Por qué los imanes de tierras raras importan en el diseño del motor EV

Breve explicación del surgimiento de vehículos eléctricos (EV) a nivel mundial

El mundo está en medio de una revolución del transporte. Los vehículos eléctricos (EV) ya no son solo prototipos futuristas o novedades de lujo caras; Se están convirtiendo rápidamente en el estándar para el transporte personal y comercial. Los gobiernos, los fabricantes de automóviles y los consumidores se alinean hacia un futuro más verde y más sostenible, y los EV están en el corazón de esa visión.

Solo en 2023, las ventas globales de EV cruzaron 14 millones de unidades, marcando un crecimiento interanual de más del 30%. Los analistas proyectan que para 2030, los EV podrían representar más del 60% de las ventas de vehículos nuevos en los principales mercados como Europa y China. Esta rápida adopción es impulsada por varios factores convergentes:

• Compromisos climáticos:Los países están estableciendo objetivos ambiciosos para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. Muchos han anunciado planes para prohibir las nuevas ventas de vehículos de motor de combustión interna (ICE) en la década de 2030.
• Viabilidad económica:La caída de los costos de la batería y la infraestructura de carga mejorada han hecho que la propiedad EV sea más accesible.
• Avances tecnológicos:Los avances en la química de la batería, la velocidad de carga y la eficiencia del motor han mejorado el rendimiento de EV.
• Cambiar las preferencias del consumidor:Los conductores priorizan cada vez más los paseos silenciosos, el torque instantáneo y los costos operativos más bajos, todos los sellos distintivos de los vehículos eléctricos.

Si bien las baterías EV a menudo se destacan, la tecnología de motor que conduce estos vehículos es igualmente importante. Específicamente, los imanes de tierras raras utilizadas en los motores EV son fundamentales para lograr el rendimiento, la eficiencia y la experiencia de impulso que los consumidores esperan.

Comprender los imanes de tierras raras

Para apreciar el papel de los imanes de tierras raras en los vehículos eléctricos, primero debemos entender lo que son y lo que los hace tan especiales.

Los imanes de tierras raras son imanes permanentes extremadamente poderosos hechos de aleaciones de elementos de tierras raras. Estos elementos incluyen:

• Neodimio (ND): la base más común para los imanes de alta resistencia utilizados en los EV.
• Prasodimio (PR): a veces combinado con neodimio para mejorar el rendimiento magnético.
• Disprosio (DY): agregado para mejorar la resistencia térmica.
• Terbium (TB): ofrece una tolerancia al calor aún mayor que el disprosio, aunque es más raro y más caro.

Los dos tipos principales de imanes de tierras raras son:

1. imanes de neodimio-hierro (ndfeb)

Ofrezca la mayor resistencia magnética disponible para su tamaño.

Son relativamente livianos, habilitando diseños de motores compactos.

Ampliamente utilizado en PMSM para EV.

2. imanes de Samarium-Cobalt (SMCO)

Mejor corrosión y resistencia a la temperatura que NDFEB.

Más caro, por lo que se usan en aplicaciones especializadas.

Por qué son ideales para los vehículos eléctricos:
Los imanes de tierras raras pueden producir un campo magnético muy fuerte en un pequeño volumen, lo que significa que los diseñadores de motores pueden lograr una alta densidad de par y potencia sin hacer que los motores fueran voluminosos o pesados. Esto es esencial para maximizar el rango de manejo y el rendimiento.

Por qué los imanes de tierras raras son cruciales en el diseño del motor EV

En los vehículos eléctricos, la eficiencia lo es todo. Cada vatio de energía ahorrado en el motor se traduce directamente en un rango de conducción más largo y reduce el tamaño de la batería, lo que a su vez reduce los costos y mejora el embalaje del vehículo.

Los imanes de tierras raras son cruciales porque permiten que los motores EV:

Produce un alto par a bajas velocidades sin requerir cajas de engranajes pesados.

Mantenga la eficiencia en una amplia gama de velocidades de funcionamiento, desde el tráfico de la ciudad hasta el crucero de carreteras.

Entregar aceleración suave y receptiva sin retraso.

Sea compacto y liviano, liberando espacio para pasajeros, carga o capacidad de batería adicional.

Sin imanes de tierras raras, los EV requerirían motores más grandes y más pesados o tipos de motor menos eficientes, los cuales afectarían negativamente el rendimiento y el costo. Esta es la razón por la cual casi todos los fabricantes de EV líder, desde Tesla y BYD hasta Nissan y BMW, usan imanes de tierras raras en al menos algunos de sus diseños de motores.

Motores sincrónicos de imán permanente (PMSMS) y tierras raras

Hay varias tecnologías de motor disponibles para los vehículos eléctricos, que incluyen:

• Motores de inducción: utilizados en algunos modelos Tesla; Durable y raro sin tierra pero generalmente menos eficiente.
• Motores de reticencia conmutados (SRMS): raro sin tierra y resistente, pero más ruidoso y más difícil de controlar sin problemas.
• Motores sincrónicos de imán permanente(PMSMS) - El favorito de la industria para alta eficiencia y compacidad.

PMSMS usan imanes permanentes de tierras raras en el rotor. Estos imanes crean un campo magnético fuerte y constante que interactúa con la corriente alterna en los devanados del estator para producir rotación.

