Los motores eléctricos son un componente esencial de la electrificación del mercado automovilístico. El mercado ha dependido en gran medida de las tierras raras para los imanes permanentes utilizados en estos motores, pero, como muchos sabrán, existe un impulso para eliminar estas tierras raras debido a la volatilidad de sus precios y a su impacto medioambiental. Las tecnologías alternativas de motores pueden presentar a menudo una nueva y mayor demanda de cobre.

Sin embargo, esta tendencia puede verse compensada en cierta medida por las mejoras en la eficiencia de los bobinados y la utilización del cobre que se han observado en los últimos años. En cualquier caso, la creciente electrificación del mercado de la automoción multiplicará por 3,1 la demanda de cobre para motores de vehículos eléctricos en 2034 en comparación con 2023.

¿Dónde se utiliza el cobre?
Un motor consta de un componente fijo (estator) y un componente giratorio (rotor). En general, el estator estará formado por una pila de acero con bobinados de cobre que se utilizan para generar un campo electromagnético. Los materiales del rotor varían en función de la tecnología. Los motores de imanes permanentes incluyen imanes en el rotor, los motores de inducción incluyen barras de cobre o aluminio, los motores de rotor bobinado incluyen más bobinados de cobre y los motores de reluctancia son predominantemente de acero.

Eliminar los imanes aumenta el cobre
Los motores de inducción han pasado de ser un motor de accionamiento popular a reservarse principalmente para aplicaciones de accionamiento secundario. Dependiendo de si tienen un rotor de cobre o de aluminio, pueden aumentar el contenido de cobre de los motores en comparación con las opciones de imanes permanentes. El motor de rotor bobinado está demostrando ser la opción sin imanes por excelencia, y el uso de bobinados de cobre en el rotor aumenta significativamente el contenido de cobre del motor, con algunos ejemplos que presentan más del doble de cobre que un motor de imanes permanentes comparable.

Existen tecnologías de motor alternativas que podrían mantener el cobre similar al de los motores de imanes permanentes; por ejemplo, el rotor del motor de reluctancia es predominantemente de acero y no añade cobre ni aluminio. Sin embargo, tradicionalmente han tenido problemas de densidad de potencia, ruido acústico y eficiencia. Existen varias vías de mejora en este sentido, con varios actores trabajando en este tipo de diseño, pero aún no se ha demostrado en un coche eléctrico fabricado en serie. El motor de flujo axial más emergente presenta una densidad de potencia muy alta y, por tanto, en términos de contenido de cobre por kW de potencia, ofrece una demanda de cobre mucho menor.

Contenido relativo de cobre de los motores eléctricos utilizados en coches eléctricos. Fuente: IDTechEx

Tecnología de bobinado para reducir el cobre
Lo anterior se refiere al rotor, pero se está intentando mejorar el uso del cobre en los bobinados del estator. Tradicionalmente, estos bobinados están formados por muchos hilos redondos pequeños enrollados alrededor del estator. En 2021, los devanados tipo horquilla alcanzaron una cuota de mercado mundial en los VE similar a la de los hilos redondos y, de hecho, superaron a estos últimos en 2022. El bobinado en horquilla implica el uso de cables cuadrados/rectangulares, lo que aumenta el factor de llenado de las ranuras, aprovechando mejor el espacio disponible y reduciendo la cantidad de bobinados de cobre adicionales que quedan colgando en cada extremo del motor. Un mayor factor de llenado puede utilizarse para aumentar la cantidad de masa de cobre por motor, o un llenado más eficaz puede reducir la longitud total (y, por tanto, el contenido de cobre) del motor para obtener el mismo rendimiento.

La siguiente etapa de la evolución consiste en prebobinar estos devanados de horquilla para que cada barra no tenga que insertarse y soldarse individualmente. Esto mejora la capacidad de fabricación, permite tener más polos en el estator y reduce aún más los devanados de los extremos que sobresalen. Empresas como Schaeffler, Lucid y BorgWarner, que tiene un concepto similar llamado "bobinado en S", han demostrado este proceso.

También existe la posibilidad de sustituir el cobre por aluminio en los bobinados del estator. En general, el aluminio tiene un rendimiento volumétrico inferior, ya que requiere un mayor volumen de aluminio para obtener el mismo rendimiento que el cobre. La motivación para sustituir el cobre por aluminio es que éste es más ligero y menos costoso que el cobre. A pesar de ello, para la mayoría de las aplicaciones, IDTechEx espera que el cobre siga siendo el material principal del bobinado del estator, salvo en algunos casos específicos en los que el rendimiento volumétrico del motor no sea tan crítico.

Autor: Dr. James Edmondson, Director de Investigación de IDTechEx