IDTechEx analiza cuatro formas de eliminar las tierras raras en los motores de vehículos eléctricos y una que aún no ha oído

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14 de agosto de 2023, 7:13 a. m. ET

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BOSTON, 14 de agosto de 2023 /PRNewswire/ -- 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), 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, y esto ha provocado una importante volatilidad de los precios en años anteriores, con un gran aumento en 2011/2012 y un gran aumento entre 2021 y 2022. Fundamentalmente, en comparación con otras tecnologías, se pueden utilizar varios métodos para eliminar el uso de tierras raras en 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 (típicamente cobre) alimentadas por una corriente eléctrica para generar un campo magnético. Este campo 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, 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 menor que las opciones PM.

Los motores de inducción han sido comunes en el mercado de vehículos eléctricos, siendo la opción principal de Tesla hasta el lanzamiento del Modelo 3 (que adoptó un diseño PM). En el mercado del automóvil, aún quedan algunos defensores, como Audi y Mercedes, pero los motores de inducción ahora se utilizan principalmente como motor secundario, utilizado para aumentar la aceleración, ya que no crean resistencia cuando no están en uso, eliminando 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 bobinado (WRSM) reemplaza los imanes del rotor con devanados de bobina que pueden alimentarse con una corriente continua para generar un campo magnético. Esto tiene la ventaja de poder controlar tanto el campo del estator como 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 en proponer esta tecnología en el Zoe, pero ahora BMW y Nissan han adoptado este diseño, y MAHLE Tier 1 ha presentado una versión con transferencia inalámbrica de potencia al rotor, eliminando las escobillas.

3. El motor de reluctancia conmutada

Los motores de reluctancia conmutada (SRM) son potencialmente los más sencillos de construir, ya que el rotor está construido en gran parte de acero. El acero del rotor tiene 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 simplicidad y confiabilidad, los SRM generalmente se han visto afectados por una menor potencia y densidad de torque junto con otros problemas, incluida la ondulación del torque 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 importantes para desarrollarlos para los vehículos eléctricos. Empresas como Turntide Technologies han agregado más polos de rotor y estator y han creado 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 que, según se dice, 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 con Bentley.

4. Materiales magnéticos alternativos

Si bien muchos fabricantes de equipos originales han reducido constantemente el contenido de tierras raras de sus motores, Tesla despertó mucho interés al decir que su sistema de propulsión 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 distintos niveles de comercialización.

El problema con los materiales magnéticos alternativos es que su rendimiento magnético es generalmente mucho peor. Por ejemplo, algunos fabricantes que fabrican motores con imanes de ferrita y tierras raras muestran una reducción de potencia del 50 al 70% para la versión de ferrita del mismo tamaño de motor, 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 se planea 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 y carbono. Si bien los esfuerzos están en marcha, los materiales con un rendimiento verdaderamente comparable aún están lejos del 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 ha presentado 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 consiste en contener los imanes de manera efectiva en el rotor; una posible solución sería utilizar 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 necesitarían 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 fase de simulación, y Tesla bien podría estar adoptando un enfoque diferente, como por ejemplo sus propios materiales magnéticos alternativos. Pero en las simulaciones, este enfoque ha demostrado una potencia similar, costos reducidos y peso reducido a expensas de un par ligeramente reducido y una pila más larga.

Conclusiones para el futuro

Cada vez se presta más atención, especialmente fuera de China, a reducir el contenido de tierras raras en los motores eléctricos. Existen 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 a otras minas que comienzan a entrar en funcionamiento en todo el mundo. Sin embargo, prevé 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 de 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 páginas de muestra descargables, visite www.IDTechEx.com/motors.

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