Por qué PMSMS dominan el diseño del motor EV:

• Eficiencia excepcional: a menudo superior al 95% a una carga óptima.
• Densidad de gran par: ofrece una fuerte aceleración sin grandes reducciones de engranajes.
• Tamaño compacto: facilita el embalaje en vehículos donde el espacio es una prima.
• Bajo mantenimiento: menos piezas móviles en comparación con otros tipos de motores.

El habilitador clave del rendimiento de PMSM es, lo adivinó, imanes de tierras raras.

Papel de los imanes de tierras raras en PMSM: el tipo de motor más común utilizado en los EVS

En PMSMS, los imanes de tierras raras están incrustados o montados en el rotor. Su campo magnético constante significa el motor:

No requiere devanados o cepillos del rotor, reduciendo la pérdida y desgaste de energía.

Mantiene una fuerte salida de torque incluso a bajas velocidades, lo que hace que la conducción de la ciudad y el tráfico de arranque de parada sean eficientes.

Opera en silencio con una vibración mínima.

Debido a que los PMSM son tan eficientes, ayudan a extender el rango de EV, un factor importante en las decisiones de compra del consumidor. Esta es la razón por la cual los fabricantes continúan refinando la tecnología de imán de tierra rara, equilibrando el rendimiento con el costo del material y la estabilidad de la cadena de suministro.

Cómo los elementos de tierras raras como el disprosio y el terbio mejoran el rendimiento

Los motores EV de alto rendimiento enfrentan tensiones térmicas y mecánicas extremas. A medida que el rotor gira en miles de revoluciones por minuto (RPM), genera calor. Al mismo tiempo, los imanes están sujetos a campos magnéticos fluctuantes que pueden debilitarlos con el tiempo.

Agregar disprosio (DY) o terbio (TB) a los imanes de neodimio mejora su capacidad para mantener la resistencia magnética a altas temperaturas:

Disprosio: aumenta la resistencia del imán a la desmagnetización, por lo que es ideal para condiciones de alta carga y alta temperatura.

Terbium: ofrece una resistencia térmica aún mayor, útil para entornos extremos o aplicaciones EV de servicio pesado, como camiones y autobuses.

Estas mejoras permiten que los motores EV funcionen de manera consistente en condiciones exigentes, como remolque, subidas de colinas empinadas o conducción sostenida de alta velocidad.

Desafíos y preocupaciones de la cadena de suministro

Si bien los imanes de tierras raras son esenciales, vienen con desafíos que los fabricantes deben abordar:

• Concentración de suministro: más del 70% de la producción mundial de tierras raras se basa en China. Las disputas políticas o comerciales podrían interrumpir la oferta.
• Preocupaciones ambientales: la minería y la refinación de tierras raras pueden ser dañinas ambientalmente si no se manejan de manera responsable.
• Volatilidad de los precios: el costo de los elementos de tierras raras puede fluctuar enormemente en función de la demanda del mercado y los factores geopolíticos.
• Infraestructura de reciclaje limitada: si bien el reciclaje de tierras raras es técnicamente posible, la infraestructura global actual está subdesarrollada.

Para empresas como PumbaA, estos desafíos significan que las estrategias de abastecimiento y la eficiencia del material son críticos para mantener la confiabilidad del producto y la asequibilidad.

Sostenibilidad y el futuro del uso de tierras raras

La industria del EV no se está quedando quieto cuando se trata de una sostenibilidad de la tierra rara. Las innovaciones están surgiendo en varias áreas clave:

1. Iniciativas de reciclaje: las empresas están desarrollando métodos para extraer tierras raras de motores usados, discos duros y otros electrónicos.

2. Optimización de materiales: los ingenieros están diseñando motores que usan menos tierras raras mientras mantienen el rendimiento.

3. Diseños motores alternativos: algunas investigaciones se centran en motores de inducción o renuencia eficientes que no requieren tierras raras en absoluto.

4. Prácticas mineras de green: se están adoptando regulaciones ambientales más estrictas para minimizar el impacto ecológico de la extracción de tierras raras.

A largo plazo, la industria del EV tiene como objetivo crear cadenas de suministro de circuito cerrado, donde los imanes de tierras raras se recuperan y reutilizan en lugar de extraerse desde cero.

Conclusión

Los imanes de tierras raras pueden ser de tamaño pequeño, pero su impacto en el rendimiento de EV es enorme. Habilitan motores compactos, potentes y eficientes que hacen posibles vehículos eléctricos modernos.

Desde la resistencia magnética inigualable del neodimio hasta la estabilidad térmica del disprosio y la resistencia al calor de Terbium, estos materiales son la base de los motores sincrónicos del imán permanente que dominan el diseño del motor EV.

En Pumbaa, entendemos que el futuro de la movilidad EV depende no solo de la innovación de la batería sino también de la evolución continua de la tecnología motora. Es por eso que nuestras soluciones PMSM están diseñadas con imanes de tierras raras premium y un enfoque en la eficiencia, la durabilidad y la sostenibilidad.

A medida que la adopción de EV continúe aumentando, los imanes de tierras raras seguirán siendo una piedra angular del diseño motor, y Pumbaa continuará liderando el camino para ofrecer soluciones de motor EV de clase mundial.