Un motor de imán permanente es un tipo de motor eléctrico que utiliza imanes permanentes para la excitación del campo y una armadura devanada. Los imanes permanentes pueden ser estacionarios o rotatorios; interiores o exteriores a la armadura para una máquina de flujo radial o en capas con la armadura para una topología de flujo axial. El esquema muestra un motor de imán permanente con imanes estacionarios fuera de una armadura cepillada (un tipo que se usa comúnmente en los autos de carrera de juguete).
Este tipo de motor se utiliza en el Chevrolet Bolt [1] y Volt de GM , y en la tracción trasera del Model 3 de Tesla . [2] Los modelos recientes de Tesla con motor dual utilizan una combinación de un motor de imán permanente en la parte trasera y un motor de inducción tradicional en la parte delantera. [3]
Los motores de imanes permanentes son más eficientes que los motores de inducción o los motores con devanados de campo para determinadas aplicaciones de alta eficiencia, como los vehículos eléctricos. El diseñador jefe de motores de Tesla comentó estas ventajas diciendo:
Es bien sabido que las máquinas de imanes permanentes tienen el beneficio de la preexcitación de los imanes y, por lo tanto, se obtiene algún beneficio de eficiencia por ello. Las máquinas de inducción tienen una regulación de flujo perfecta y, por lo tanto, se puede optimizar la eficiencia. Ambas tienen sentido para la transmisión de una sola marcha con accionamiento de velocidad variable como unidades de accionamiento de los automóviles. Entonces, como saben, nuestro Modelo 3 tiene ahora una máquina de imanes permanentes. Esto se debe a que, para la especificación del rendimiento y la eficiencia, la máquina de imanes permanentes resolvió mejor nuestra función de minimización de costos y fue óptima para el rango y el objetivo de rendimiento. Cuantitativamente, la diferencia es lo que impulsa el futuro de la máquina, y es una compensación entre el costo del motor, la autonomía y el costo de la batería lo que determina qué tecnología se utilizará en el futuro. [2]
Los motores de imanes permanentes se dividen en dos tipos principales: motores de imanes permanentes de superficie (SPM) y motores de imanes permanentes internos (IPM). La principal diferencia es que los motores SPM colocan los imanes en el exterior del rotor, mientras que los motores IPM colocan sus imanes dentro del motor. Los beneficios de los imanes internos incluyen la integridad estructural y la reducción de la fuerza contraelectromotriz. Dado que se deben cortar orificios en el rotor para la colocación de los imanes, esto crea áreas de alta reluctancia que permiten a los fabricantes de automóviles obtener algunos de los beneficios de los motores de reluctancia, así como de los motores de imanes permanentes. [4]
La fuerza contraelectromotriz ( FEM) también se conoce como fuerza contraelectromotriz. Es el voltaje que se genera en los motores eléctricos a partir del movimiento relativo entre los devanados del estator y el campo magnético del rotor. La geometría del rotor determina la forma de la onda . [4]
Este efecto no es exclusivo de los motores de imanes permanentes. Los motores de inducción también lo sufren. Sin embargo, en un motor de inducción, los campos del rotor disminuyen a medida que aumenta la velocidad. Un motor de imanes permanentes genera su propio campo constante. Esto significa que, a medida que aumenta la velocidad, se induce un voltaje linealmente con la velocidad en el estator. Este voltaje es negativo con respecto al voltaje proporcionado al motor y, por lo tanto, es una pérdida para el sistema en general. [4]
Se utilizan muchos materiales magnéticos permanentes diferentes para accionar motores magnéticos permanentes y varían en función de múltiples factores, principalmente la fuerza magnética necesaria y el costo. Los cuatro materiales magnéticos permanentes principales que se encuentran en la gran mayoría de las aplicaciones industriales son el neodimio-hierro-boro (NdFeB), el samario-cobalto (SmCo), el aluminio-níquel-cobalto (Alnico) y el óxido de hierro-carbonato de estroncio (también conocido como "imán cerámico"); además, se están llevando a cabo importantes investigaciones científicas de materiales para el desarrollo de materiales magnéticos permanentes adicionales que no sean de tierras raras (NRE).
