Imanes Permanentes De Las Tierras Raras

Imanes Permanentes de las Tierras Raras

Aplicaciones en Máquinas Eléctricas Monografía de Materiales Eléctricos Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de Mar del Plata Soledad Thibaud 26/06/2009

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas

Introducción Los materiales han formado parte de la humanidad y su desarrollo está íntimamente relacionado con la evolución y la historia del hombre. En este sentido, es interesante citar a Sir George Thomson, premio Nobel de Física en 1937, que denominó a nuestro siglo como la Edad de los Materiales en clara alusión a la denominación habitual de los períodos de la historia del hombre: Edad de Piedra, Edad del Bronce y Edad del Hierro, que hacen mención a los materiales característicos utilizados en estas épocas en la que la humanidad comienza a desarrollarse. Dicho desarrollo, ha estado basado entre otros aspectos en la búsqueda de nuevos materiales que han contribuido de una manera manifiesta al desarrollo de la calidad de vida del hombre.1 Los imanes y las brújulas guiaron a Colón y a otros en la edad de la exploración. Hace un siglo los imanes de hierro y acero en los motores, transformadores y teléfonos impulsaron la era de la electricidad. Hoy, los imanes son mucho más potentes y más pequeños y, sin ser vistos, impulsan la nueva era de la información.2 En este trabajo estudiaremos especialmente los potentes imanes permanentes que se producen hoy en día a partir de los elementos llamados de las tierras raras. Y observaremos como influenciaron el desarrollo de maquinas eléctricas dándoles nuevos e innovadores diseños. Tanto para generadores como motores, estos imanes permitieron un notable aumento de su potencia entregada y eficiencia. En cuanto a la generación de electricidad, colaboraron a que la energía eólica sea competitiva con otros tipos de generación no renovables. Y en el campo de los motores se permitió la producción de motores cada vez más específicos en su función, aumentando su rendimiento y ayudando a ahorrar energía.

1

http://dialnet.unirioja.es/servlet/articulo?codigo=866718 – Tierras raras: materiales avanzados – R. Sáez Puche, C. Cascales, P. Porcher y P. Maestro 2 http://www.izt.uam.mx/contactos/n43ne/Imanes.pdf - Imanes y neomagnetos - James D. Livingston

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas Resumen: En esta sección se explican las principales características de la magnetización en los materiales, las distintas energías que intervienen, el ciclo de histéresis y las curvas de desmagnetización.

Materiales Magnéticos Las propiedades magnéticas se derivan de la naturaleza de los electrones apareados o desapareados. Los compuestos con todos los electrones apareados son muy débilmente repelidos por un imán o campo magnético y se conocen como compuestos diamagnéticos. Los materiales que tienen electrones desapareados son débilmente atraídos por un campo magnético y se conocen como paramagnéticos. En los compuestos paramagnéticos los espines debidos a los electrones desapareados están desordenados al azar debido a la agitación térmica. Sin embargo, cuando se enfría esos materiales suelen tener una transición a un estado ordenado magnéticamente. Cuando los espines se ordenan de forma paralela resulta en un momento magnético neto y estos compuestos se denominan ferromagnéticos. Cuando los espines se ordenan de forma antiparalela el momento neto es cero y los compuestos se denominan antiferromagnéticos. Hay una situación intermedia cuando hay varios elementos con diferente número de electrones desapareados. En este caso aunque se dispongan de forma antiparalela el momento magnético resultante es diferente de cero ya que uno de los elementos tiene mayor momento magnético que el otro, y estos compuestos se conocen como ferrimagnéticos. La temperatura de transición puede ser mayor o menor que temperatura ambiente. Para compuestos antiferromagnéticos se denomina temperatura de Neel y para ferromagnéticos temperatura de Curie. Por ejemplo, las temperaturas de Curie de hierro (Fe), cobalto (Co) y níquel (Ni) son 770, 1123 y 358 °C, respectivamente.3 Dentro de un material ferromagnético hay subestructuras conocidas como dominios. Un dominio magnético es una región microscópica de 3

http://webdeptos.uma.es/qicm/Doc_docencia/Tema9_CM.pdf - Tema 9. Materiales magnéticos y ópticos - Ciencia de Materiales, 4º curso, 2004/2005

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas volumen pequeño, aproximadamente 10-4 mm3, donde todos los espines están alineados de forma paralela mientras que el momento magnético resultante de cada dominio está aleatoriamente orientado respecto de los restantes. Cuando un campo magnético externo se aplica sobre un material ferromagnético desmagnetizado, los dominios alineados en la dirección del campo crecen a expensas de los menos favorecidos, los que no están orientados en esa dirección. El crecimiento de los dominios tiene lugar por el movimiento de la pared de los dominios. Esto ocurre primero, ya que este proceso requiere menor energía que la rotación del dominio. Cuando el crecimiento del dominio acaba, si el campo aplicado aumenta sustancialmente, sucede la rotación del dominio, lo que requiere considerablemente más energía. Una vez retirado el campo magnético la muestra magnetizada permanece magnetizada, aunque parte de la magnetización se pierde debido a la tendencia de los dominios de volver a la situación inicial. 4 La estructura del dominio de un material ferromagnético está determinada por muchos tipos de energía, de las cuales la estructura más estable se alcanza cuando el conjunto de la energía potencial del material es mínimo. La energía magnética total del material ferromagnético es la suma de las siguientes contribuciones: ♦ Energía de cambio. Es la energía potencial dentro de un dominio de un sólido ferromagnético. Es mínima cuando todos sus dipolos atómicos están alineados en una única dirección, energía de cambio positiva. La energía potencial externa se incrementa por la formación de un campo magnético externo. ♦ Energía magnetostática. Es la energía potencial magnética de un material ferromagnético producida por su campo magnético externo. Puede ser mínima por la formación de dominios. La formación de múltiples dominios reduce la energía magnetostática por unidad de volumen del material.

4

http://webdeptos.uma.es/qicm/Doc_docencia/Tema9_CM.pdf - Tema 9. Materiales magnéticos y ópticos - Ciencia de Materiales, 4º curso, 2004/2005

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas ♦ Energía de anisotropía magnetocristalina. Es el trabajo realizado para rotar los dominios debido a las diferentes orientaciones de los granos (anisotropía). Las curvas de magnetización para un monocristal varían en función de la orientación relativa del cristal frente al campo aplicado. ♦ Energía de la pared del dominio. La pared del dominio es el límite entre dos dominios cuyos momentos magnéticos globales tienen diferentes orientaciones. Las fuerzas de cambio tenderán a dilatar el dominio de pared y la energía de anisotropía magnetocristalina se incrementa cuanto más ancha es la pared. Se alcanzará la anchura de equilibrio cuando la suma de ambas energías sea mínima. ♦ Energía magnetoestrictiva. Es la energía debida a los esfuerzos mecánicos de la magnetoestricción, deformación elástica reversible inducida magnéticamente. El material se expandirá o se contraerá en la dirección de magnetización.5 Todo ello resulta en las curvas de histéresis de la inducción magnética (B, Tesla) creada por un campo magnético aplicado (H, A/m), figura 1.6

Capitulo 11 - Materiales Magnéticos http://webdeptos.uma.es/qicm/Doc_docencia/Tema9_CM.pdf - Tema 9. Materiales magnéticos y ópticos - Ciencia de Materiales, 4º curso, 2004/2005 5

