Diapositiva 1. Introducción.

            La clase desarrolla los tipos de motores eléctricos, su relación con las tierras raras, y las implicaciones en la gestión de la flota.

Diapositiva 2. Tipos de motores eléctricos, y su relación con las tierras raras.

• Historia del motor eléctrico.

            El motor eléctrico es un invento anterior al motor de combustión interna. La teoría que constituye la base de la industria moderna fue desarrollada por el físico inglés Michael Faraday. Descubrió que el magnetismo produce electricidad a través del movimiento y proporcionó las bases de la teoría del electromagnetismo.

            En 1821, Faraday construyó dos aparatos destinados a producir lo que él denominó rotación electromagnética. Posteriormente, con este nombre como título, publicó los resultados de su trabajo, el cual describe el principio de lo que hoy conocemos como motor eléctrico.

            En 1831, descubrió la inducción electromagnética, un hallazgo que sentó las bases para el desarrollo de los generadores. El primer motor de corriente continua fue fabricado y patentado por Thomas Davenport en 1837. Por otro lado, la paternidad del motor de corriente alterna es disputada entre Galileo Ferraris, Michail Ossipowitsch Doliwo-Dobrowolski y Nikola Tesla, siendo la primera patente la de Nikola Tesla en 1887.

            Los motores eléctricos se basan en el principio de la rotación electromagnética, descubierto por Faraday. El fenómeno de atracción o repulsión entre dos imanes depende de la alineación de sus polos magnéticos. En el contexto de un motor eléctrico, se emplea la electricidad para generar campos magnéticos de naturaleza opuesta entre sí. Como resultado de este proceso, la parte giratoria, denominada rotor, se desplaza en relación con la parte estática, conocida como estator.

            El rotor está equipado con un cableado, denominado bobina, cuyo campo magnético es opuesto al del estator. Esta configuración genera un magnetismo longitudinal fijo, el cual es creado mediante la utilización de inductores o imanes permanentes. De esta manera, con cada uno de los campos magnéticos opuestos, el rotor inicia su rotación dentro del estator. Sin embargo, es precisamente en este punto donde se presentan desafíos significativos.

            En el momento en el que se produzca la alineación entre los polos del rotor y el estator, el motor entrará en estado de parada. Para que el rotor mantenga su rotación en el estator, es imperativo invertir la polaridad de los imanes del rotor.

            Este resultado se logra mediante la conexión de las bobinas del rotor a un colector rotativo. Este dispositivo garantiza la estabilidad de la dirección transversal del magnetismo mientras el rotor realiza su rotación. De esta manera, los magnetismos entre el estator y el rotor nunca se alinean adecuadamente, lo que resulta en el continuo giro del rotor.

• Motor síncrono y motor asíncrono.

            En el ámbito de la tecnología eléctrica, se distinguen dos categorías principales de motores: los motores síncronos y los motores asíncronos. Ambos motores cuentan con la capacidad de operar indistintamente como motores o como generadores, lo que los convierte en una solución versátil y adaptable a diversas necesidades.

1. El motor síncrono.

            Se trata del más utilizado y de fácil comprensión. El motor está compuesto por un estator bobinado y un rotor equipado con imanes permanentes. El controlador envía tensión a las bobinas del estator, creando así un campo magnético en cada una de ellas. Cuanto más pegadas estén estas bobinas, mejor rendimiento obtendremos.

            El rotor posee su propio campo magnético. Como los polos opuestos se atraen y los diferentes se repelen, el rotor se alinea con el campo del estator. La tensión que transmite el controlador al estator es de naturaleza alterna, lo que resulta en la rotación de los campos magnéticos en su interior. Dado que el rotor se alinea con el campo del estator, que es giratorio, el rotor girará con él.

            La rapidez con la que gira el campo magnético determina la velocidad de rotación del rotor, siempre y cuando este cuente con el par necesario para hacerlo. Si se desea bloquear, simplemente se deja ese campo fijo y no se moverá.

            Este fenómeno se denomina síncrono debido a que gira a la misma velocidad que el campo electromagnético, copia el giro siempre que pueda vencer la resistencia de la carga.

2. El motor asíncrono.

            El motor asincrónico se rige por el principio de inducción mutua de Faraday. Al aplicar corriente alterna trifásica a las bobinas inductoras, se genera un campo magnético giratorio, denominado campo rotante, cuya frecuencia es equivalente a la de la corriente alterna que alimenta al motor.

