Ímãs alternativos de terras raras para motores elétricos

A mina de Bayan Obo, na Mongólia Interior, contém minerais de terras raras (Foto: Reuters)

Em sua forma mais básica, um motor elétrico possui duas partes principais: o estator e o rotor. O estator é a parte fixa que, por meio de bobinas ou ímãs, cria um campo magnético. Esse campo magnético produz uma força que faz o rotor girar.

Ao alterar constantemente a polaridade do campo magnético usando energia elétrica (lembre-se de como polos iguais se repelem?), o rotor é mantido em movimento constante. Esse movimento fornece a força motriz que pode ser usada para acionar um ventilador, uma bomba ou uma máquina.

Quanto mais forte o ímã, melhor o retorno de energia e a vida útil do motor elétrico. Minerais de terras raras, como neodímio (Nd), disprósio (Dy) e samário (Sm), são importantes, pois a adição desses materiais pode resultar em produtos mais fortes, menores, mais leves e mais eficientes do que um ímã de ferro padrão.

Fornecimento global

Os minerais de terras raras não são necessariamente raros, mas são difíceis de extrair e processar. Diferentes tipos de terras raras podem ser encontrados na maioria das regiões do mundo, mas a viabilidade da extração desses materiais precisa ser avaliada caso a caso. Devido ao alto investimento necessário e ao impacto ambiental, muitas áreas com potencial para mineração simplesmente não são aprovadas.

Mas existem exceções. Diversas empresas sediadas na China (como a China Northern Rare Earth) extraem minerais de terras raras há décadas. Essa expertise, aliada ao volume de produção, fez do país um dos principais fornecedores para o resto do mundo. Estima-se que a China atualmente extraia cerca de 70% dos minérios que contêm minerais de terras raras, além de deter ainda mais, 80% da capacidade global de processamento.

Essa dominação de mercado levou a China a implementar estratégias ligadas às exportações de terras raras. Há várias camadas de subtexto aqui, mas as exportações podem ser limitadas ou aumentadas para obter uma vantagem política e/ou econômica.

O domínio da China sobre o mercado de terras raras é tão grande que ela controla efetivamente os preços globais. Dependendo do objetivo, o governo nacional pode reduzir ou aumentar a oferta. O aumento da oferta pode levar à queda dos preços globais das terras raras, tornando menos provável a aprovação de novos projetos de mineração e possivelmente eliminando outros produtores do mercado, já que os custos de extração podem ultrapassar os valores de mercado. Por outro lado, a redução da oferta aumenta o valor do material e ajuda os produtos fabricados na China a obterem uma vantagem competitiva quando chegam ao mercado.

A MP Materials, localizada no deserto de Mojave, na Califórnia, opera a única instalação de mineração e processamento de terras raras nos Estados Unidos (Foto: Reuters).

A importância estratégica das terras raras é inegável. Como resultado da hegemonia da China, os Estados Unidos revelaram recentemente planos para criar uma zona de livre comércio para terras raras e outros minerais críticos, em um esforço para reduzir o domínio chinês no mercado.

Alternativas às terras raras

Como já foi mencionado, os minerais de terras raras produzem ímãs permanentes com propriedades muito apreciadas pelos fabricantes de motores. Os mais comuns são os ímãs de NdFeB, compostos de neodímio (um mineral de terras raras), boro e ferro.

Existem alternativas, embora apresentem desvantagens. Um exemplo são os ímãs de ferrite (também chamados de ímãs "cerâmicos" devido às semelhanças – em termos de fabricação e propriedades físicas – com os materiais cerâmicos verdadeiros), que podem ser produzidos usando óxido de ferro e bário/estrôncio – sem a necessidade de minerais de terras raras. No entanto, embora utilizem materiais baratos e amplamente disponíveis, eles oferecem uma força menor, exigindo um ímã maior para se obter o mesmo desempenho.

Os chamados ímãs de alnico, feitos de alumínio, níquel, cobalto e ferro, oferecem outra alternativa para a eliminação das terras raras. Mais fortes que os de ferrite, eles também apresentam boa estabilidade térmica. No entanto, a força magnética total é menor, e o cobalto traz seus próprios problemas em relação ao fornecimento.