6

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas

Figura 1. Curva de histéresis para un material magnético típico.7 Cuando aumenta el campo aplicado H aumenta la inducción magnética B hasta un valor máximo conocido como inducción de saturación Bs. Cuando cesa el campo externo, queda un valor de la inducción conocida como inducción remanente Br. Para eliminar la inducción remanente se necesita aplicar un campo externo, en sentido contrario, conocido como campo coercitivo Hc. La línea negra de la figura 1 muestra el comportamiento del material que se conoce como ciclo de histéresis. La energía que encierra esta curva se invierte en alinear los dominios magnéticos que constituyen el material, y su área interna es una medida de la energía perdida o del trabajo hecho por el ciclo de magnetización y desmagnetización.8 Para desestabilizar la magnetización del material es necesario un campo Hci. Con un campo de magnitud ligeramente superior, la magnetización cambia de sentido y los dipolos del material se orientan en el sentido inverso. Este campo crítico se denomina coercividad intrínseca 7

apuntes.foros-fiuba.com.ar/apuntes/62/08/121Materiales_Magnéticos_y_Aplicaciones.html - Juan C. Fernández - Departamento de Física – Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires 8 http://webdeptos.uma.es/qicm/Doc_docencia/Tema9_CM.pdf - Tema 9. Materiales magnéticos y ópticos - Ciencia de Materiales, 4º curso, 2004/2005

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas y es una propiedad característica del material, y depende únicamente de la anisotropía magnetocristalina y la magnetización de saturación. En la figura 2 se ilustra gráficamente este comportamiento.

Figura 2. Curva de magnetización intrínseca. El imán permanente mantiene una magnetización +Msat hasta que se le aplica un campo inverso de magnitud -Hci, momento en el cual la magnetización se vuelve inestable y salta (idealmente) a -Msat. Se requiere entonces aplicar un nuevo campo +Hci para que la magnetización salte nuevamente a +Msat. Resulta así una gráfica que es la curva de magnetización intrínseca del material. El segundo cuadrante representa la región en que el imán realiza trabajo en contra de un campo aplicado reverso, pero de valor menor que -Hci, y se conoce como curva intrínseca de desmagnetización. Podemos transformar esta gráfica intrínseca M vs. H en una gráfica normal B vs. H usando la relación: B = μ0 (H +M) con lo que se obtiene la gráfica de la figura 3. Esta gráfica es de mayor utilidad ya que M existe solamente dentro del material magnético mientras que B existe en todo el espacio.

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas

Figura 3. Curva de magnetización normal. Para el material ideal Br = μo.Msat, pero en el caso general Br es el valor de la densidad de flujo magnético cuando el imán no tiene fmm (Br ⇒ H = 0). La remanencia es un índice de la habilidad del material como imán permanente. Para el material ideal Hc = Msat, pero en el caso general es la fmm requerida para anular el flujo magnético dentro del imán. Nótese que en los casos reales los valores de Hc y Hci no son iguales, ya que el valor de H necesario para anular a B dentro del material en general es menor que el requerido para revertir la dirección de la magnetización del material. La coercividad es un índice de la habilidad del imán para soportar factores desmagnetizantes. El máximo producto de energía (BxH)max es el punto sobre el segundo cuadrante de la curva B vs. H en el que el producto BxH es máximo. Sobre la curva ideal, está exactamente a mitad de camino sobre la recta del segundo cuadrante. El valor de (BxH)max indica la máxima densidad de energía que puede almacenarse en el imán. Podemos describir ahora el comportamiento de un imán real, y nos restringiremos al segundo cuadrante de la curva B vs. H, región conocida como curva de desmagnetización. En relación a la curva de histéresis para un caso real, ni el imán alcanza su coercividad intrínseca teórica -Hci ni se

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas produce la inversión completa de la magnetización cuando se llega a este valor. La curva intrínseca de desmagnetización real tiene una transición gradual en lugar del salto abrupto de la curva ideal. La curva de desmagnetización normal (B vs. H) también presenta un codo gradual. Las coercividades -Hci y -Hc se definen ahora como las intersecciones de las curvas intrínseca y normal reales con el eje H.

Figura 4. Comparación de curvas de magnetización. La curva normal de magnetización determina la densidad de flujo magnético B que genera el imán de acuerdo al valor de la fuerza de desmagnetización H. A partir de esta descripción introductoria del comportamiento de un material ferromagnético, podemos decir que las características importantes en la selección de un material para usar en imanes permanentes son: - Alta remanencia. Cuanto mayor es la remanencia mayor es el flujo magnético que puede crear un imán. - Alta coercividad. Cuanto mayor es la coercividad es más difícil que el imán se desmagnetice por acciones mecánicas o cambios de temperatura. - Alto producto (BxH)max. Cuanto mayor es este valor, se requerirá menos material para producir un dado flujo magnético en un circuito.

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas Resumen: Aquí se cuenta en forma resumida la historia de los imanes permanentes, desde los encontrados naturalmente, pasando por los distintos descubrimientos hasta llegar a los más potentes de tierras raras utilizados hoy día.

Historia de los Imanes Si bien desde el comienzo del Universo, hace más de diez mil millones de años, el electromagnetismo ya estaba ahí, los seres humanos hemos sabido adecuadamente de su existencia hace relativamente poco.9 Los primeros imanes conocidos fueron, por supuesto los imanes naturales. Las primeras evidencias registradas de haber observado fenómenos de atracción magnética datan del año 2500 a.C. Al parecer, la punta metálica de los bastones de los pastores era atraída por ciertas piedras de la antigua Magnesia. Cerca del 700 a.C. aproximadamente el filósofo griego Thales de Miletus hizo traer las misteriosas piedras de Magnesia para estudiarlas, cuyo material fue llamado magnetita. La capacidad de los imanes de orientarse de norte a sur, era conocida por los chinos desde el año 200 a.C. o antes, y en Europa se conoció aparentemente cerca del año 1200.10 Las piedras de magnetita se encuentran en todas las minas de hierro del mundo y contienen un óxido de hierro, Fe3O4. Debieron causar una gran sorpresa y asombro entre los primeros hombres por sus extraños poderes. Cuando se logró la fusión del hierro y se extendió el uso del hierro probablemente se extendió el conocimiento de que éste se volvía un imán. Hasta hace unos 300 años eran los únicos materiales magnéticos conocidos.11 Las primeras agujas magnéticas de las brújulas no conservaban la imantación, Cristóbal Colón conocía estas limitaciones y frecuentemente remagnetizaba sus agujas con una piedra imán que “cuidaba con su 9

http://www.rac.es/ficheros/doc/00430.pdf - IMANES HOY - Antonio Hernando Grande http://www.profisica.cl/comofuncionan/como.php?id=21 - José Luis Giordano 11 http://www.izt.uam.mx/contactos/n43ne/Imanes.pdf - Imanes y neomagnetos - James D. Livingston 10

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas propia vida”. Si bien la magnetita tiene propiedades permanentes, el hierro magnetizado es, en realidad, un fuerte imán temporal. Durante el siglo XVI ambos tipos de imanes, duros y blandos, fueron combinados para producir un imán permanente más poderoso que cada uno de los materiales por separado. La magnetita, con añadidos de hierro, conocido como “imán armado” era el más potente de los disponibles.12 El método experimental permitió que un conjunto de investigadores, entre los que destacaron, Coulomb, Gauss, Poisson, Oersted, Ampere, Faraday y Maxwell descubrieran las leyes que gobiernan el funcionamiento de las interacciones electromagnéticas entre el fin del siglo XVIII y la segunda mitad del siglo XIX.13 La piedra imán fue el material magnético más potente hasta los inicios del siglo XVIII, cuando comenzaron a fabricarse imanes de acero al carbono (hierro con 1% de carbono) en Inglaterra.14 A partir de 1819, con los trabajos de Oersted, los imanes se empezaron a usar en forma masiva para aplicaciones en motores, generadores, dínamos, etc. En esta primera etapa se utilizaron lo que llamamos "aceros magnéticos". Estos materiales permitieron reducir el tamaño de los imanes porque, en menor volumen, tienen igual o mayor capacidad de generar un campo magnético en el exterior del material.15 Los adelantos en las acerías durante los siglos XIX y XX llevaron a la producción de aleaciones de acero con tungsteno, molibdeno, cobalto, cromo y otros elementos que daban lugar a imanes más potentes. Aunque su coercitividad era menor que la de la piedra imán su saturación magnética era mucho mayor. Los ingenieros, entonces, desarrollaron una medida sencilla para la calidad de un imán, ésta dependía de la saturación magnética y de la coercitividad: el producto de energía. Los

