Han pasado 200 años desde que el científico británico Michael Faraday desarrollase el primer motor eléctrico funcional. El rotor de Faraday suponía un avance significativo para comprender la conversión de la energía eléctrica en energía mecánica, pero era primitivo y no tenía aplicaciones prácticas. Fue en la década de 1830 cuando William Sturgeon desarrolló el primer electroimán, inspirando a Thomas Davenport y Thomas Edison a perfeccionar los motores eléctricos modernos. El camino para su empleo de manera generalizada en la industria y el transporte quedaba abierto.
Si bien los motores de tracción eléctrica se desarrollaron principalmente en la década de 1800, hoy, dos siglos después, continúan haciéndolo gracias a la expansión del vehículo eléctrico, ofreciendo nuevas tecnologías que responden a una nueva oportunidad estimulada por la demanda. En los últimos años, se ha prestado más atención a los materiales utilizados para los motores eléctricos, así como a la topología subyacente.
Los objetivos de cada desarrollo son diferentes. Algunos buscan mejorar características como la potencia y la densidad de par, con tecnologías como las de flujo axial. Otros buscan la rentabilidad y la sostenibilidad, reduciendo o eliminando por completo las tierras raras. En un mundo ideal ambos propósitos podrían lograrse simultáneamente, pero, en la realidad, es necesario balancearlos. El informe de la consultora IDTechEX, “Electric Motors for Electric Vehicles 2024-2034”, profundiza en la tecnología, la demanda, la utilización de materiales y las previsiones del mercado.
El principio del fin de las tierras raras
Una pieza clave para el mercado de motores eléctricos son los materiales magnéticos. Entre 2015 y 2022, la participación de los motores de imanes permanentes (PM) en el mercado de coches eléctricos se mantuvo constantemente por encima del 75%. Sin embargo, la necesidad de utilizar tierras raras, con una cadena de suministro muy restringida a China ha provocado que los precios comenzaran a aumentar drásticamente en 2021 (tal y como lo hicieron en 2011/2012).
Varios fabricantes europeos han optado por diseños libres de estos imanes, como es el caso de los motores de rotor bobinado (corriente alterna y síncronos de excitación externa) que utilizan Renault y BMW o el uso de motores de inducción por parte de Audi. Aunque optar por el uso de imanes libres de tierras raras supone un impacto significativo en el rendimiento, la opción de otros fabricantes ha sido la reducción de su contenido con el desarrollo de materiales avanzados y el diseño optimizado del motor
Este año, Tesla ha anunciado una nueva generación de motores que definió como un una máquina PM sin tierras raras basada en materiales magnéticos alternativos como los imanes de ferrita. Sin exigir cambios significativos en el diseño, su adopción conduciría a una pérdida de potencia y par superior al 60%. Esta reducción del rendimiento podría compensarse optimizando varios aspectos del diseño. También hay fabricantes que buscan nuevas aleaciones magnéticas, como los imanes de nitruro de hierro de Niron.
IDTechEx predice que los motores PM seguirán siendo predominantes, especialmente con el dominio de China en el mercado de vehículos eléctricos. Sin embargo, vaticina que se reducirá la cantidad de tierras raras por motor y los materiales magnéticos alternativos progresarán en el mercado.
Alternativas tecnológicas: motores axiales y motores en rueda
Los motores de flujo radial son los integrados tradicionales en los vehículos eléctricos. Pero existen dos alternativas emergentes que están generando mucho interés en su primer acercamiento al mercado: los motores de flujo axial y los motores en las ruedas.
En los motores de flujo axial, el campo magnético es paralelo al eje de rotación (que es perpendicular en las máquinas de flujo radial). Los beneficios de los motores de flujo axial son una mayor potencia y densidad de par y un factor de forma muy adecuado para su integración en varios escenarios. La tecnología ha evolucionado hacia su incorporación en el mercado. Daimler adquirió YASA, una de las empresas pioneras en estos motores, para usarlos en la próxima plataforma eléctrica AMG. Además, Renault se asoció con WHYLOT para usar motores de flujo axial en sus híbridos a partir de 2025.
Los motores en las ruedas han sido la tecnología adoptada por algunas marcas. Protean es la más avanzada de todas. Dongfeng mostró el primer automóvil de pasajeros homologado propulsado por ProteanDrive (la plataforma de motor en las ruedas) para continuar en 2023 con más pruebas.
También ha sido la configuración de nuevos fabricantes como Rivian que ya comercializa la pick-up eléctrica R1T y que ha demostrado las enormes posibilidades de control que proporciona esta tecnología.
La startup israelí REE Automotive ha desarrollado una plataforma eléctrica modular basada en motores en las ruedas, una batería estructural y sistemas de control mediante cable. Los módulos REEcorner integran todos los componentes de la transmisión, el tren motriz, la suspensión y la dirección en la propia unidad. De esta manera, plataforma REEboard se convierte en un chasis eléctrico completamente plano y modular de peso reducido que ofrecerá más espacio libre para liberar el diseño de los vehículos que la empleen.
Muy similar es el sistema de módulos e-Corner que los coreanos de Hyundai han presentado a través de su empresa tecnológica Hyundai Mobis. En cada uno de ellos empaqueta los sistemas de suspensión, frenado y dirección en el interior del cubo de la rueda. De esta manera, cada una de ellas puede ser controlada de manera independiente. Externamente, un vehículo equipado con cuatro módulos e-Corner no diferirá estéticamente de uno convencional. Tampoco será diferente en el uso habitual, aunque la situación cambia cuando se trata de realizar maniobras.
Por último, está el caso de las pick-up eléctricas de la americana Lordstown, en este momento en serios problemas económicos, que también optaban por esta solución. Su único modelo presentado, una pick-up eléctrica llamada Endurance contaba con un sistema de propulsión, con tracción total, basado en motores eléctricos instalados en las ruedas.
IDTechEx augura un gran aumento en la demanda de motores de flujo axial y motores en las ruedas en ciertas categorías de vehículos, pero no prevé que vayan a desplazar por completo a las máquinas de flujo radial tradicionales en un futuro cercano.