            Este campo al girar alrededor del rotor en estado de reposo, inducirá unas tensiones eléctricas que generarán corrientes en el mismo. Estas, a su vez, generarán un campo magnético que replicará el movimiento del campo estatórico, produciendo así un  par motor que hará girar el rotor por el principio de inducción mutua.

            Sin embargo, es importante tener en cuenta que la inducción en el rotor solo ocurre si existe una diferencia entre las velocidades relativas del estatórico y el rotórico,

Por lo tanto, la velocidad del rotor nunca alcanzará la del campo rotante. En caso de que ambas velocidades sean iguales, no se generaría inducción y el rotor no produciría par.

            La diferencia de velocidades se denomina «deslizamiento» y se mide en términos porcentuales. Por esta razón, se denomina «asincrónicos» a los motores de inducción, ya que la velocidad rotórica difiere ligeramente de la del campo rotante.

            El deslizamiento exhibe variaciones en función de la carga mecánica aplicada al rotor, alcanzando su máximo nivel cuando se aplica la carga más elevada. No obstante, a pesar de lo anterior, el motor apenas varía su velocidad, pero el par motor y, por ende, la intensidad de corriente consumida se mantienen constantes. Por lo tanto, se puede concluir que se trata de motores de velocidad constante.

            Desde una perspectiva técnica, el motor asincrónico se define como un transformador eléctrico, cuyos bobinados del estator representan el primario y los devanados del rotor equivalen al secundario de un transformador en cortocircuito.

            Este aspecto constituye una clara ventaja para el motor en cuestión. Una tensión trifásica constante resulta suficiente para iniciar el funcionamiento del motor y mantenerlo a la velocidad óptima para su desempeño. Durante la fase de arranque, se observa una diferencia significativa en la velocidad de giro, lo que se traduce en un par motor notablemente mayor. Una vez que el motor alcanza su velocidad de trabajo, el consumo de energía es mínimo.

            El control de un motor de inducción presenta una mayor complejidad en comparación con el de imanes permanentes. El cálculo de la tensión y frecuencia requerida por el controlador se lleva a cabo mediante el uso de vectores matemáticos, lo que se conoce como «control vectorial».

• Diferencia tecnológica de los motores síncronos y asíncronos.

            Un motor eléctrico síncrono incorpora generalmente imanes permanentes compuestos por tierras raras, tales 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, prescinden de la implementación de un sistema de excitación externa y de unas escobillas, elementos necesarios para generar el correspondiente campo magnético en el rotor y propiciar su rotación cuando se expone al campo generado externamente en el estator.

            Los motores sin imanes permanentes requieren la utilización de una corriente eléctrica externa, la cual a menudo demanda un cableado de cobre, anillos rozantes y una fuente de alimentación para generar un campo magnético en el rotor. Si bien son más económicos, su eficiencia es inferior y requieren una batería de mayor capacidad, lo que reduce la autonomía.

            Ciertamente, la principal ventaja competitiva de los motores de imanes permanentes radica en su mayor eficiencia y en su menor tamaño. En lo que respecta a los motores con excitación externa, estos permiten un control preciso de la potencia del imán generado en el rotor, lo que a su vez permite una regulación óptima de los requisitos de par en cada momento. En contrapartida, los motores se vuelven más voluminosos debido a los componentes adicionales necesarios para el sistema de alimentación del campo magnético.

            La mayoría de los fabricantes optan por el uso de motores síncronos, ya sea de imanes permanentes o electroimanes. La elección entre uno y otro se determina en función de las prestaciones requeridas. En el caso del Model 3, Tesla ha optado por implementar motores con imanes permanentes, en contraste con los motores de inducción con electroimanes utilizados en los modelos Model X y Model S.

• Tipos de motores eléctricos en los vehículos eléctricos.

1. Motor asíncrono o de inducción.

            Este tipo de motor eléctrico, destinado principalmente a los vehículos, se caracteriza por el hecho de que el rotor no gira a la misma velocidad que el campo magnético generado por el estator. En otras palabras, el campo magnético siempre va unos grados por delante del rotor.