12

http://www.izt.uam.mx/contactos/n43ne/Imanes.pdf - Imanes y neomagnetos - James D. Livingston 13 http://www.rac.es/ficheros/doc/00430.pdf - IMANES HOY - Antonio Hernando Grande 14 http://www.izt.uam.mx/contactos/n43ne/Imanes.pdf - Imanes y neomagnetos - James D. Livingston 15 http://cabrem4.cnea.gov.ar/rm/Sanchez-Zysler.pdf - Revista CIENCIA HOY en línea Magnetismo de sistemas nanoscópicos, algunas aplicaciones

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas aceros con cobalto y cromo de 1920 tenían productos de energía 4 veces mayores que los aceros al carbón y casi 10 veces el de la piedra imán.16 A pesar de estos valores de producto de energía, la baja coercitividad, aproximadamente 100 gauss, obligaba a hacer los imanes muy largos a fin de disminuir el efecto desmagnetizador. Los imanes largos fueron doblados en la tradicional forma de herradura a fin de permitir que ambos polos hicieran contacto con el objeto por atraer. Hasta el desarrollo de imanes más permanentes, en 1930, el auricular del teléfono estaba separado del micrófono ya que éste estaba formado por un potente imán de herradura. Los imanes actuales raramente tienen esta forma, pero esta imagen ya se ha vuelto un estereotipo para representar campos magnéticos.17 Los imanes de acero fueron superados en 1930 por los que contienen hierro, aluminio, níquel y cobalto con productos de energía y coercitividades mucho mayores que los de acero.18 Estas aleaciones se conocen como alnicos, palabra formada por los símbolos de los elementos químicos que están presentes en la aleación y fueron desarrolladas en Japón. Los alnicos fueron los primeros materiales ferromagnéticos en donde se trabajó directamente sobre la microestructura del material.19 Estos imanes redujeron el tamaño de los teléfonos y de muchos otros dispositivos que tuvieron un lugar importante en la Segunda Guerra. Los magnetrones, capaces de generar extremadamente altas frecuencias, fueron la clave del sistema de radar. Después de ser un componente del radar el magnetrón pasó a la vida doméstica en el horno de microondas.20 Los imanes de alnico aún se emplean, pero están perdiendo mercado frente a dos nuevos tipos de magnetos permanentes: los de ferrita y los de tierras raras. Los primeros están formados por óxidos de hierro, bario y 16

http://www.izt.uam.mx/contactos/n43ne/Imanes.pdf - Imanes y neomagnetos - James D. Livingston 17 http://www.izt.uam.mx/contactos/n43ne/Imanes.pdf - Imanes y neomagnetos - James D. Livingston 18 http://www.izt.uam.mx/contactos/n43ne/Imanes.pdf - Imanes y neomagnetos - James D. Livingston 19 http://cabrem4.cnea.gov.ar/rm/Sanchez-Zysler.pdf - Revista CIENCIA HOY en línea Magnetismo de sistemas nanoscópicos, algunas aplicaciones 20 http://www.izt.uam.mx/contactos/n43ne/Imanes.pdf - Imanes y neomagnetos - James D. Livingston

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas estroncio; fueron introducidos en 1950 por la compañía holandesa Philips. Cercanos químicamente a la piedra imán, las ferritas tienen baja saturación magnética; en consecuencia, sus productos de energía son menores que los de los imanes de alnico.21 A pesar de su debilidad, las ferritas alcanzaron casi el 90% de la producción mundial, en peso, de imanes a fines de 1990. Sus dos ventajas son la coercitividad de varios miles de gauss (los imanes de alnico tienen cientos de gauss) y el bajo costo. Su alta resistencia a la desmagnetización les permite ser delgados en la dirección de la magnetización, lo cual es una gran ventaja para el diseño de motores, bocinas y otros dispositivos electromagnéticos. Su bajo costo les permite tener, entre todos los materiales magnéticos duros, una característica más importante que el producto de energía: el precio por unidad de producto de energía. En este punto las ferritas son los mejores.22 Es por ello, que casi el 55% de los imanes producidos en el mundo son de este material. Otra clase de imanes más recientes son las aleaciones de elementos denominados tierras raras y ocupan casi la otra mitad de la producción mundial.23 En tanto que el producto de energía de los imanes de alnico está limitado por la baja coercitividad, y el de las ferritas por las bajas saturaciones magnéticas, los imanes de tierras raras tienen valores mayores en ambos parámetros, lo que aumenta notablemente sus productos de energía.24 A final de los setenta, las aleaciones de samario, una tierra rara, con cobalto, un metal de transición, mostraron tener un producto de energía que casi duplicaba al de los mejores alnicos producidos y es diez veces superior al de las ferritas. En la actualidad las aplicaciones principales de estos sistemas son la miniaturización de auriculares pequeños, de 21

http://www.izt.uam.mx/contactos/n43ne/Imanes.pdf - Imanes y neomagnetos - James D. Livingston 22 http://www.izt.uam.mx/contactos/n43ne/Imanes.pdf - Imanes y neomagnetos - James D. Livingston 23 http://cabrem4.cnea.gov.ar/rm/Sanchez-Zysler.pdf - Revista CIENCIA HOY en línea Magnetismo de sistemas nanoscópicos, algunas aplicaciones 24 http://www.izt.uam.mx/contactos/n43ne/Imanes.pdf - Imanes y neomagnetos - James D. Livingston

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas motores de pasos o de equipos científicos con prestaciones particulares donde el costo no es determinante para la producción en masa.25 En los años ochenta se produjo un encarecimiento más especulativo que real en el precio del cobalto materia prima clave en la fabricación de estos imanes, lo que obligó a las empresas dedicadas a su fabricación a la búsqueda de nuevos imanes permanentes en los que el cobalto no estuviera presente y el material resultante tuviera un precio competitivo.26 En la línea de mezclar una tierra rara con un metal de transición, se comenzaron a investigar aleaciones de la más abundante de esta familia, el neodimio, con un metal de transición. Hay veintisiete elementos de la tabla periódica con los que pueden hacerse aleaciones con elementos magnéticos resultando en casi 2100 aleaciones binarias y ternarias posibles. Aunque la aleación de neodimio y hierro, los elementos más abundantes, no existe en la naturaleza y no puede sintetizarse, se exploró agregar otro elemento para formar una aleación ternaria. Así se encontró que aquellas que incluían boro presentaban valores altos del producto de energía.27 En el año 1984 de modo simultáneo la General Motors en USA y la Sumitomo en Japón descubren un nuevo material de fórmula Nd2Fe14B que posee un valor de (Br x Hc)máx superior a 450 kJ/m3 el valor más elevado conseguido hasta ese momento.28 Estos nuevos materiales se comenzaron a aplicar rápidamente en aparatos electrónicos, componentes de computadoras, en motores para los molinos de viento, en la industria del automóvil o en motores de elevadores.29 Se produjo una gran actividad en la fabricación de imanes que permiten almacenar energías magnéticas elevadas en imanes de pequeño volumen, lo que rápidamente dio lugar a la denominada miniaturización de dispositivos.30 25

http://cabrem4.cnea.gov.ar/rm/Sanchez-Zysler.pdf - Revista CIENCIA HOY en línea Magnetismo de sistemas nanoscópicos, algunas aplicaciones 26 http://dialnet.unirioja.es/servlet/articulo?codigo=866718 – Tierras raras: materiales avanzados – R. Sáez Puche, C. Cascales, P. Porcher y P. Maestro 27 http://cabrem4.cnea.gov.ar/rm/Sanchez-Zysler.pdf - Revista CIENCIA HOY en línea Magnetismo de sistemas nanoscópicos, algunas aplicaciones 28 http://dialnet.unirioja.es/servlet/articulo?codigo=866718 – Tierras raras: materiales avanzados – R. Sáez Puche, C. Cascales, P. Porcher y P. Maestro 29 http://cabrem4.cnea.gov.ar/rm/Sanchez-Zysler.pdf - Revista CIENCIA HOY en línea Magnetismo de sistemas nanoscópicos, algunas aplicaciones 30 http://dialnet.unirioja.es/servlet/articulo?codigo=866718 – Tierras raras: materiales avanzados – R. Sáez Puche, C. Cascales, P. Porcher y P. Maestro

