Desarrollo de motores eléctricos con imanes de tierras raras

En 1997, Toyota alteró el status quo al lanzar el Prius de primera generación, completo con un sistema de propulsión híbrido que utilizaba imanes de tierras raras.

Materiales como el neodimio hierro boro (NdFeB) hicieron posibles grandes beneficios de rendimiento, facilitando la creación de motores de tracción pequeños pero potentes. Sin embargo, para 2012 estos materiales habían comenzado a aumentar de precio, y la industria a su vez buscó alternativas, con más disponibilidad y sostenibilidad.

La pregunta es, ¿qué otras alternativas listas para comercializar existen para continuar produciendo transmisiones potentes y confiables?

De acuerdo a electronicdesign.com, existen cuatro tipos principales de imanes: Cerámica (ferrita), AlNiCo, Samario Cobalto (SmCo) y Neodimio (NdFeB). Este último es uno de los más utilizados en motores para vehículos híbridos y vehículos eléctricos. Los imanes de neodimio tienen una mayor remanencia, junto con una coercitividad y una producción de energía mucho más altas, pero a menudo una temperatura de Curie más baja que las alternativas.

“Se han desarrollado aleaciones especiales de imán de neodimio que incluyen terbio y disprosio con temperaturas de Curie más altas, lo que les permite tolerar temperaturas más altas de hasta 200 ° C. Debido a las propiedades de imán de tierras raras, ningún otro material de imán puede igualar su rendimiento de alta resistencia. Realmente no se pueden reemplazar los imanes de tierras raras “, dice Da Vukovich, presidente de Alliance LLC, citado en el artículo.

Además de los cuatro tipos principales de imanes enumerados anteriormente, los imanes de tierras raras se dividen en dos: Tierra rara ligera (LRE) y Tierra rara pesada (HRE). “Las reservas mundiales de tierras raras consisten en aproximadamente 85 por ciento de LRE y 15 por ciento de HRE. Estos últimos son los que proporcionan imanes clasificados a alta temperatura que son adecuados en muchas aplicaciones automotrices “, según lo expresado por electronicdesign.com.

Y la realidad es que, en 2018, el 93 por ciento de todos los vehículos eléctricos producidos en el mundo tenían un tren motriz impulsado por motores de imanes permanentes compuestos de tierras raras.

Esto supuso un aumento del uno por ciento con respecto a los datos del año anterior. Esta información, extraída de los datos de la EV Motor Power y Motor Metals Tracker La plataforma de Adamas Intelligence, muestra que esta tecnología sigue siendo la más utilizada, debido a su menor tamaño y mayor eficiencia.

Uso e historia de imanes de tierras raras

Un motor eléctrico síncrono de imán permanente incorpora imanes compuestos de tierras raras, como disprosio, gadolinio o neodimio. Gracias a ellos, las transmisiones no necesitan excitación externa, ni cepillos, para generar el campo magnético en el rotor y girarlo cuando se exponen al campo generado externamente en el estator, lo que los hace más compactos y simples.

La densidad de flujo es una propiedad de estos imanes que se utiliza para la generación de energía generada por el movimiento. Su característica principal es que, después de ser magnetizados, retienen sus líneas de flujo, similares a las baterías en las que se mueven las cargas eléctricas.

Magnetos permanentes se extendió industrialmente en la década de 1990 y se usa hoy en la mayoría de los autos eléctricos. Esta realidad, que muestran los datos de Adamas, se debe a su mayor eficiencia: hasta un 15 por ciento en relación con los motores de inducción asíncronos, alcanzando una mayor densidad de potencia disponible, tanto gravimétricamente (kW / kg) como volumétricamente (kW / cm3).

El mayor problema con este tipo de motores eléctricos es que contienen materiales exóticos, debido a su escasez y a que su origen está limitado a pocos países. Esto los hace más caros de fabricar.

Sin embargo, desde el punto de vista OEM, su mayor eficiencia permite que otro componente fundamental, la batería, sea más pequeño, reduciendo así los costos.

Adamas agrega que la demanda de motores de imanes permanentes continuará creciendo en el futuro. Pero esta tendencia podría ser revertida por el aumento en la oferta y la demanda de vehículos eléctricos, lo que está causando que el costo de las baterías por kWh disminuya más rápido de lo esperado. Esto abre la puerta al uso de motores de inducción para evitar el uso de materiales escasos procedentes de un número limitado de proveedores.

Como ejemplo, Tesla ha usado este tipo de motor en sus autos eléctricos desde el principio. BMW, en sus nuevos motores eléctricos de quinta generación, tiene la intención de abandonar los motores de imanes permanentes. Después de años de desarrollo, la empresa ha logrado un sistema muy compacto, capaz de generar hasta 250kW y, gracias a la excitación externa, también ofrece un mayor control de par, maximizando la potencia y la eficiencia.

