Astemo planea un motor síncrono de reluctancia para 2030

Los motores de imanes permanentes, o motores síncronos de imanes permanentes (PMSM), son actualmente el estándar en los vehículos eléctricos. Este diseño de motor, a menudo abreviado como PSM, ofrece una alta densidad de potencia, lo que hace que las transmisiones sean más pequeñas y ligeras. Además, los PMSM son muy eficientes, lo que reduce el consumo de energía y aumenta la autonomía. El inconveniente, sin embargo, es que los imanes permanentes incrustados en el rotor requieren elementos de tierras raras como el neodimio para garantizar la estabilidad de la temperatura y reforzar el campo magnético. Esto encarece estos motores y hace que los fabricantes dependan de las cadenas de suministro de unos pocos países, sobre todo de China, que domina el mercado de los elementos de tierras raras.

Sustituir los imanes permanentes es, por tanto, el objetivo de numerosos conceptos alternativos. BMW, por ejemplo, utiliza motores síncronos de excitación externa (EESM), que incorporan un electroimán adicional en el rotor junto al del estator, lo que elimina la necesidad de elementos de tierras raras. Astemo, la empresa conjunta de transmisión eléctrica entre Honda e Hitachi, ha optado por un enfoque diferente para reducir significativamente los "riesgos de recursos".

En concreto, la empresa japonesa está desarrollando un sistema de transmisión completo. El motor de accionamiento principal, que se utiliza continuamente para la propulsión, está equipado con imanes sin elementos de tierras raras y ofrece una potencia de 180 kW. Aunque los imanes sin tierras raras, como los imanes de ferrita utilizados por Astemo, están ampliamente disponibles, sólo poseen alrededor de un tercio, o incluso menos, de la fuerza magnética de los imanes convencionales. Por tanto, para igualar el rendimiento de un motor tradicional, el motor tendría que ser aproximadamente tres veces mayor. La nueva unidad de 180 kW no es tan grande, pero su longitud activa es 30% mayor que la de un PSM de 180 kW que utilice imanes de neodimio.

El nuevo núcleo del rotor compensa los imanes de neodimio

El hecho de que el nuevo motor sea "sólo" 30% más largo -en lugar de 200%- que un PSM igual de potente se debe a su núcleo de rotor especialmente desarrollado. En lugar de un núcleo de hierro con imanes de neodimio, Astemo ha diseñado una denominada "estructura de flujo multicapa" para compensar las desventajas percibidas de los imanes de ferrita. El motor genera fuerza de rotación aprovechando las diferencias de reluctancia magnética derivadas de la forma del núcleo del rotor. La estructura especial divide la trayectoria de transmisión de la fuerza magnética en múltiples capas. Al mismo tiempo, "controlando con precisión la corriente para formar polos magnéticos dentro de la sección del núcleo del rotor, puede compensar la potente fuerza magnética generada por los imanes de neodimio", explica la empresa.

Sin embargo, la empresa japonesa también destaca por qué pasará tiempo antes de que el motor esté listo para la producción en serie. "La formación de polos magnéticos en el núcleo del rotor requiere un mayor flujo de corriente a través de las bobinas del estator (la parte estacionaria del motor). Esto supone un reto, ya que como consecuencia las bobinas se calientan más", afirma Astemo. Para solucionarlo, la empresa ha desarrollado una estructura en la que las ranuras y los extremos de las bobinas se sumergen en aceite refrigerante. Este enfoque "reduce eficazmente el calor adicional generado en el motor", según la empresa.

Astemo ha desarrollado el motor síncrono de reluctancia en dos variantes. La primera es un "motor síncrono de reluctancia asistido por imanes" con los citados imanes de ferrita y una potencia de 180 kW. Para la transmisión secundaria en un sistema de tracción total, se puede utilizar un motor de reluctancia con rotor sin imanes. Éste presenta el mismo núcleo de rotor con una "estructura de flujo multicapa" pero sin los imanes de ferrita. En esta configuración, la potencia máxima es de 135 kW, lo que da como resultado una potencia combinada del sistema de 315 kW.

"Dado que los imanes integrados en el accionamiento auxiliar pueden actuar como fuerza de frenado durante las rotaciones por inercia del rotor del accionamiento principal, esto supondría una pérdida de energía", explica Astemo. "Por lo tanto, el accionamiento auxiliar funciona sólo cuando es necesario para una asistencia de potencia de hasta 135 kW, frenando el consumo total de energía de todo el sistema de accionamiento del BEV". La aplicación práctica de los motores síncronos de reluctancia está prevista para 2030.

Por cierto, Astemo no consideró como alternativas los motores de inducción ni los de excitación externa, como los que utiliza BMW. Aunque estos motores no requieren neodimio, la empresa japonesa identifica riesgos en otros eslabones de la cadena de suministro. "Sin embargo, como éstos utilizan electroimanes para generar la fuerza magnética del rotor, requieren cantidades significativas de cobre en el rotor. Con la creciente adopción de energías renovables y vehículos eléctricos, esto supone un posible riesgo de recursos para los motores de inducción y de campo bobinado, con una posible escasez de suministro de cobre", afirma Astemo.

Fuente: Información por correo electrónico (comunicado de prensa en alemán), astemo.com