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas En el siguiente grafico, figura 5, se muestra como evolucionaron a lo largo de los años los imanes, notándose claramente el gran aumento del producto de energía en las últimas décadas.

31

Figura 5. Energía magnética a lo largo de los años.

31

http://www.dextermag.com/uploadedfiles/Reference_Design_Manual.pdf - DEXTER Magnetic Technologies - Reference & Design Manual

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas Resumen: En este apartado se detallan las propiedades del conjunto de elementos de las tierras raras, como son encontrados en la naturaleza, extraídos y separados para poder utilizarlos industrialmente.

Los Elementos de las Tierras Raras El grupo IIIA del sistema periódico comprende el escandio, ytrio, lantano y actinio y la serie de las tierras raras o lantánidos, que abarca los elementos de número atómico 58 a 71 (cerio, praseodimio, neodimio, promecio, samario, europio, gadolinio, terbio, disprosio, holmio, erbio, tulio, yterbio y lutecio).32 "Tierras Raras" es un nombre inapropiado para los Lantánidos, que son en verdad metales. La palabra rara viene del hecho de que los lantánidos fueron originalmente descubiertos en minerales que son raros, pero los elementos en sí mismos no son raros ni escasos, de hecho algunos son bastante comunes. Se les conoce como tierras, porque este es un viejo término de la química que significa óxido (un compuesto con oxígeno) y las tierras raras fueron vistas por primera vez en esta forma. En este grupo de tierras raras o lantánidos se suele incluir, el lantano que no tiene electrones ocupando ningún orbital f, mientras que el resto de las tierras raras tienen este orbital f parcial o totalmente lleno. Esto hace que estos elementos sean químicamente bastante parecidos, con un estado de oxidación o valencia de +3. Sin embargo, también pueden presentar el estado de oxidación Eu+2 y Ce+4. Los elementos escandio, Se, e ytrio, Y, no son elementos de transición, pero muestran grandes analogías con los lantánidos y les acompañan en sus yacimientos naturales.33 Los 14 elementos de las tierras raras poseen propiedades físicas y químicas muy similares, debido a que sus estructuras electrónicas difieren sólo en el número de electrones que ocupan los orbitales 4f. Al aumentar la carga nuclear surge una mayor atracción por los electrones y disminuye 32 33

http://www.canalsocial.net/GER/ficha_GER.asp?id=10418&cat=quimica http://www.canalsocial.net/GER/ficha_GER.asp?id=10418&cat=quimica

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas el volumen atómico. Este fenómeno se denomina contracción lantánida y se manifiesta en los radios atómicos y también en los radios iónicos, que son casi iguales para todos los elementos lantánidos, lo que provoca el isomorfismo de sus compuestos, dificulta su separación y determina que en la naturaleza se presenten juntos.34 Las propiedades de las tierras raras están íntimamente relacionadas con sus configuraciones electrónicas. Como puede observarse, se trata de orbitales con un gran poder de penetración que se encuentran apantallados por los orbitales más externos, 5s2 y 5p6 y como consecuencia de ello presentan el efecto del campo del cristal, resultante de la interacción con los iones vecinos, sumamente bajo. Ello justifica las propiedades magnéticas y ópticas características que presentan estos elementos y los compuestos de los que forman parte.35

Estado natural y métodos de obtención Actualmente se conocen más de 200 minerales en los que las tierras raras entran en su composición; ello es indicativo de que estos elementos no son raros, sino que al contrario son mucho más abundantes que otros bien conocidos y se encuentran en una cantidad alrededor del 0.08% en la corteza terrestre.36 Los minerales que contienen elementos lantánidos se encuentran formando depósitos o en formas más diseminadas. Los yacimientos de Escandinavia, India, Rusia y USA son los más notables, pero también existen otros muchos con posibilidad de explotación, aunque más pobres. Los minerales han sido agrupados en dos clases: 1) las "tierras" del grupo del cerio, formadas fundamentalmente por los elementos ligeros, del lantano al europio; 2) el grupo de las "tierras" del ytrio, formado fundamentalmente por compuestos de este elemento y de los miembros más pesados de la serie, del gadolinio al lutecio. Uno de los miembros de la serie, el promecio, no ha sido detectado en productos 34

http://www.canalsocial.net/GER/ficha_GER.asp?id=10418&cat=quimica http://dialnet.unirioja.es/servlet/articulo?codigo=866718 – Tierras raras: materiales avanzados – R. Sáez Puche, C. Cascales, P. Porcher y P. Maestro 36 http://dialnet.unirioja.es/servlet/articulo?codigo=866718 – Tierras raras: materiales avanzados – R. Sáez Puche, C. Cascales, P. Porcher y P. Maestro 35

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas naturales, más que en trazas, como resultado de la fisión nuclear espontánea del uranio en minerales de este elemento.37 En la actualidad, el mineral más importante es la monacita que se presenta generalmente en forma de arenas oscuras y densas de composición variable. En esencia es un ortofosfato de los lantánidos ligeros, pero siempre contiene torio en cantidad importante, hasta un 30% y lantánidos más pesados en magnitud de hasta el 7%. La monacita y otros minerales que contienen lantánidos son pobres en europio. Este elemento, por ser muy estable su grado de oxidación dipositivo, se presenta fundamentalmente en minerales del grupo del calcio. Otros minerales de lantánidos son: cerita, Ce4(SiO4)3; talenita Y2(Si2O7); torveitita, (Y Sc)2 (Si2O7); xenotita, YPO4; etc. La abundancia absoluta de los lantánidos en la litosfera es relativamente alta. Así, incluso el menos abundante, el tulio, es tan frecuente como otros metales más conocidos, como el bismuto, y más abundante que el arsénico, cadmio, mercurio o selenio.38

Métodos de separación y purificación La estrecha analogía entre estos elementos en lo referente su comportamiento químico, hace que el proceso de extracción y posterior separación y purificación a partir de los diferentes minerales en los que se encuentran asociados, sea tedioso y complicado. De hecho, no ha sido hasta la segunda mitad del siglo XX cuando el aislamiento de estos elementos a nivel industrial ha sido posible y ello ha marcado el inicio de la incorporación de los mismos a diferentes procesos industriales.39 Los minerales que contienen lantánidos se pueden disolver en ácidos o en bases. Las monacitas se someten a la acción de ácido sulfúrico o de hidróxido sódico, según sea el método utilizado. En las disoluciones que, finalmente, se obtienen surge el problema de separar unos lantánidos de 37

http://www.canalsocial.net/GER/ficha_GER.asp?id=10418&cat=quimica http://www.canalsocial.net/GER/ficha_GER.asp?id=10418&cat=quimica 39 http://dialnet.unirioja.es/servlet/articulo?codigo=866718 – Tierras raras: materiales avanzados – R. Sáez Puche, C. Cascales, P. Porcher y P. Maestro 38

