El uso de tierras raras en diversas tecnologías modernas ha llamado la atención a lo largo de los años. Pero con la creciente demanda de vehículos eléctricos (VE), la cuestión ha pasado a primer plano. El 82% del mercado de coches eléctricos en 2022 utilizaba motores eléctricos basados en imanes permanentes de tierras raras. China controla en gran medida el suministro de tierras raras, lo que ha provocado una importante volatilidad de los precios en años anteriores, con un gran repunte en 2011/2012 y una gran subida entre 2021-2022. Fundamentalmente, en comparación con algunas otras tecnologías, se pueden utilizar varios métodos para eliminar el uso de tierras raras en los motores eléctricos, que se describirán en este artículo junto con los pros, los contras y la adopción.

 

Este artículo se basa en el último informe de IDTechEx "Motores Eléctricos Para Vehículos Eléctricos 2024-2034", que analiza diferentes tecnologías de motores en cuanto a rendimiento, materiales, adopción en el mercado y potencial futuro.

Para describir brevemente la construcción de un motor eléctrico, una parte estacionaria (estator) tiene bobinas de metal (normalmente cobre) alimentadas por una corriente eléctrica para generar un campo magnético. Este campo hace girar la parte rotatoria del motor (rotor). En un motor de imanes permanentes (PM) de tierras raras, los imanes están situados en el rotor.

 

 

En un motor de inducción (o motor asíncrono), el campo magnético giratorio producido por el estator induce corrientes en el rotor, que a su vez produce un campo magnético que es atraído/repelido desde el campo radial de los devanados del estator. El motor de inducción utiliza barras o bobinados de cobre o aluminio en el rotor. Estos motores suelen presentar una buena potencia pico y densidad de par en periodos cortos, pero pueden resultar difíciles de gestionar térmicamente y suelen tener un rendimiento inferior al de las opciones PM.

 

Los motores de inducción han sido habituales en el mercado de los vehículos eléctricos, siendo la opción principal de Tesla hasta el lanzamiento del Modelo 3 (que adoptó un diseño PM). En el mercado automovilístico, siguen existiendo algunos defensores, como Audi y Mercedes, pero los motores de inducción se utilizan ahora en gran medida como motor secundario, empleado para potenciar la aceleración, ya que no generan resistencia cuando no están en uso, lo que elimina la necesidad de un desacoplador.

 

 

También conocido como motor síncrono de excitación externa (EESM), el motor síncrono de rotor bobinado (WRSM) sustituye los imanes del rotor por bobinas que pueden alimentarse con corriente continua para generar un campo magnético. Esto tiene la ventaja de poder controlar tanto el campo del estator como el del rotor. Las desventajas son los pasos de fabricación adicionales necesarios para añadir bobinados al rotor y que se necesitan escobillas para transmitir potencia al rotor. Históricamente, estos motores también han tenido una menor densidad de potencia y par, pero las versiones modernas son comparables a los motores PM.

 

Renault fue uno de los primeros defensores de esta tecnología en el Zoe, pero ahora BMW y Nissan han adoptado este diseño, y el Tier 1 MAHLE ha presentado una versión con transferencia inalámbrica de potencia al rotor, eliminando las escobillas.

 

 

Los motores de reluctancia conmutada (SRM) son potencialmente los más sencillos de construir, ya que el rotor está hecho en gran parte de acero. El acero del rotor tiene una baja reluctancia en comparación con el aire que lo rodea, por lo que el flujo magnético viaja preferentemente a través del acero mientras intenta acortar su trayectoria de flujo, haciendo girar el rotor. A pesar de su sencillez y fiabilidad, los SRM suelen presentar una menor densidad de potencia y par, además de otros problemas, como la ondulación del par y el ruido acústico.

