Imanes especiales en motores para movilidad eléctrica. Incidencia del costo

 

Imanes especiales en motores para movilidad eléctrica. Incidencia del costo

 

Los motores de corriente alterna y los de corriente continua se basan en similar principio de funcionamiento, el cual establece que si un conductor, por el que circula una corriente eléctrica, se encuentra dentro de la acción de un campo magnético, éste tiende a desplazarse perpendicularmente a las líneas de acción del campo magnético.

En los motores, la electricidad crea campos magnéticos opuestos entre sí, que provocan que la parte giratoria de éste (el rotor) se mueva. El estator es el elemento que opera como base fija, permitiendo que desde ese punto se lleve a cabo la rotación del rotor. El rotor es el elemento de transferencia mecánica, ya que de él depende la conversión de energía eléctrica a mecánica.

El campo magnético estatórico o rotórico se puede obtener de dos maneras, a través de la circulación de la corriente eléctrica por un conductor  (Ørsted / Ley de Biot-Savart)  o  imanes permanentes naturales. En este artículo se hace referencia a estos últimos.

Los imanes permanentes son cuerpos que generan un campo magnético a su alrededor orientado en base a dos polos: negativo (Sur) y positivo (Norte).

La unidad de medida en el Sistema Internacional (SI)  para el campo magnético es el Tesla, mientras que la unidad para el flujo magnético es el Weber; 1 tesla es 1 weber por metro cuadrado (el sistema de unidades  C.G.S. o sistema Gaussiano,  fue reemplazado por el sistema internacional SI). 

                                                        

Las propiedades magnéticas de los imanes se mantienen intactas a menos que se les apliquen fuerzas magnéticas opuestas, se les aumente de temperatura (por encima de la Temperatura de Curie, distinta según el elemento). Todos los imanes naturales son imanes permanentes, lo que significa que nunca perderán su poder magnético.  El magnético natural más fuerte es la piedra imán, también llamada magnetita. Este mineral es de color negro y muy brillante.   

La piedra imán fue la utilizada en los primeros compases de la civilización y atrae pequeños trozos de hierro, cobalto y níquel hacia él. Por lo general, es un óxido de hierro de composición química Fe3O4.

 Existen combinaciones, para ciertas prestaciones de menor exigencia, como por ejemplo:

Cerámicos/Ferrita: Elaborados con partículas de hierro, son los más utilizados dado su relación calidad/precio. Son de bajo costo y ofrecen un buen comportamiento a elevadas temperaturas (hasta 250ºC) y una buena resistencia a la desimantación, aunque no son especialmente potentes y son mecánicamente frágiles.

Alnicos: Están compuestos por una aleación de Aluminio, Níquel y Cobalto. Son muy económicos y se caracterizan porque resisten muy bien a altas temperaturas (hasta 425ºC) aunque sin embargo su fuerza de atracción es muy débil.

El punto es que el valor del campo magnético natural es constante, lo cual para ciertas aplicaciones es mas que suficiente, pero para mejorar la eficiencia energética de un tipo de motor en particular y su prestación (Potencia, Torque)  se utilizan combinaciones tal como: imanes permanentes compuestos de tierras raras.

 Imanes permanentes compuestos de tierras raras

Tierras raras es el nombre común de 17 elementos químicos de la Tabla Periódica: escandio, itrio y los 15 elementos del grupo de los lantánidos (lantano, cerio, praseodimio, neodimio, prometio, samario, europio, gadolinio, terbio, disprosio, holmio, erbio, tulio, iterbio y lutecio). Se las califica de "raras" debido a que es muy poco común encontrarlos en una forma pura, aunque hay depósitos de algunos de ellos en todo el mundo. Se dividen en dos tipologías: tierra rara liviana (LRE/Light Rare Earth Elements) y tierra rara pesada (HRE/Heavy Rare Earth Element). Las reservas mundiales de tierras raras son aproximadamente del 85 % de LRE y del 15 % de HRE. Son precisamente estos últimos los que proporcionan imanes adecuados para su aplicación en la industria del automóvil. Los imanes de neodimio tienen una mayor remanencia (persistencia de las propiedades magnéticas) y una gran coercitividad o intensidad magnética. Su inconveniente respecto a otros imanes es que su temperatura de Curie, a la que pierde sus propiedades magnéticas, es inferior a otras alternativas.