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas otros. Durante muchos años las únicas técnicas utilizadas fueron la cristalización fraccionada, fundamentalmente de sulfatos dobles, la precipitación o la descomposición fraccionada, principalmente útil para separar elementos que pueden oxidarse o reducirse. Este es el caso del cerio, susceptible de pasar a estado de oxidación IV, y del europio Eu, samario Sm y yterbio Yb, que pueden reducirse al estado de oxidación II. Todos estos métodos de separación son lentos y laboriosos y han sido prácticamente desplazados por la separación con resinas de cambio iónico. La separación por cambio iónico se basa en que, aunque la química de todos los lantánidos, en compuestos en los que presentan grado de oxidación III, es muy análoga, existen pequeñas diferencias que además varían sistemáticamente del lantano al lutecio. Así simultáneamente a la contracción de volumen se produce un aumento de la acidez, o disminución de la basicidad, que constituye base suficiente para la separación selectiva. Las diferencias se exaltan a veces utilizando agentes formadores de complejos, tales como complexomas y en general ácidos hidroxo o aminocarboxílicos.40 Una vez separadas entre sí las sales de lantánidos, se procede a obtenerlos libres. Los más ligeros (La, Ce, Pr, Nd y Gd) se obtienen con rendimientos superiores al 99%, por reducción a 1.000ºC de los tricloruros anhidros con calcio en atmósfera inerte, por ejemplo, de argón. La reducción se verifica en un crisol de tántalo y tiene lugar con desprendimiento de energía, de forma que la temperatura se eleva hasta fundir el metal lantánido. En condiciones análogas, el samario, el europio y el yterbio, en forma de tricloruros, se reducen hasta el estado dipositivo. Se ha obtenido samario con un 99,9% de pureza por reducción del tribromuro anhidro con bario a 1.650-1.700° C en atmósfera de argón. Los lantánidos más pesados no pueden obtenerse con buen rendimiento a partir de los tricloruros, ya que éstos son demasiado volátiles a las temperaturas a las que los metales quedan fundidos. Sin embargo, estos metales (Tb, Dy, Ho, Er y Tm) pueden obtenerse en estado de pureza elevada por reducción a altas temperaturas de los trifluoruros, en 40

http://www.canalsocial.net/GER/ficha_GER.asp?id=10418&cat=quimica

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas condiciones análogas a las utilizadas para los metales más ligeros. El yterbio que por este método no pasa a metal sino a compuestos derivados del ion dispositivo, puede prepararse por reducción en el vacío del óxido con lantano a altas temperaturas. El samario puede obtenerse de una forma análoga.41 El promecio es el elemento que en 1926 varios investigadores en Illinois y en Florencia creyeron encontrar en concentrados de tierras raras y denominaron Illinio y Florencio. Durante la Segunda Guerra Mundial se aisló de los productos de fisión del uranio el isótopo de masa 147 del elemento que fue definitivamente denominado promecio. Todos los isótopos del Pm son inestables por ser radiactivos con una vida media corta. Otros lantánidos contienen también isótopos radiactivos: Lu176, Lal38, Ndl44 y Sm147.

41

http://www.canalsocial.net/GER/ficha_GER.asp?id=10418&cat=quimica

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas

Propiedades Los elementos libres tienen propiedades metálicas y son muy electropositivos. Los metales son de color blanco grisáceo con brillo de plata. Los primeros miembros de la serie son tan blandos como el estaño. La dureza de los restantes crece con el número atómico, siendo el samario tan duro como el acero. Los puntos de fusión de los cuatro primeros elementos oscilan entre 815-930° C, pero el samario funde cerca de 1.350° C. Son excelentes conductores del calor y de la electricidad.42 Los elementos lantánidos son extremadamente reactivos. Los ligeros se empañan fácilmente en contacto con aire húmedo, y salvo el cerio que produce el dióxido, CeO2, arden a temperaturas comprendidas entre 200400° C dando los óxidos, M2O3. Los más ligeros se combinan directamente con hidrógeno lentamente a temperatura ambiente y rápidamente a 300° C, para dar hidruros intersticiales. A temperaturas elevadas, se unen directamente con carbono, silicio, nitrógeno, fósforo, arsénico, azufre y halógenos. Reaccionan con agua liberando hidrógeno, lentamente en frío y rápidamente en caliente.43 Como elementos de transición interna, los lantánidos poseen unos electrones característicos en orbitales internos, bastante apantallados de las acciones externas. Las consecuencias son, entre otras, la gran tendencia a formar iones tripositivos, el comportamiento paramagnético de sus compuestos, a excepción de Lu, y el color. La mayoría de los iones tripositivos de los lantánidos son coloreados, únicamente son incoloros los iones Ce+3, Gd+3, Yb+3 y Lu+3. Existe una llamativa periodicidad en los colores que indica una dependencia con fenómenos de absorción en que intervienen los electrones 4f. Los colores de los siete primeros iones tripositivos, del lantano al gadolinio, se repiten en la serie del lutecio al gadolinio.44 Los compuestos más importantes de los lantánidos son los óxidos, M2O3, que se asemejan a los de calcio, estroncio y bario. Del cerio tiene 42 43 44

http://www.canalsocial.net/GER/ficha_GER.asp?id=10418&cat=quimica http://www.canalsocial.net/GER/ficha_GER.asp?id=10418&cat=quimica http://www.canalsocial.net/GER/ficha_GER.asp?id=10418&cat=quimica

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas interés el dióxido, CeO2. Los hidróxidos, M(OH)3, son compuestos definidos y su basicidad disminuye al aumentar el número atómico. Se conocen sulfatos, nitratos, carbonatos, fosfatos, oxalatos y otras oxisales de los lantánidos. Los carbonatos, fosfatos y oxalatos son poco solubles, lo que se utiliza para su separación. En general, todos sus compuestos se parecen a los de los elementos fuertemente electropositivos.45 Las tierras raras poseen propiedades magnéticas excepcionales, presentan constantes de anisotropía magnetocristalina dos órdenes de magnitud superiores a la del hierro, que dan lugar a valores elevados del Hc. Por otra parte, los momentos magnéticos intrínsecos de la mayoría de las tierras raras superan a los de los elementos de transición clásicos como hierro, cobalto y níquel que conducen a valores altos de Br. Sin embargo, las tierras raras poseen un inconveniente muy importante asociado al carácter interno de los orbitales 4f, permanecen paramagnéticos a la temperatura ambiente, con la excepción del gadolinio cuya temperatura de Curie es de 293K. Este último aspecto, supone una limitación seria para su uso como imanes permanentes.46

45

http://www.canalsocial.net/GER/ficha_GER.asp?id=10418&cat=quimica http://dialnet.unirioja.es/servlet/articulo?codigo=866718 – Tierras raras: materiales avanzados – R. Sáez Puche, C. Cascales, P. Porcher y P. Maestro 46

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas Resumen: En esta sección, se compara a cuatro familias de imanes para elegir cuales son las más apropiadas para ser usadas en el desarrollo de maquinaria eléctrica.