 

Aunque los SRM se han limitado en gran medida a aplicaciones más industriales o pesadas, se están dedicando importantes esfuerzos a su desarrollo para vehículos eléctricos. Empresas como Turntide Technologies han añadido más polos al rotor y al estator y han ideado sistemas de control más sofisticados para superar los problemas tradicionales. Advanced Electric Machines, con sede en el Reino Unido, ha desarrollado un nuevo tipo de motor con rotor segmentado que sigue siendo sencillo en su construcción, pero del que se dice que elimina el ruido acústico y la ondulación del par al tiempo que mejora la densidad de potencia y par; este diseño es el centro de un proyecto junto a Bentley.

 

 

Mientras muchos fabricantes de equipos originales han ido reduciendo el contenido de tierras raras de sus motores, Tesla despertó mucho interés al afirmar que su sistema de propulsión de próxima generación será un motor PM sin tierras raras. Hay varios proyectos en marcha para desarrollar imanes sin tierras raras que puedan competir en rendimiento magnético; se encuentran en distintos niveles de comercialización.

 

El problema de los materiales magnéticos alternativos es que su rendimiento magnético suele ser mucho peor. Por ejemplo, algunos fabricantes que fabrican motores con imanes de ferrita y tierras raras muestran una reducción de potencia del 50-70% para la versión de ferrita del motor del mismo tamaño, lo que significa que 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 sólo requiere un 20% más de material magnético para mantener la misma densidad de potencia. Niron Magnetics está desarrollando imanes de nitruro de hierro, y está previsto que sus versiones de próxima generación compitan con el rendimiento del neodimio. PASSENGER es un proyecto europeo que desarrolla aleaciones de ferrita de estroncio y manganeso-aluminio-carbono. Aunque los esfuerzos están en marcha, los materiales con un rendimiento realmente comparable aún están lejos en el futuro; sin embargo, con otros cambios en el diseño del motor, puede que no sea necesario.

 

 

Aunque la adopción de imanes de ferrita reduciría significativamente el rendimiento del motor, la optimización de muchas otras características del motor podría minimizar este impacto. La empresa tecnológica australiana Ultimate Transmissions ha presentado una patente para un diseño de motor de ferrita que, en su opinión, podría ser una vía que Tesla podría seguir para eliminar las tierras raras en un motor PM.

 

El diseño utiliza imanes de ferrita mucho más grandes y velocidades más altas (20.000 rpm) para conseguir una potencia comparable a la de un motor PM de tierras raras de tamaño similar. Una posible solución sería envolver el rotor con fibra de carbono (una tecnología que Tesla ya ha demostrado en sus vehículos Plaid). Otro problema es que los imanes de ferrita tendrían que calentarse para un funcionamiento óptimo, lo contrario que los imanes de neodimio, pero no imposible.

 

Hay que señalar que este diseño aún está en fase de simulación, y Tesla bien podría estar adoptando un enfoque diferente, como sus propios materiales magnéticos alternativos. Pero en las simulaciones, este enfoque ha mostrado una potencia similar, costes reducidos y menor peso a expensas de un par ligeramente reducido y una pila más larga.

 

 

 

Cada vez se presta más atención, sobre todo fuera de China, a 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 los 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 los vehículos eléctricos y a otras minas que empiezan a funcionar en todo el mundo. Sin embargo, prevé que las opciones sin tierras raras, incluidas las mencionadas anteriormente, representarán casi el 30% del mercado en 2034.

 

La última iteración de IDTechEx de "Motores eléctricos para vehículos eléctricos 2024-2034" profundiza en la tecnología de los motores, la adopción del mercado, la utilización de materiales y las previsiones de mercado. Se basa en una amplia base de datos de vehículos y motores en todos los segmentos de vehículos, incluidos coches, autobuses, camiones, furgonetas, vehículos de 2 ruedas, vehículos de 3 ruedas, microcoches y aviones.

 

Para obtener más información sobre este informe, incluidas páginas de muestra descargables, visite www.IDTechEx.com/motors.