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Los imanes permanentes encarecen los motores eléctricos, y así es cómo los fabricantes hacen frente a ello

Juan Carlos Lezama Gonzalez | 26 Jun 2022
Que Son Los Imanes Permanentes
Que Son Los Imanes Permanentes

Los coches eléctricos son más caros que los coches con motor de combustión, eso es una realidad hoy por hoy. La complejidad de los motores eléctricos, y sobre todo el hecho de que es un campo que se ha desarrollado todavía menos en el mundo de la automoción, hace que el precio final de un coche eléctrico sea notablemente superior al de un coche con motor térmico. Y lo cierto es que uno de los elementos que se ha ido encareciendo con el paso del tiempo son los imanes permanentes, presentes en los motores síncronos. Pero, ¿qué son estos imanes permanentes? ¿Son tan importantes? ¿Qué están haciendo los fabricantes para hacer frente a esta cuestión?

Los imanes permanentes permiten crear motores eléctricos pequeños de buena calidad, pero el costo y la escasez de estos hace que los fabricantes tengan que buscar soluciones.
El motor de imanes permanentes del BMW i3 siempre ha destacado por su tamaño compacto.

Qué son los imanes permanentes

Los conocemos bien. Seguro que has oído hablar de los potentes imanes de neodimio. Se venden a un precio relativamente económico en apariencia. Estos son imanes permanentes, aunque no solo existen imanes de neodimio, sino también de otros minerales. Se caracterizan porque mantienen su magnetismo a lo largo del tiempo, y de ahí viene su nombre. Suele ser imanes de bastante potencia, y su uso a nivel industrial resulta muy práctico.

Los imanes permanentes en los motores

¿Qué tiene que ver un imán permanente con un motor? Si te has informado un poco sobre los motores eléctricos habrás visto que su función es la de convertir energía eléctrica en energía cinética o movimiento. Habrás visto también que cualquier motor eléctrico se compone principalmente por un estátor y un rotor. El primero se mantiene estático, pero genera un campo magnético giratorio. El segundo está rotando siguiendo a ese campo magnético. El rotor sigue al campo magnético porque también está magnetizado. Y aquí está la cuestión. Una forma sencilla de tener un rotor magnético es que cuente con un montón de imanes permanentes. Podríamos decir que de forma natural, el rotor sería magnético.

Los motores que cuentan con estos son los llamados motores síncronos de imanes permanentes. Son más pequeños que otros modelos, ofrecen un nivel de potencia y rendimiento bastante alto, y resulta fácil controlar la entrega de potencia, dado que tenemos un rotor que está girando de forma sincronizada con el campo del estátor.

Todo esto lleva a pensar en que son una opción ideal para construir los motores eléctricos, ¿verdad? Y así lo era... inicialmente.

El problema de los imanes permanentes

Aunque parece que los imanes de neodimio son muy fáciles de conseguir, pues se pueden comprar un montón a precios asequibles, lo cierto es que encontrar el neodimio de forma natural es casi imposible. Por lo general están en combinación con otros minerales, y el grado de pureza en los imanes baratos que podemos comprar no permite utilizarlo a nivel industrial. Por otro lado, no solo se utiliza el neodimio para construir imanes permanentes. Hemos utilizado la mención de este material por lo reconocido que es, pero tenemos otros elementos como el samario o el terbio, siempre en composición con elementos como el cobalto, el hierro o el níquel.

Estos elementos, el neodimio y el samario o el terbio, pertenecen al grupo de las tierras raras en la tabla periódica. Y aunque en realidad no son tan raros, lo cierto es que su obtención y conversión en un material práctico no resulta sencilla. Existe una fuerte industria de extracción y producción de estos imanes en China. Y aunque en los años 90 empezó a ser más fácil conseguir imanes permanentes, de un tiempo a esta parte, y como consecuencia de las complejas relaciones comerciales entre China y Estados Unidos y el hecho de que es un material limitado, el uso de imanes permanentes ha pasado a ser una opción poco interesante de cara al futuro.

Rotor de imanes permanentes integrado en el Porsche Taycan.

Sin imanes permanentes, ¿qué usan los fabricantes?

