partes móviles.
Pero Tesla, a partir de 2017, con el lanzamiento del Model 3 sucumbió al uso de motores de imanes permanentes y el 2019 rediseño los motores del Model S y del Model X de manera que implementan dos motores, uno con imanes permanentes y otro sin ellos.
BMW. El nuevo SUV eléctrico del fabricante alemán el BMW iX3, que será lanzado este mismo año, será el primero que recurra a los motores eléctricos de quinta generación, sin imanes permanentes. Ahora son asíncronos, alimentados por corriente alterna y con excitación externa. Esta opción permite controlar el par del motor y maximizar la potencia y la eficiencia. Con estos motores BMW ha sido capaz de crear un sistema completo denominado 'Heat' muy compacto, capaz de generar potencias de hasta 250 kW (335 CV) con un peso y volumen muy reducidos. En su interior cuenta con una bobina compacta y fácil de fabricar.
BMW incorpora motores de inducción, sin imanes permanentes, en su tecnología de quinta generación.
Estos motores se pueden utilizar en cualquier configuración, tanto para modelos híbridos enchufables como para eléctricos. Estos últimos admiten además configuraciones con un único motor o con un motor en cada eje, lo que permite no solo tracción total, sino un mayor control dinámico del coche gracias a los sistemas de vectorización de par.
Renault. El fabricante francés es pionero en el empleo de motores eléctricos síncronos de excitación externa, compuesta por una fuente de alimentación y un ondulador. A través de unos anillos rozantes y unas escobillas, que no precisan de mantenimiento, no provocan chispas y no necesitan prácticamente mantenimiento, se genera el campo magnético del rotor. Esta tecnología estaba ya presente en el Renault Zoe de primera generación, lanzado en 2012.
Toyota. Los japoneses han estado trabajando en la reducción de las tierras raras de sus vehículos eléctricos, aunque su apuesta se centra en un imán que usa entre un 20% y un 50% menos de neodimio, cuyo primer prototipo fue presentado en 2018.
Volkswagen. El fabricante alemán emplea imanes permanentes en los motores de sus coches eléctricos pero asegura que tan solo emplea dos tipos de tierras raras: el terbio y el disprosio. En sus modelos eléctricos con tracción total, la empresa también ha comenzado a combinar un motor de imanes permanentes en el eje trasero y uno sin imanes en el eje delantero.
Daimler. Con la intención de eliminar el uso de tierras raras en sus coches eléctricos en un plazo medio de tiempo, el grupo alemán asegura haber reducido el uso de estos materiales en los últimos coches eléctricos lanzados por Mercedes-Benz.
