Un motor de imán permanente es un tipo de motor eléctrico que utiliza imanes permanentes para la excitación del campo y una armadura enrollada. Los imanes permanentes pueden ser estacionarios o giratorios; interior o exterior de 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 con escobillas (un tipo comúnmente utilizado en autos tragamonedas de juguete).
Este tipo de motor se utiliza en los Chevrolet Bolt [1] y Volt de GM , y en la tracción trasera del Model 3 de Tesla . [2] Los modelos Tesla recientes de motor dual utilizan una combinación de un motor de imán permanente en la parte posterior 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. Se citó al diseñador jefe de motores de Tesla discutiendo 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 cierto beneficio de eficiencia por eso. Las máquinas de inducción tienen una perfecta regulación del flujo y por tanto puedes optimizar su eficiencia. Ambos tienen sentido tanto para las transmisiones de una sola marcha con accionamiento de velocidad variable como para las unidades motrices de los automóviles. Entonces, como saben, nuestro Modelo 3 ahora tiene una máquina de imanes permanentes. Esto se debe a que, para la especificación del rendimiento y la eficiencia, la máquina de imán permanente resolvió mejor nuestra función de minimización de costos y fue óptima para el rango y el rendimiento objetivo. 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 constan de 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 para los imanes internos incluyen la integridad estructural y la reducción de Back EMF. Dado que se deben cortar agujeros 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 electromotriz inversa (EMF) también se conoce como fuerza contraelectromotriz. Es el voltaje que se produce en los motores eléctricos debido al 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 padecen. Sin embargo, en un motor de inducción los campos del rotor disminuyen a medida que aumenta la velocidad. Un motor de imán permanente 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 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 impulsar motores magnéticos permanentes y varían según múltiples factores, principalmente la fuerza magnética necesaria y el costo. Los cuatro principales materiales magnéticos permanentes 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 carbonato de estroncio-óxido de hierro (también conocido como “imán cerámico”). ”); Además, se están realizando importantes investigaciones en ciencia de materiales para el desarrollo de materiales magnéticos permanentes adicionales de tierras no raras (NRE).
NdFeB es el más fuerte de todos los materiales magnéticos permanentes utilizados en aplicaciones industriales y se utiliza ampliamente en muchos tipos de motores magnéticos permanentes, incluidos motores de husillo con accionamiento de disco, motores de vehículos eléctricos, alternadores y sensores, herramientas eléctricas, generadores de electricidad y resonancia magnética. imágenes (MRI) . [5] NdFeB exhibe una temperatura Curie de aproximadamente 320 °C, que está significativamente por encima de la temperatura ambiente, así como una remanencia , coercitividad y producto energético 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 aleaciones de neodimio, hierro y boro, típicamente en una composición nominal de aproximadamente Nd14Fe78B8 (% at); la sinterización promueve el crecimiento de la fase Nd2Fe14B, que es responsable del fuerte comportamiento magnético característico que se observa en los imanes de NdFeB. Sin embargo, esto también conduce a una vulnerabilidad a la corrosión en los imanes de NdFeB a lo largo de los límites de los granos sinterizados, lo que requiere mitigación mediante la adición de revestimientos 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 significan que los imanes de NdFeB son muy costosos desde el punto de vista financiero y ambiental. [9]
SmCo es un material magnético permanente fuerte de fuerza comparable al NdFeB y se utiliza en una variedad de aplicaciones, incluidos 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 una mayor coercitividad (es decir, menos vulnerabilidad a la desmagnetización) y una mejor resistencia a la corrosión. Además, los imanes de SmCo tienen una temperatura Curie superior a 700 °C y una estabilidad de temperatura superior en comparación con 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.
Alnico es un material magnético permanente NRE utilizado en aplicaciones de motores de imanes permanentes, como sensores magnéticos de velocidad y flujo, 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 proporción de aluminio y hierro dentro de estos imanes les otorga una excelente resistencia a la corrosión, conductividad eléctrica y estabilidad a altas temperaturas; Alnico tiene una de las temperaturas 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 "ferrita", es un material magnético permanente NRE que se encuentra en aplicaciones de motores de imanes permanentes, como herramientas eléctricas, procesos industriales de separación magnética 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 la misma desmagnetización impulsada por ferrita. Fenómenos como Alnico en condiciones criogénicas. [14]
El desarrollo de materiales magnéticos permanentes de tierras no raras, de bajo costo, mecánicamente robustos y de alta resistencia es un área de investigación intensa y continua. Algunos sistemas de materiales notables de interés actual incluyen aleaciones ternarias de hierro-cobalto-molibdeno, [16] aleaciones nanoestructuradas de cobalto-platino, [17] y aleaciones ordenadas de hierro-níquel de tipo meteórico . [18]
La producción de tierras raras tiene como consecuencia generar residuos con una radiactividad elevada en comparación con la radiactividad natural de los minerales (residuos denominados por la EPA de EE. UU. como TENORM, o Technologically Enhanced Naturally Occurring Radioactive Materials). China, el principal productor de neodimio, restringió los envíos a Japón en 2010 durante una controversia sobre la propiedad de las islas. China impuso estrictas cuotas de exportación a varios metales de tierras raras, diciendo que quería controlar la contaminación y preservar los recursos. Las cuotas se eliminaron en 2015. Aunque el neodimio es relativamente abundante, la demanda mundial de neodimio superó la producción en aproximadamente un 10 % en 2017. [3]