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 (EV), el problema ha pasado a primer plano. El 82% del mercado de automóviles eléctricos en 2022 utilizaba motores eléctricos basados en imanes permanentes de tierras raras. China controla en gran medida el suministro de tierras raras, y esto ha provocado una volatilidad significativa de los precios en años anteriores, con un gran pico en 2011/2012 y un gran aumento entre 2021 y 2022. Fundamentalmente, en comparación con otras tecnologías, se pueden usar 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 " Motores eléctricos para vehículos eléctricos 2024-2034 " de IDTechEx 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 (típicamente cobre) alimentadas por una corriente eléctrica para generar un campo magnético. Este campo luego hará girar la parte giratoria del motor (rotor). En un motor de imanes permanentes (PM) de tierras raras, los imanes están ubicados en el rotor.
1. El motor de inducción
En un motor de inducción (o motor 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 presentar una buena potencia máxima y densidad de par durante períodos cortos, pero pueden resultar difíciles de gestionar térmicamente y, por lo general, tienen una eficiencia más baja que las opciones de PM.
Los motores de inducción han sido comunes en el mercado de vehículos eléctricos, siendo la elección principal de Tesla hasta el lanzamiento del Model 3 (que adoptó un diseño PM). En el mercado de automóviles, quedan algunos defensores, como Audi y Mercedes, pero los motores de inducción ahora se utilizan en gran medida como motor secundario, utilizados para aumentar la aceleración, ya que no generan resistencia cuando no están en uso, lo que elimina la necesidad de un desacoplador.
2. El motor de rotor bobinado
También conocido como motor síncrono de excitación externa (EESM), el motor síncrono de rotor devanado (WRSM) reemplaza los imanes en el rotor con devanados de bobina 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 agregar devanados al rotor y se necesitan 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 en el Zoe, pero ahora BMW y Nissan han adoptado este diseño, y MAHLE de nivel 1 ha presentado una versión con transferencia inalámbrica de energía al rotor, eliminando las escobillas.
3. 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 acero. 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 del acero mientras intenta acortar su trayectoria de flujo, girando el rotor. A pesar de su simplicidad y confiabilidad, los SRM generalmente han estado plagados de menor potencia y densidad de par con otros problemas, incluida la ondulación del par y el ruido acústico.
Si bien los SRM se han limitado en gran medida a aplicaciones más industriales o de servicio pesado, se están realizando esfuerzos significativos para su desarrollo para vehículos eléctricos. Compañías como Turntide Technologies agregaron más polos de rotor y estator y crearon 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 un rotor segmentado que sigue siendo de construcción simple, pero se dice que elimina el ruido acústico y la ondulación del par al tiempo que mejora la potencia y la densidad del par; este diseño es el centro de un proyecto junto a Bentley.
4. Materiales magnéticos alternativos
Si bien muchos fabricantes de equipos originales han reducido constantemente el contenido de tierras raras de sus motores, Tesla ganó mucho interés al decir que su sistema de accionamiento de próxima generación será un motor PM sin tierras raras. Hay varios proyectos en curso para desarrollar imanes libres de tierras raras que puedan competir en rendimiento magnético; estos se encuentran en diferentes niveles de comercialización.
El problema con los materiales magnéticos alternativos es que su rendimiento magnético suele ser mucho peor. Por ejemplo, algunos fabricantes que fabrican motores de imanes de ferrita y tierras raras muestran una reducción en la potencia de un 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. requerido.
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. Si bien los esfuerzos están en marcha, los materiales con un rendimiento verdaderamente comparable todavía están en el futuro; sin embargo, con otros cambios en el diseño del motor, es posible que no sea necesario.
5. Un motor de ferrita de alta velocidad con más optimizaciones
Si bien 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 de tecnología australiana Ultimate Transmissions presentó una patente para un diseño de motor de ferrita que cree que podría ser una ruta que Tesla podría tomar 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 lograr una potencia comparable a la de un motor PM de tierras raras de tamaño similar. Un desafío proviene 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, pero no inalcanzable.
Cabe señalar que este diseño aún se encuentra en la 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, costos reducidos y peso reducido a expensas de un par ligeramente reducido y una pila más larga.
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| IDTechEx analiza 4 formas de eliminar las tierras raras en los motores de vehiculos eléctricos |
Conclusiones para el futuro
Hay un enfoque 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 y otras minas que comienzan a entrar en funcionamiento en todo el mundo. Sin embargo, anticipa que las opciones libres de tierras raras, incluidas las mencionadas anteriormente, representarán casi el 30% del mercado en 2034.
La última versión de IDTechEx de "Motores eléctricos para vehículos eléctricos 2024-2034" profundiza en la tecnología de motores, la adopción del mercado, la utilización de materiales y las previsiones del mercado. Se basa en una gran base de datos de vehículos y motores en todos los segmentos de vehículos, incluidos automóviles, autobuses, camiones, furgonetas, vehículos de dos y tres ruedas, microcoches y aviones.
Para obtener más información sobre este informe, incluidas las páginas de muestra descargables, visite www.IDTechEx.com/motors .
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Así,que IDTechEx analiza 4 formas de eliminar las tierras raras en los motores de vehiculos eléctricos y una que no ha escuchado
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