El NdFeB es el más fuerte de todos los materiales de imán permanente utilizados en aplicaciones industriales y se usa ampliamente en muchos tipos de motores magnéticos permanentes, incluidos motores de husillo de transmisión de disco, motores de vehículos eléctricos, alternadores y sensores, herramientas eléctricas, generadores de electricidad e imágenes por resonancia magnética (IRM) . [5] El NdFeB exhibe una temperatura de Curie de aproximadamente 320 °C, que es significativamente superior a la temperatura ambiente, así como una remanencia , coercitividad y producto de energía muy altos que le permiten un excelente rendimiento en aplicaciones magnéticas permanentes. [6] El método más común de producción de imanes de NdFeB es la sinterización de neodimio, hierro y boro aleados, típicamente en una composición nominal de aproximadamente Nd14Fe78B8 (at%); la sinterización promueve el crecimiento de la fase Nd2Fe14B que es responsable del comportamiento magnético fuerte característico observado en los imanes de NdFeB. Sin embargo, esto también genera vulnerabilidad a la corrosión en los imanes de NdFeB a lo largo de los límites de grano sinterizado, lo que requiere alivio mediante la adición de recubrimientos superficiales metálicos a base de cobre-níquel o aluminio. [7] [8] Además, el alto costo, la rareza y los desechos radiactivos asociados con la producción del metal neodimio como insumo significa que los imanes de NdFeB son muy costosos financiera y ambientalmente. [9]
El SmCo es un material magnético permanente fuerte de resistencia comparable al NdFeB y se utiliza en una amplia gama de aplicaciones que incluyen motores eléctricos de vehículos de muy alto rendimiento, espectrómetros de RMN , turbomaquinaria y cojinetes sin fricción . [10] Mientras que los imanes de NdFeB exhiben un campo magnético superior, los imanes de SmCo tienen mayor coercitividad (es decir, menor vulnerabilidad a la desmagnetización) y mejor resistencia a la corrosión. Además, los imanes de SmCo tienen una temperatura de Curie superior a 700 °C y una estabilidad de temperatura superior en comparación con el NdFeB, lo que los hace más óptimos para aplicaciones de motores magnéticos permanentes que involucran altas temperaturas o condiciones criogénicas. [11] [12] Sin embargo, los imanes de SmCo contienen una fracción más alta de metales de tierras raras que los imanes de NdFeB, lo que los hace aún más caros y sujetos a la escasez y las preocupaciones ambientales de la producción; como tal, los imanes de SmCo ahora generalmente solo se usan en casos de aplicaciones especiales donde sus ventajas particulares de temperatura y coercitividad son significativas.
El alnico es un material magnético permanente no revestido de níquel que se utiliza en aplicaciones de motores de imán permanente, como sensores de velocidad y flujo magnéticos, generadores eléctricos y bienes de consumo. Estos imanes presentan un rendimiento más débil en comparación con sus homólogos de NdFeB y SmCo, pero aún mantienen una alta coercitividad y son mucho más baratos debido a su falta de metales de tierras raras. Además, la alta fracción de aluminio y hierro dentro de estos imanes les confiere una excelente resistencia a la corrosión, conductividad eléctrica y estabilidad a alta temperatura; el alnico tiene una de las temperaturas de Curie más altas de cualquier material magnético conocido, casi 800 °C. [13] A pesar de esto, la fuerza magnética comparativamente baja del alnico significa que es uno de los imanes permanentes más susceptibles a la desmagnetización, especialmente a temperaturas criogénicas cuando el hierro ferrítico constituyente puede pasar a la superconductividad . [14]
El carbonato de estroncio y el óxido de hierro, también conocido como imán “cerámico” o “ferrítico”, es un material magnético permanente no revestido de níquel que se encuentra en aplicaciones de motores de imán permanente, como herramientas eléctricas, procesos de separación magnética industrial y sensores automotrices. Los imanes cerámicos son significativamente más débiles que los de SmCo o NdFeB, pero generalmente son más fuertes que los imanes de Alnico, además de ser más resistentes a la corrosión y de menor costo. [15] Sin embargo, los imanes cerámicos exhiben una estabilidad de temperatura más pobre en comparación con Alnico y pierden magnetización con relativa facilidad cuando se exponen a temperaturas extremas, tanto calientes como frías, con una temperatura de Curie mucho más baja, alrededor de 450 °C, y una susceptibilidad a los mismos fenómenos de desmagnetización impulsados por ferrita que Alnico en condiciones criogénicas. [14]
El desarrollo de materiales magnéticos permanentes de alta resistencia, resistentes, mecánicos, de bajo costo y que no sean de tierras raras es un área de investigación activa y en curso. Algunos sistemas de materiales notables de interés actual incluyen aleaciones ternarias de hierro-cobalto-molibdeno, [16] aleaciones nanoestructuradas de cobalto-platino, [17] y aleaciones de hierro-níquel ordenadas de tipo meteórico . [18]
La producción de tierras raras tiene como consecuencia la generación de residuos con una radiactividad elevada en comparación con la radiactividad natural de los minerales (residuos a los que la EPA de Estados Unidos se refiere como TENORM, o materiales radiactivos naturales mejorados tecnológicamente). China, el principal productor de neodimio, restringió los envíos a Japón en 2010 durante una controversia sobre la propiedad en disputa de las islas. China impuso estrictas cuotas de exportación para varios metales de tierras raras, diciendo que quería controlar la contaminación y preservar los recursos. Las cuotas se levantaron en 2015. Aunque el neodimio es relativamente abundante, la demanda mundial de neodimio superó la producción en aproximadamente un 10% en 2017. [3]