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Nuevos motores eléctricos con menos dependencia de tierras raras.

Desde 2013, la organización de investigación alemana, Fraunhofer, ha estado evaluando la disponibilidad de tierras raras antes de la llegada de la electrificación de automóviles. La investigación ha tenido como objetivo encontrar una nueva solución para un uso más eficiente de estos materiales.

Los resultados se han presentado recientemente e incluyen una serie de procesos de producción optimizados, pautas para el reciclaje y el uso de nuevos materiales que reemplazan las tierras raras.

El instituto ha podido demostrar que la demanda actual de estos materiales, especialmente el disprosio y el neodimio, puede reducirse en un quinto aplicando las soluciones descritas en las conclusiones de su estudio.

Para la investigación, se utilizaron dos motores eléctricos sin estimulación externa, es decir, imanes permanentes de disprosio y neodimio para activar el campo magnético en el rotor del motor y provocar su rotación. Este tipo de motor eléctrico es el más utilizado hoy en día por la industria automotriz en sus vehículos eléctricos, ya que da lugar a motores muy compactos y fáciles de fabricar al no necesitar componentes eléctricos para la excitación externa del rotor. Su demanda aumentará dramáticamente como consecuencia.

Según el portavoz del proyecto, el profesor Ralf B. Wehrspohn, el objetivo inicial era reducir la necesidad del uso de tierras raras en la mitad de los dos motores del estudio. Al combinar diferentes enfoques técnicos, pudieron cumplir con este objetivo e incluso superar sus expectativas.

Según los propios investigadores, “el proyecto es único debido a su amplitud y profundidad”. La sistemática utilizada ha incluido simulaciones cuánticas por computadora, con varios tipos de materiales magnéticos, para la preparación de prototipos de imanes en su forma casi definitiva para su uso en electricidad motores También se estudió el reciclaje de tierras raras después de la fase de uso.

La organización ahora buscará colaborar con la industria para llevar los resultados al mercado.

El comienzo de esta investigación tuvo lugar después del repentino aumento en el precio de estos materiales en 2013. China, que produce y utiliza el 90 por ciento de la producción mundial, declaró la suspensión de las exportaciones, causando una crisis en el mercado. Esta situación reveló la dependencia de los mercados europeos de la industria china, por lo que los grandes consorcios de automóviles alemanes se apresuraron a encontrar una alternativa viable.

Toyota reducirá el neodimio utilizado en sus nuevos motores eléctricos

Toyota está desarrollando motores eléctricos que incluyen hasta un 50 por ciento menos de metales de tierras raras, en medio de la preocupación por la escasez de suministro, ya que los fabricantes de automóviles compiten para expandir sus líneas de vehículos eléctricos.

La firma japonesa ha creado un nuevo tipo de imán para motores que puede reducir el uso de neodimio a la mitad y al mismo tiempo eliminar otros elementos como el terbio y el disprosio. Toyota utilizará lantano y cerio, que cuestan 20 veces menos que el neodimio. El fabricante de automóviles ya tiene acuerdos con sus proveedores para fabricar los imanes.

Uno de los principales proveedores de tierras raras es China, pero las acciones de las autoridades contra la minería ilegal han afectado la producción de estos metales. Toyota tiene grandes planes en el sector eléctrico, y no puede arriesgarse a depender de metales cuya producción en masa no está garantizada.

Toyota espera que la demanda de neodimio supere la oferta a partir de 2025, momento en el cual la compañía tiene la intención de ofrecer una versión electrificada de cada vehículo en su línea. Para 2030, el fabricante de automóviles japonés tiene la intención de vender 5,5 millones de vehículos electrificados, incluidos híbridos enchufables, eléctricos y de pila de combustible.

La producción de litio y cobalto, metales utilizados en baterías de automóviles eléctricos, también representa una preocupación para los fabricantes. Tesla, por ejemplo, ha estado en conversaciones con el gobierno de Chile, uno de los principales productores mundiales de litio, para construir una planta de procesamiento de litio en la nación sudamericana. Por otro lado, Samsung SDI trabaja en el desarrollo de baterías sin cobalto, metal cuya producción también genera controversia.

La disponibilidad comprometida y la falta de sostenibilidad hacen que la industria sea menos dependiente de los imanes de tierras raras. Como hemos cubierto, el trabajo está en marcha para producir alternativas viables y sostenibles, con un suministro que seguirá siendo lo suficientemente flexible como para acomodar incluso los pronósticos de ventas de vehículos eléctricos globales más optimistas.