            Este tipo de motor opera mediante una corriente alterna, pudiendo ser trifásica o monofásica. En el primer caso, se generará un campo magnético rotativo (RMF), mientras que en el segundo, el campo magnético será alterno.

            Su uso se justifica por su simplicidad y bajo coste, así como por el reducido ruido y vibraciones que genera, lo que lo convierte en el motor eléctrico idóneo si se busca un vehículo con la máxima eficiencia y fiabilidad.

2. Motor síncrono de reluctancia conmutada o variable.

            Conocido como motor síncrono de reluctancia variable, este motor está provisto de un rotor con componentes metálicos en los que se genera la corriente a través de las bobinas. Estos motores ofrecen altos niveles de par y potencia, especialmente a altas velocidades, y son robustos y económicos.  Sin embargo, su eficiencia se ve comprometida a bajas revoluciones. Estos motores se caracterizan por su durabilidad y su competitividad en términos de costes de producción.

3. Motor síncrono de imanes permanentes.

            Presentan una velocidad constante en el rotor, la cual se corresponde con el campo magnético generado por el estator. Dentro de estos, se pueden distinguir dos categorías principales: El flujo radial y el flujo axial, dependiendo, en todo caso, de la posición del campo magnético de inducción.

            Su aplicación típica se encuentra en los vehículos equipados con mecánica híbrida, donde una serie de imanes, alimentados en cada fase del estator. Estos dispositivos son completamente silenciosos y robustos, y no requieren mantenimiento alguno. Además, cabe señalar que son ligeros y altamente eficientes a bajas revoluciones.

4. Motor sin escobillas de imanes permanentes.

            Utilizan corriente continua en su funcionamiento, siendo este tipo de motores comúnmente empleados en vehículos híbridos. Su funcionamiento se basa en la utilización de imanes permanentes ubicados en el rotor que se alimentan secuencialmente en cada fase del estator. Tienen un coste elevado y una reducida potencia, ofrecen mucha robustez, no requieren de su mantenimiento y no hacen ruido.

• Las tierras raras en los motores eléctricos.

            Los motores de inducción o asíncronos se caracterizan por su estructura interna, compuesta por una jaula de barras verticales o ligeramente inclinadas, unidas por anillos en ambos extremos. Estas barras están fabricadas en aluminio o cobre, dependiendo de la configuración específica del motor. El núcleo de esta jaula está fabricado con múltiples láminas de acero bajo en carbono, pues tiene mejores propiedades magnéticas.

            Con el propósito de optimizar el rendimiento, se recomienda la construcción completa del sistema en cobre. El cobre es un metal relativamente abundante, de precio contenido y que se recicla muy bien.

            En lo que respecta a los motores síncronos, es importante destacar que estos utilizan imanes permanentes basados en neodimio. Este compuesto fue desarrollado en 1983.

            Desde entonces, este compuesto de neodimio, hierro y boro (Nd2Fe14B) se ha convertido en el estándar de imanes de calidad debido a su alta concentración de campo magnético. La llegada de este material ha revolucionado el campo de los motores eléctricos. Con estos imanes altamente concentrados, se han explorado dos enfoques principales: la reducción del tamaño mientras se mantiene la potencia o la preservación de un tamaño similar con un incremento en la potencia.

            El motor de inducción no se ve afectado por cambios de temperatura, a menos que se supere la temperatura de fusión del barniz de los hilos de cobre. De lo contrario, no se esperan problemas. Si se produce un acelerón, no existe motivo de preocupación. El problema surgiría si esto ocurriese de manera constante. Los motores eléctricos de los automóviles comúnmente cuentan con sistemas de refrigeración, sin embargo, el calor generado en su interior puede ser difícil de extraer, debido a la imposibilidad de que el rotor entre en contacto con el circuito de refrigeración.

            Para un motor de imanes permanentes, el calor se erige como un desafío significativo que requiere una atención meticulosa. Es crucial destacar que la aplicación de calor a un imán puede ocasionar la pérdida de sus propiedades magnéticas. Cabe señalar que, en caso de que la temperatura sea excesivamente elevada, existe la posibilidad de que se produzca un deterioro permanente en la funcionalidad del imán. Por lo tanto, es imperativo contar con imanes que no experimenten alteraciones en su campo magnético ante aumentos en la temperatura.