Comparación de Imanes Permanentes Hay cuatro familias principales de materiales de imanes permanentes disponibles en el comercio. Estas se extienden de la ferrita, que es de bajo precio y baja energía, a materiales de las tierras raras, que son de alto costo y alta energía. Muchos factores afectan la opción de material magnético, como la temperatura de operación, el tamaño y coacciones de peso, consentimientos ambientales y la energía magnética requerida. Cada familia de materiales tiene varios grados con una gama de propiedades magnéticas.47

Tabla de comparación de materiales.48 En la tabla se muestran los valores característicos de estos materiales de imanes permanentes, se encuentran los Alnicos, las Ferritas y los de Tierras Raras. Los Alnicos, aleación de Aluminio, Níquel y Cobalto, poseen el mejor comportamiento a temperaturas elevadas y tienen una elevada remanencia, pero su coercitividad es bastante baja,49 por lo que 47

http://www.dextermag.com/uploadedfiles/Reference_Design_Manual.pdf - DEXTER Magnetic Technologies - Reference & Design Manual 48 http://www.dextermag.com/uploadedfiles/Reference_Design_Manual.pdf - DEXTER Magnetic Technologies - Reference & Design Manual 49

http://www.ute.com.uy/empresa/entorno/Energias_Renovables/eolica/Actividad_2002/Eolica_Gen eradores.pdf - SISTEMAS DE GENERADCIÓN ELECTRICA PARA AEROGENERADORES

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas no son aplicables a máquinas de tracción. Las Ferritas, materiales cerámicos de valores de coercitividad y remanencia medianos, son utilizadas en motores industriales por su bajo precio, pero a costa de un peso excesivo.50 Podemos observar que los imanes permanentes de las tierras raras son los más poderosos magnéticamente. En el gráfico de la figura 6 se observa claramente que los productos de energía son considerablemente mayores para dichos imanes. Es por ello que vamos a profundizar en su estudio para analizar el nuevo giro que le dieron estas aleaciones a las máquinas eléctricas.

Figura 6. Curva de energía externa de los distintos materiales. Los imanes permanentes de las tierras raras son materiales que poseen una gran capacidad de almacenamiento de energía magnética,

50

http://www2.ing.puc.cl/power/paperspdf/dixon/tesis/Rodriguez.pdf - Estimación De Posición Y Control Simplificado De Corriente Para Motores BLDC – Matías Rodríguez Arnal

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas que perdura en el tiempo y que su degradación no es significativa,51 lo que permite desarrollar maquinaria más robusta. Además, permiten fabricar máquinas de imanes permanentes muy livianos. Dentro de los imanes de las tierras raras existen dos tipos de familias: los en base a Samario y los en base a Neodimio.52 El samario forma imanes muy poderosos con el Cobalto, en tanto que el Neodimio lo hace con el Hierro y el Boro.53 La mayoría de las máquinas de imanes permanentes son fabricadas utilizando imanes de Neodimio-Fierro-Boro (Nd-Fe-B) pues presentan características muy buenas para esta aplicación y su costo es considerablemente menor a los imanes que usan aleaciones en base a Samario, que es un material más escaso en la tierra. Su única desventaja es que su temperatura de Curie sigue siendo baja, por lo que las máquinas con estos imanes deben ser protegidas para que no sufran recalentamientos, pues se podrían llegar a desmagnetizar sus imanes.54 Las características magnéticas del Samario-Cobalto permiten reducir sus medidas. Su producto de energía es considerablemente elevado y tienen un comportamiento muy bueno a temperaturas elevadas.55 El proceso de fabricación de este tipo de material magnético basado en tierras raras, resulta bastante complejo. La materia prima necesaria para su aleación tiene que ser minuciosamente mezclada en vacío. Es entonces cuando las partículas de esta materia se mezclan según las tolerancias definidas. Finalmente se sinterizan en unos hornos especiales, obteniendo así un producto final extremadamente duro que, únicamente, se puede trabajar con maquinaria de electroerosión o bien, con

51

http://www.revistamarina.cl/revistas/1999/3/calvo.pdf - Motor de Imanes Permanentes como Propulsor Naval - Felipe Calvo Alvarez 52 http://www2.ing.puc.cl/power/paperspdf/dixon/tesis/Rodriguez.pdf - Estimación De Posición Y Control Simplificado De Corriente Para Motores BLDC – Matías Rodríguez Arnal 53 http://www2.ing.puc.cl/power/paperspdf/dixon/tesis/Rodriguez.pdf - Estimación De Posición Y Control Simplificado De Corriente Para Motores BLDC – Matías Rodríguez Arnal 54 http://www2.ing.puc.cl/power/paperspdf/dixon/tesis/Rodriguez.pdf - Estimación De Posición Y Control Simplificado De Corriente Para Motores BLDC – Matías Rodríguez Arnal 55

http://www.ute.com.uy/empresa/entorno/Energias_Renovables/eolica/Actividad_2002/Eolica_Gen eradores.pdf - SISTEMAS DE GENERADCIÓN ELECTRICA PARA AEROGENERADORES

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas maquinaria especial provista de herramientas de diamante. Igualmente se utilizan procesos de enfriamiento para su tratamiento.56 El arte de hacer imanes reside en tener el material adecuado y en controlar la microestructura de este. En algunos casos, hay una verdadera ingeniería de diseño para alterar su estructura microscópica y así tener imanes más potentes.57

56

http://www.ima.es/upload/documentos/es/1180771926Tierras_Raras.pdf - Ingeniería Magnética Aplicada, S.L 57 http://cabrem4.cnea.gov.ar/rm/Sanchez-Zysler.pdf - Revista CIENCIA HOY en línea Magnetismo de sistemas nanoscópicos, algunas aplicaciones

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas Resumen: Aquí analizamos más específicamente la composición de los imanes permanentes de las tierras raras que se fabrican en la actualidad y como son dichos procesos en ambos casos, tanto para el Samario como para el Neodimio.

Materiales Magnéticos Fabricados Los materiales magnéticos de las tierras raras actualmente se dividen en tres familias. Ellas son tierra rara - cobalto 5, la tierra rara 2 - metal de transición 17 y aleaciones de tierras raras y hierro. Aleaciones (Tierras Raras - Cobalto 5): Estas aleaciones son por lo general binarias o ternarias con la proporción atómica aproximada de un átomo de tierras raras a cinco átomos de cobalto. El elemento de las tierras raras es más comúnmente el samario, pero también puede ser otro elemento ligero de las tierras raras como, praseodymium, el cerio, el neodimio. Los elementos pesados de las tierras raras como el gadolinio, el disprosio y el erbio pueden substituir a los elementos ligeros para dar al material magnético un coeficiente de temperaturas de remanencia más bajo. Los elementos de las tierras raras típicamente son el 34 a 39 por ciento de peso de la aleación.58 Aleaciones (Tierras Raras 2 - Elemento de Transición 17): Estas aleaciones son de un tipo que se endurece con el tiempo, con una proporción de composición de 2 átomos de las tierras raras a 13-17 átomos de los metales de transición. Los átomos de las tierras raras pueden ser cualquiera de aquellos encontrados en las aleaciones de 1-5. El contenido del metal de transición es abundante en cobalto combinado con hierro y cobre. Las pequeñas cantidades de circonio, hafnio u otros elementos son añadidas para mejorar la respuesta del tratamiento térmico. El contenido de la tierra rara en combinaciones de materiales 217 es típicamente 23 a 28 por ciento de peso de la aleación.59 58

http://www.dextermag.com/uploadedFiles/Design_and_Tech_MMPA-0100-00.pdf STANDARD SPECIFICATIONS FOR PERMANENTE MAGNET MATERIALS 59 http://www.dextermag.com/uploadedFiles/Design_and_Tech_MMPA-0100-00.pdf STANDARD SPECIFICATIONS FOR PERMANENTE MAGNET MATERIALS

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas Aleaciones de Hierro y Tierras Raras: Estas aleaciones tienen una composición de dos átomos de las tierras raras a 14 átomos de hierro con un átomo de boro. Puede haber una substitución de otro elemento de las tierras raras y/o adiciones menores de otros elementos. El cobalto es substituido por el hierro en el 3 a 15 % para mejorar el funcionamiento a altas temperaturas. El contenido de las tierras raras de esta aleación con hierro es típicamente 30 a 35 por ciento de peso.60