Aunque los imanes permanentes ofrecían originalmente una opción muy interesante a nivel tecnológico, sus complejidades a nivel de obtención hicieron que los fabricantes buscaran alternativas. El funcionamiento del motor eléctrico iba a seguir siendo el mismo, con un estátor estático que generaba un campo magnético giratorio y un rotor que lo seguía. La cuestión ahora era cómo magnetizar el rotor.

Para generar el campo magnético giratorio en el estátor se utiliza la alimentación eléctrica y diferentes bobinas ubicadas a lo largo del perímetro del motor. Controlando qué bobinas son alimentadas en cada momento se genera un campo magnético que va rotando, tal y como si fuéramos magnetizando las diferentes horas de un reloj. Esto se hace aprovechando el hecho de que cualquier material conductor, cuando es atravesado por una corriente eléctrica, genera un campo magnético.

Un rotor convertido en electroimán

Lo mismo se puede hacer en un rotor. Para magnetizarlo, solo tenemos que darle alimentación eléctrica. Hace mucho tiempo que existen estos motores eléctricos. Son los llamados motores síncronos de alimentación externa. Hemos cambiado el imán permanente por un electroimán. Todo eso está bien, pero hay varias desventajas. La primera es que tenemos que gastar energía también en alimentar el rotor, por lo que estamos perdiendo eficiencia. Recordemos que en un coche eléctrico la eficiencia lo es todo para tener una autonomía válida. La otra desventaja es que hacemos más complejo el rotor, pues tenemos que añadir las bobinas que alimentaremos eléctricamente, lo que ocupa más espacio y hace el motor más grande en términos absolutos. También añade más peso. Y no nos olvidemos, además, de que para alimentar el rotor necesitaremos conectarlo a la fuente de energía. Y el rotor está girando. Una opción son las escobillas, pero tener escobillas en contacto con el rotor produce siempre cierto frenado, y además conlleva un desgaste de estos materiales, con el consiguiente mantenimiento.

El Renault Zoe, por ejemplo, cuenta con un motor síncrono de alimentación externa, con un sistema de escobillas. La marca del rombo asegura que no es necesario un mantenimiento y que el motor tiene una vida útil tan larga como la del propio coche. En cualquier caso, aquí cada fabricante ha tenido que luchar con unos inconvenientes u otros, y solo el paso del tiempo dirá qué motor acaba siendo más efectivo y duradero.

La inducción magnética para alimentar el rotor

No obstante, no es el camino que están siguiendo todos los fabricantes. Hay quienes han optado por otro tipo de motor. Tampoco es un motor revolucionario en concepto, pues el propio Nikola Tesla ya consiguió desarrollarlo. Se trata de un motor eléctrico en el que el rotor está alimentado por medio de inducción magnética. Esto quiere decir que no hace falta que ningún elemento haga contacto con el rotor para transmitir alimentación eléctrica. Esto es gracias al fenómeno de la inducción. Cuando un campo magnético en movimiento interactúa con un circuito eléctrico conductor, produce electricidad en este. El campo magnético generado por el estátor produce electricidad en el rotor. A su vez, esta corriente eléctrica genera un campo magnético en el rotor. Hemos creado así un electroimán de nuevo, que seguirá el campo magnético del estátor.

Para que este motor funcione, el campo magnético del estátor debe estar en movimiento con respecto al rotor. Eso significa que nunca pueden sincronizarse en rotación, porque entonces el campo magnético no estaría en movimiento relativo al rotor. Por ello, se llaman motores asíncronos a los motores de inducción. La diferencia de velocidad de rotación se denomina deslizamiento. Y esta diferencia es la que determina el par motor.

Por supuesto, estos motores también tienen algunas desventajas. La primera es que controlar la velocidad y el rendimiento del vehículo en base al deslizamiento (o diferencia de velocidad rotacional entre el campo del estátor y el rotor), no resulta sencillo. Requiere de un desarrollo profundo, y por lo general ofrecen una menor potencia a nivel de rendimiento que los motores de imanes permanentes. No obstante, están siendo cada vez más frecuentes en el mundo de los coches eléctricos, y los fabricantes han encontrado formas de sacar el máximo rendimiento. La apuesta decisiva de Tesla por los motores de inducción demuestra que será la opción de futuro conforme se aprenda a sacar más partido a este tipo de configuraciones, olvidándonos así del uso excesivo de los imanes permanentes.