 La temperatura Curie se conoce como la temperatura en la que el elemento ferromagnético empieza a perder su magnetismo y a transformarse en paramagnéticos, en el momento que se supera dicha temperatura. En el caso de que el material esté por debajo de la temperatura Curie los materiales magnéticos se transforman en ferromagnéticos. Dependiendo de los diferentes tipos de imanes o combinaciones  que existan encontraremos diferentes temperaturas:

 

Las propiedades deseables de tales imanes se expresan normalmente en términos de remanencia y coercitividad de los materiales magnéticos. La siguiente figura muestra el llamado “ciclo de histéresis magnética” para un material el particular, cada uno de ellos tiene su ciclo. La tabla a la derecha contiene algunos datos sobre los materiales usados como imanes permanentes.     

 Además de la coercitividad y la remanencia, un factor de calidad de los imanes permanentes es la cantidad (BB0/μ0)max. Un valor alto de esta cantidad, implica que el flujo magnético requerido se puede obtener con un menor volumen del material, haciendo el dispositivo más liviano y compacto.

  En un artículo publicado (electro-design.com) por  Da Vukovich, presidente de Alliance LLC, asegura que “se han desarrollado aleaciones especiales que, además de neodimio incluyen terbio y disprosio que permiten tolerar temperaturas de Curie mucho más altas”. Debido a sus propiedades ningún otro material puede igualar su rendimiento de alta resistencia, concluyendo que “realmente no se pueden reemplazar los imanes de tierras raras”. En 2018, el 93% de todos los vehículos eléctricos producidos en el mundo tenían un tren motriz impulsado por un motor de imanes permanentes compuestos de tierras raras. Esta información, extraída de los datos de la plataforma EV Motor Power y Motor Metals Tracker, muestra que esta tecnología sigue siendo la más utilizada, debido a su menor tamaño y mayor eficiencia.

 Aplicación comparada

En un motor de tracción eléctrico, los imanes de NdFeB (Neodimio Hierro Boro) permiten un muy intenso campo magnético (B) que se generará en un volumen muy pequeño. La alternativa sería utilizar electroimanes, donde se genera un campo magnético al pasar corriente a través de una bobina conductora. Una pieza de imán de NdFeB de 3 mm de espesor  produce el campo magnético equivalente a pasar 13 Amp  a través de una bobina con 220 vueltas de alambre esmaltado de cobre. En términos de espacio, si se supone una densidad de corriente de 10 A/mm2 en el conductor (que es típico para el funcionamiento normal de un motor de tracción), entonces una bobina electromagnética equivalente podría tener cinco veces el área de sección transversal del imán de NdFeB , como se indica en la figura.

 

 También hay que indicar que para generar ese campo magnético en la bobina hay que consumir de la fuente de energía  un valor de energía eléctrica que no precisa el imán permanente ya que esa energía (representada por el ciclo de histéresis) es inherente a él.

 Ejemplo comparativo de costos en tres tipos de  motores de igual potencia (30 Kw) con y sin materiales NdFeB:

 Cualquiera que sea el precio de los imanes de tierras raras, generalmente se reconoce

que su utilización en las máquinas eléctricas conducirá  inexorablemente a un aumento  de costos.

 Los fabricantes de imanes buscan reducir el contenido de las tierras raras de los imanes manteniendo o aumentando su rendimiento. Un ejemplo es Hitachi Metals, Ltd  ha desarrollado imanes con una cantidad reducida de disprosio en comparación con los convencionales materiales de NdFeB, supuestamente sin una reducción en su coercitividad a alta temperatura. Estos imanes se fabrican mediante un nuevo proceso, que implica la difusión de disprosio en el material del imán en lugar de la aleación directa. Otros buscan reducir el tamaño de grano en los imanes a nanoescala con la expectativa de que esto aumente significativamente la resultante energética del material.

La siguiente tabla  resume las diferencias entre diferentes tecnologías. En particular, las aplicaciones con imanes de tierras raras son onerosas, duplicando o más el costo de la materia prima del motor eléctrico.

 

Hoy en día, cada una de estas tecnologías tiene sus defensores y detractores; sin embargo, cualquiera de estas tecnologías se utiliza con éxito en distintas aplicaciones, evaluando cuestiones técnicas y económicas de cada prestación. En definitiva, es solo un objetivo de maximizar el rendimiento energético, obtener el mayor par y torque, todo ello, en el menor volumen posible. Nada mas, ni nada menos!

 

Ing. Ricardo Berizzo

Cátedra: Movilidad Eléctrica

U.T.N. Regional Rosario                                                                              2021.-