            Tenemos nueva definición: La coercitividad. Este término se refiere a la capacidad intrínseca de un material para preservar sus propiedades magnéticas incluso ante aumentos significativos en la temperatura. Es sencillo no sobrepasar el límite de temperatura crítica de un imán y que este pierda sus propiedades de manera definitiva, pero mantener dichas propiedades en todo momento es una tarea más compleja. El incremento de la coercitividad de los imanes de neodimio se logra mediante la incorporación de tierras raras adicionales, tales como el terbio o el disprosio.

            Dentro del ámbito de la química inorgánica, se define como «tierras raras» al conjunto de 17 elementos químicos, incluyendo los 15 lantánidos, así como el escandio y el itrio. A pesar de su denominación, no todos ellos resultan excesivamente difíciles de encontrar. El proceso de extracción de estos minerales resulta complicado debido a su asociación con las menas y a la presencia de elementos radioactivos, lo que complica aún más las operaciones de su limpieza, que se vuelven costosas y contaminantes.

            El neodimio se encuentra entre las tierras raras más abundantes, aunque no es el caso del terbio o el disprosio. Otro aspecto relevante en relación con las tierras raras es que la mayor parte de la producción mundial se origina en China. Es interesante destacar que sus yacimientos no suelen contener elementos radioactivos, lo que los hace más competitivos en comparación con otros lugares.

            La extracción de neodimio se ha convertido en una práctica imperativa, dado su creciente valor en la industria moderna. El neodimio, anteriormente considerado un metal extraño, se ha convertido en un material estratégico de importancia creciente en diversas aplicaciones industriales y tecnológicas. Es preciso señalar que, para agravar la situación, las tierras raras presentan una alta dificultad para ser recicladas.

• Los fabricantes de vehículos están desarrollando motores eléctricos síncronos sin imanes permanentes, sin tierras raras.

            lo cual representa una innovación significativa en el sector. Sin embargo, es importante tener en cuenta que este desarrollo conlleva tres aspectos que deben ser considerados.

1. Necesitan corriente extra para alimentar el rotor.

            Si a una bobina de conductor se le aplica una corriente eléctrica, generará un campo magnético, del mismo modo que lo haría un imán, por lo que también serviría para el rotor.

            Ciertamente, en todo cambio de estado de energía se produce una pérdida. En este caso, dicha pérdida se manifiesta en las espiras del rotor. BMW ha informado que su motor exhibe un rendimiento notable, alcanzando un aprovechamiento del 93% de la energía. Este resultado plantea la interrogante de si se limita únicamente al motor o si considera las pérdidas asociadas a las bobinas del rotor.

2. Como el rotor necesita corriente eléctrica pero está girando, necesitamos escobillas para que transmitan la corriente eléctrica.

            Estas escobillas no están fabricadas con carbón, si no con metales nobles como el oro, lo que garantiza una excelente conductividad eléctrica. Con el paso del tiempo, será necesario reemplazarlas debido al desgaste inevitable que experimentarán.

3. Para generar el mismo campo magnético que un imán de neodimio, una bobina debe tener una superficie cinco veces mayor.

            Esto se traduce en que la sección de un rotor bobinado es cinco veces más grande que la de un imán permanente.

            Los motores síncronos sin tierras raras tienen una tecnología más compleja, menor eficiencia energética, son más voluminosos y más caros.  

• Por qué los motores de imanes permanentes siguen siendo la tecnología dominante.

            Existen dos factores principales que determinan la selección de la tecnología de motores.

1. El rendimiento.

            Los motores de imanes permanentes de tierras raras se caracterizan por ofrecer la mayor densidad de potencia y par, eficiencia y bajos costes de fabricación.

Ciertamente, el principal inconveniente radica en el coste de los materiales, puesto que los imanes comúnmente representan aproximadamente un tercio del coste total de los componentes del motor.

2. Coste.

            Desde su punto más alto en 2022, los precios de las tierras raras se han estabilizado, lo que ha permitido que los motores de imanes permanentes vuelvan a ser competitivos en términos de costes y que la necesidad de alternativas deje de ser tan urgente.

            A menos que se observe una mejora significativa en los imanes libres de tierras raras o un gran impulso normativo, es probable que los motores de imanes permanentes de tierras raras mantengan la mayor parte de la cuota de mercado, especialmente considerando que China es el mayor mercado de vehículos eléctricos y cuenta con menos incentivos para alejarse de las tierras raras.