A combinação de manganês com alumínio (MnAl) ou bismuto (MnBi) também pode produzir ímãs sem terras raras, mas a estabilidade e a durabilidade ainda são problemas.

Sem ímãs

Também é possível construir um motor elétrico sem ímãs permanentes. Motores de indução, de relutância ou excitados por cobre utilizam soluções que não possuem ímãs.

Em um dos casos, a BMW já utiliza motores síncronos de excitação externa (EESMs) em seus veículos elétricos. Desenvolvidos internamente e produzidos na fábrica da empresa em Steyr, Áustria (as carcaças de alumínio fundido vêm da unidade de Landshut, na Alemanha), esses "motores elétricos" estarão presentes nos sistemas de propulsão elétrica Gen6 utilizados nos futuros veículos da "Nova Classe".

“A perda de energia é reduzida em 40%, os custos em 20% e o peso em 10%. Tudo isso contribui significativamente para o aumento de aproximadamente 20% na eficiência geral do veículo”, explicou Martin Kaufmann, chefe de Desenvolvimento Global de Sistemas de Propulsão da BMW.

Os motores elétricos BMW Gen6 sem ímãs já estão em produção na fábrica de Steyr (Foto: BMW)

Em vez de ímãs permanentes, os motores EESM utilizam uma corrente contínua externa para excitar os enrolamentos de cobre ao redor do rotor, criando um campo magnético. Correntes alternadas no estator produzem um campo magnético rotativo, ao qual o rotor se alinha – daí o termo "síncrono" em seu nome. A corrente fornecida ao rotor pode ser ajustada para controlar o torque e otimizar a eficiência.

O resultado é um motor de alta eficiência que oferece um campo magnético controlável. Embora a densidade de torque seja ligeiramente inferior à de um motor que utiliza ímãs permanentes com terras raras, o sistema pode ter um custo menor se os preços das terras raras estiverem altos.

Compressão da bobina

Existem outras soluções sem ímãs. A Advanced Electric Machines, sediada no Reino Unido, desenvolveu uma série de motores destinados a aplicações rodoviárias e fora de estrada. Os motores utilizam a tecnologia de compressão de bobinas, um processo no qual as bobinas do estator são enroladas e, em seguida, comprimidas mecanicamente. Isso resulta em um fator de preenchimento muito alto para os enrolamentos, entre 60 e 85%, o que torna o motor mais eficiente em termos de produção de energia e refrigeração.

A empresa já apresentou recentemente a segunda geração do motor HDRM300C. Projetado para aplicações em veículos comerciais e de serviço pesado, o novo modelo apresenta um fator de preenchimento de ranhuras superior a 80%. Além disso, graças ao uso de enrolamentos de alumínio, os motores são totalmente recicláveis.

Os novos conectores de encaixe substituíram as antigas conexões de prensa-cabo, simplificando a instalação e a manutenção, além de maximizar a confiabilidade. O motor também conta com rolamentos e conexões de barramento aprimorados para suportar velocidades operacionais mais elevadas.

Seguindo em frente

A questão que vale bilhões de dólares é se os motores elétricos que utilizam ímãs produzidos com metais de terras raras serão substituídos por modelos que utilizam uma tecnologia sem ímãs.

Os ímãs produzidos com minerais de terras raras oferecem um desempenho muito favorável em termos de peso e tamanho. Isso, aliado ao fato de ser uma tecnologia já consolidada, significa que, embora alguns veículos leves possam optar por motores sem ímãs, a maioria provavelmente continuará utilizando essa tecnologia.

Em outros setores, o pequeno aumento no tamanho e peso dos modelos sem ímãs pode ser menos problemático, acelerando a transição para esses tipos de motor em caminhões e ônibus pesados – principalmente nestes últimos, à medida que mais cidades e municípios adotam redes de transporte com emissão zero.

Assim, o domínio da China no mercado de minerais de terras raras parece destinado a continuar. No entanto, onde a adequação do veículo e o apoio ao investimento se cruzam, existem claramente oportunidades para contornar o mercado de terras raras e beneficiar-se das vantagens relacionadas.