• Mejora de los motores eléctricos.

            La mayoría de los fabricantes de vehículos eléctricos desarrollan sus propios motores eléctricos, lo cual sugiere la posibilidad de mejoras adicionales. En todo caso, se considera que existe la posibilidad de que se logre un avance significativo que pueda proporcionar una ventaja comercial sobre otras marcas.

            La implementación de materiales más ligeros en la fabricación de los motores, la optimización de las prestaciones del motor en función del vehículo,  el turismo, la carga pesada, el sector industrial ligero, entre otros, y las alternativas a las tierras raras son algunos ejemplos destacados de la mejora de los motores eléctricos.

            Resulta evidente que uno de los aspectos susceptibles de optimización es el relativo a la gestión energética. En un motor eléctrico, el par y la velocidad de rotación del motor determinan su consumo, mientras que la potencia máxima es necesaria para las prestaciones.

            Una gestión eficiente de dichos parámetros contribuye significativamente a prolongar la vida útil de las baterías. Por otra parte, se ha identificado un margen para la mejora en el sistema de refrigeración de los motores y baterías, especialmente cuando estos componentes son muy solicitados.

            Asimismo, se ha identificado un margen de mejora en el packaging de los motores, es decir, en su configuración. En el caso del Honda NSX, se ha implementado un enfoque innovador al incorporar dos motores eléctricos de menor tamaño en el eje delantero, en lugar de depender de un único motor.

            De este modo, la función de reparto de par y frenada regenerativa resulta notablemente más eficiente, ya que cada uno de los dos motores puede operar de manera independiente del otro. Mientras que uno envía potencia a la rueda con mayor capacidad de tracción, el otro aplica la frenada regenerativa.

• Implicaciones en la gestión de la flota.

            Las características técnicas de la batería y la autonomía son los aspectos más importantes cuando se adquiere un vehículo eléctrico.

            La batería es el componente más importante de un vehículo eléctrico, porque almacena la energía, y puede costar hasta el 30-35% del coste total del vehículo. 

            Las características técnicas y el tipo de motor eléctrico es una consideración secundaria, que incluso se pasa por alto y no le damos importancia cuando se adquiere un vehículo eléctrico.

            Además no se puede elegir el tipo de motor eléctrico, pero se recomienda las siguientes medidas cuando se adquiere un vehículo eléctrico siempre que sean posibles.  

1. Tierras raras.

            Hay que adquirir los motores eléctricos con la menor cantidad de tierras raras posible, o que no tengan tierras raras, por toda la contaminación que genera la extracción y tratamiento de las tierras raras.

2. Los motores síncronos son más eficientes que los asíncronos.

            Se recomienda los vehículos con motores síncronos que los asíncronos porque son más eficientes energéticamente.

            El rendimiento de un motor síncrono o de imanes permanentes llega al 93%, mientras que el rendimiento de un motor asíncrono llega al 85%, es una diferencia del 8%.

            La autonomía real está sobre la mitad de este valor, variando mucho de modelo a modelo.

            Con la misma capacidad de batería con un motor síncrono se recorren más kilómetros que con un motor asíncrono.

3. Los motores asíncronos son más económicos que los síncronos.

            Pero como no se pueden elegir el motor eléctrico del vehículo, no es un ventaja real, está incluido en el precio del vehículo eléctrico.

            El fabricante del vehículo elige el motor eléctrico dependiendo del uso del vehículo, por ejemplo se pueden requerir motores que ofrezcan un alto rendimiento y respuesta rápida.

4. Temperatura.

            La alta temperatura en el motor eléctrico pueden ocasionar averías.

            Arranques repetidos y muy frecuentes sin periodos de descanso, y los acelerones bruscos y repetidos en el tiempo pueden elevar progresivamente la temperatura del estator y comprometer la vida útil de los devanados del mismo, hasta originar fallas por derretimiento del aislamiento.

            Hay que impartir formación a los conductores para que no realicen arranques repetidos y muy frecuentes sin periodos de descanso, y los acelerones bruscos y repetidos en el tiempo.

Diapositiva 3. Gracias por su tiempo.

            La clase ha desarrollado los tipos de motores eléctricos, su relación con las tierras raras, y las implicaciones en la gestión de la flota, hasta pronto.