Samario - Cobalto Átomos de los elementos llamados tierras raras tienden a formar compuestos intermetálicos con metales de transición como hierro, níquel o cobalto, y en la primera época del desarrollo de los imanes de estos materiales la teoría predecía que los elementos más livianos, en particular el samario, se combinaría de la forma más favorable con el cobalto para producir una alta anisotropía cristalina. La experiencia confirmó la factibilidad de varios compuestos intermetálicos, y el primer imán práctico se construyó con el compuesto SmCo5, seguido más tarde por Sm2Co17. 61 Muchos imanes permanentes estan hechos mediante técnicas metalúrgicas que muelen el material hasta convertirlo en un polvo de pequeñas partículas. Para maximizar la magnetización de saturación del conjunto del material es conveniente que los momentos magnéticos en cada partícula estén alineados y que los momentos magnéticos de las partículas mismas también lo estén.Esto último se consigue aplicando un campo orientador durante el proceso de consolidar el polvo en un aglomerado sólido. Los momentos dentro de cada partícula se alinearán espontáneamente siempre que el polvo sea molido hasta un tamaño cercano al de un único dominio magnético. Si el tamaño de la partícula es mucho mayor, será energéticamente más favorable la existencia de una

60

http://www.dextermag.com/uploadedFiles/Design_and_Tech_MMPA-0100-00.pdf STANDARD SPECIFICATIONS FOR PERMANENTE MAGNET MATERIALS 61 apuntes.foros-fiuba.com.ar/apuntes/62/08/121Materiales_Magnéticos_y_Aplicaciones.html - Juan C. Fernández - Departamento de Física – Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas frontera de dominio. Estos dominios se generan espontáneamente en el material. 62 Después del molido, el polvo se comprime en una matriz, con un campo magnético aplicado si así se desea. Si no se aplica campo en este proceso, se obtendrá un imán isótropo con iguales propiedades magnéticas en todas direcciones, mientras que si se aplica un campo exterior, se obtiene un imán anisótropo con propiedades magnéticas preferenciales sobre un cierto eje. Dado que tanto el samario como el cobalto son elementos relativamente caros, se fabrican imanes anisótropos con propiedades preferenciales a lo largo de un eje. El polvo compactado entonces se sinteriza para obtener un material compacto y se maquina hasta su forma y tamaño finales. 63 Los imanes de tierras raras tienen un mecanismo de fronteras de dominio mucho más complicado que el derivado de la pura anisotropía magnetocristalina, lo que lleva a que las mejores propiedades magnéticas se obtienen con un tamaño de grano mayor que el correspondiente a partículas mono-dominio. Esto significa que no sólo las fronteras de dominio pueden existir, sino que se mueven con relativa facilidad dentro del grano. Mientras que esta característica permite que se alcance la magnetización de saturación aún con un modesto campo aplicado, una alta coercividad intrínseca dependerá de la habilidad del grano para resistir la formación de un dominio invertido cuando se aplica un campo de desmagnetización. Esta propiedad vital se controla por las fronteras de grano, que están compuestas de desviaciones de la composición primaria del material y proveen una fuerte fijación de las fronteras de dominios en estos lugares. Este mecanismo, conocido como nucleación, se da en imanes de SmCo5. Un grano en proceso de nucleación se muestra en el diagrama (a) de la figura 7.64 62

apuntes.foros-fiuba.com.ar/apuntes/62/08/121Materiales_Magnéticos_y_Aplicaciones.html - Juan C. Fernández - Departamento de Física – Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires 63 apuntes.foros-fiuba.com.ar/apuntes/62/08/121Materiales_Magnéticos_y_Aplicaciones.html - Juan C. Fernández - Departamento de Física – Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires 64 apuntes.foros-fiuba.com.ar/apuntes/62/08/121Materiales_Magnéticos_y_Aplicaciones.html - Juan C. Fernández - Departamento de

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas

Figura 7. Dominios magnéticos. El Sm2Co17 difiere del SmCo5 en que sus granos contienen una estructura de pequeñas celdas como se ilustra en el diagrama (b) de la figura 7. El tratamiento térmico de este compuesto promueve la formación de estas celdas de Sm2Co17, separadas por delgadas paredes de SmCo5 que son las que proveen la fijación de las paredes de dominio, en lugar de las fronteras de grano. La fijación, en lugar de la nucleación, es entonces el mecanismo de control en imanes de Sm2Co17, y mientras que este mecanismo provee una mayor coercividad intrínseca, debe aplicarse un campo mucho mayor para llevar inicialmente este material a su magnetización de saturación.65 Ya sea un imán de tipo nucleación SmCo5 o de tipo fijación Sm2Co17, es decir, ya sea que las paredes de dominio estén fijas a las fronteras de grano o de celda, se moverán bastante libremente una vez superadas estas fuerzas de fijación, y Msat se invertirá en forma abrupta al alcanzar el campo aplicado el valor -Hci, en una forma similar al comportamiento teórico derivado de la anisotropía magnetocristalina. Los imanes de SmCo son generalmente muy caros para aplicaciones masivas. Se suelen utilizar en instrumental de laboratorio o especiales debido a sus excelentes propiedades de directividad.66

Física – Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires 65 apuntes.foros-fiuba.com.ar/apuntes/62/08/121Materiales_Magnéticos_y_Aplicaciones.html - Juan C. Fernández - Departamento de Física – Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires 66 apuntes.foros-fiuba.com.ar/apuntes/62/08/121Materiales_Magnéticos_y_Aplicaciones.html - Juan C. Fernández - Departamento de Física – Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas

Neodimio - Hierro - Boro Luego del exitoso desarrollo de imanes de samario-cobalto, se trató de desarrollar imanes de tierras raras de menor costo. El hierro es un metal de transición mucho más barato que el cobalto, y el neodimio es una tierra rara liviana mucho más abundante que el samario. Diversas tierras raras X se combinaron con hierro en compuestos X2Fe17, pero todos presentaron temperaturas de operación muy bajas para propósitos prácticos. Una mejora significativa ocurrió con el descubrimiento de que el agregado de boro formaba un compuesto ternario con fuerte anisotropía magnetocristalina uniaxial, y una mayor temperatura de operación.67 Un compuesto de neodimio-hierro-boro de fórmula aproximada a Nd2Fe14B presentó la mejor combinación de propiedades magnéticas y térmicas. La estructura de la celda unitaria de este material se muestra en la figura 8 y consiste de 68 átomos. 56 son de Fe, que ocupan sitios cristalográficamente no equivalentes denominados 16k1, 16k2, 8j1, 8j2, 4e y 4c. Estos imanes comercialmente vienen en muchas combinaciones de proporciones de neodimio y hierro, lo que produce un amplio rango de propiedades disponibles.68

67

apuntes.foros-fiuba.com.ar/apuntes/62/08/121Materiales_Magnéticos_y_Aplicaciones.html - Juan C. Fernández - Departamento de Física – Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires 68 apuntes.foros-fiuba.com.ar/apuntes/62/08/121Materiales_Magnéticos_y_Aplicaciones.html - Juan C. Fernández - Departamento de Física – Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas

Figura 8. Estructura de la celda unitaria del Ne2Fe14B Hay diferentes métodos de producción de imanes de Nd-Fe-B: Sinterizado. El polvo se moldea en una estructura compacta anisótropa mediante compactación y sinterizado en un campo orientador. Este proceso produce un imán de tipo nucleación en el que las fronteras de grano se componen de desviaciones ricas en neodimio de la composición primaria Nd2Fe14B, proveyendo la fijación de las fronteras de dominio. Uno de los problemas de este método es que los granos de NdFe-B son muy susceptibles de oxidarse en su superficie, lo que limita seriamente el tamaño de grano que puede obtenerse y hace muy difícil obtener en la práctica imanes útiles.69 La oxidación de un material comienza en su superficie, y si no se usa ningún recubrimiento de protección, el oxígeno del ambiente se difundirá hacia dentro del material produciendo reacciones químicas y alterando sus propiedades magnéticas. Este proceso de difusión aumenta fuertemente con la temperatura. Otros fenómenos de corrosión involucran otros agentes que se difunden y producen reacciones químicas destructivas dentro del material. Desde el comienzo de la utilización

69

apuntes.foros-fiuba.com.ar/apuntes/62/08/121Materiales_Magnéticos_y_Aplicaciones.html - Juan C. Fernández - Departamento de Física – Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas técnica de los imanes, cuando el hierro era el material fundamental, se ha utilizado la pintura como recubrimiento protector.70 Se ha encontrado en los compuestos de Sm-Co que el cobalto dificulta el proceso de difusión del oxígeno y que el producto fundamental del proceso de oxidación es Sm3O3. Por lo tanto se suele agregar cobalto en exceso de la cantidad estequiométrica del compuesto para mejorar el comportamiento frente a la oxidación.71 En el caso de los imanes de Nd-Fe-B la oxidación progresa selectivamente a lo largo de las fronteras de grano ricas en neodimio. El compuesto más importante de este proceso es Nd2O3. Se ha hallado que el agregado de cobalto al compuesto mejora la situación, ya que este migra a las fronteras de grano y reduce la proporción de neodimio pasible de oxidación.72 Templado rápido. Un proceso completamente diferente involucra el templado rápido de la aleación fundida de Nd-Fe-B, usando una técnica de "melt-spinning" para producir una cinta que luego es convertida en polvo. Mientras que una cinta obtenida por conformación mecánica produce partículas de polvo en forma de grandes placas, el templado rápido lleva a una microestructura extremadamente fina como la que se ilustra en la figura 9, nuevamente con fronteras de grano que se desvían de la composición primaria Nd2Fe14B, aunque en mucha menor medida que en el proceso de sinterizado. Sin embargo, este no es un imán de tipo nucleación, porque el polvo tiene una microestructura muy pequeña que se adecua al modelo de dominio único. Este proceso de fabricación produce imanes cuyo magnetismo permanente se basa en la anisotropía magnetocristalina, y requieren un fuerte campo aplicado para llevar 70

apuntes.foros-fiuba.com.ar/apuntes/62/08/121Materiales_Magnéticos_y_Aplicaciones.html - Juan C. Fernández - Departamento de Física – Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires 71 apuntes.foros-fiuba.com.ar/apuntes/62/08/121Materiales_Magnéticos_y_Aplicaciones.html - Juan C. Fernández - Departamento de Física – Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires 72 apuntes.foros-fiuba.com.ar/apuntes/62/08/121Materiales_Magnéticos_y_Aplicaciones.html - Juan C. Fernández - Departamento de Física – Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas inicialmente los granos del material a la magnetización de saturación. Como sugiere la figura 9, no es práctico moler el material a tamaño de mono-dominio, de forma que el polvo es inherentemente isótropo. Sin embargo, puede consolidarse en un imán compacto y anisótropo por la deformación plástica que ocurre en la compactación en caliente. La protección natural que esta microestructura aporta a las fronteras de grano por la disminución de la cantidad no estequiométrica de neodimio hace que el polvo sea muy estable respecto de la oxidación, de manera que es fácil fabricar imanes de cualquier forma por moldeo.73

Figura 9. Dominios magnéticos. HDDR. Hemos mencionado el problema de la oxidación en la preparación de polvo de Nd-Fe-B, de modo que también puede predecirse que absorbe hidrógeno con facilidad, lo que convierte al material en un polvo muy frágil y quebradizo. Esta característica facilita la conversión del material en polvo, y se ha convertido en la base del proceso llamado HDDR (por Hidrogenación, Desproporcionación, Desorpción y Recombinación, un proceso metalúrgico muy complejo para detallar). Este proceso también da al polvo de Nd-Fe-B una estructura ultra fina con granos de tamaño cercano al mono-dominio, y pueden obtenerse partículas de polvo de este tamaño. El polvo de Nd-Fe-B preparado con la técnica HDDR es inherentemente isótropo, pero los imanes fabricados por compactación en caliente o moldeo son generalmente anisótropos debido

73

apuntes.foros-fiuba.com.ar/apuntes/62/08/121Materiales_Magnéticos_y_Aplicaciones.html - Juan C. Fernández - Departamento de Física – Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas a las condiciones de procesamiento y el agregado de aditivos que inducen un mayor grado de textura en la aleación.74 Los imanes de Nd-Fe-B fabricados con el proceso HDDR exhiben curvas características de desmagnetización con codos bien definidos de inversión de la magnetización.

74

apuntes.foros-fiuba.com.ar/apuntes/62/08/121Materiales_Magnéticos_y_Aplicaciones.html - Juan C. Fernández - Departamento de Física – Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas Resumen: Aplicaciones de los imanes permanentes de las tierras raras en los nuevos generadores eólicos, síncronos y con imanes en el rotor.

Generación Eólica A lo largo de las últimas décadas el interés en la instalación de sistemas de generación distribuidos basados en energías renovables ha ido en aumento. Este interés queda justificado principalmente por los beneficios medioambientales derivados de la implantación de estos sistemas y la independencia energética respecto a los combustibles fósiles que se consigue. Más en concreto, y centrándonos en la generación eólica, es indudable el notable incremento que ha experimentado en los últimos años y, además, se prevé que esta evolución continúe.75 En Europa, el recurso eólico potencial se estima superior a los 125.000 MW de potencia que se pueden instalar y es posible que antes del año 2010 se instalen más de 25.000 MW, lo que supondría un 2% de la demanda eléctrica total de la Unión Europea.76

Figura 10. Potencia unitaria a lo largo de los años. 75

http://www.bizkaia.net/Home2/Archivos/DPTO8/Temas/Pdf/Ekin_Cas_2005/63-2005.pdf - Control De Convertidores De Potencia Avanzados Para Generado Eólicos - Martin González 76

http://usuarios.lycos.es/arquinstal03/publicaciones/otras/bib809_nuevas_tecnologias_en_sistemas _eolicos.pdf - energuia

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas

En la figura 10 se puede observar cómo fue en aumento la energía unitaria generada eólicamente. Como es natural, en paralelo con este crecimiento tan espectacular, se produce una evolución en las tecnologías utilizadas. Este incremento de la potencia instalada pasa por la sustitución de las máquinas existentes por máquinas de mayor potencia. Si en 1992 las máquinas habituales eran de 100 kW y hasta los últimos años de 600 kW, se están empezando a instalar máquinas de 1,5 MW y se piensa llegar incluso a 3 MW, gracias al desarrollo de tecnologías como los sistemas de velocidad variable, entre otras.77

Generador conectado directamente a la turbina eólica La diferencia de velocidades de giro entre la turbina y el generador hace necesaria la utilización de un multiplicador de velocidad entre ellos para adaptarlas. Este dispositivo reduce la inercia y la rigidez de la turbina vistas por el generador. La existencia de multiplicador de velocidad acarrea una serie de inconvenientes importantes como son: - La necesidad de incrementar el espacio disponible en la góndola. - Aumento de peso en la misma, con el consiguiente encarecimiento de toda la estructura del aerogenerador, que queda sometida a esfuerzos mayores, debidos tanto al propio peso como al empuje que ejerce el viento. - Incremento de problemas de mantenimiento en el sistema mecánico. El par mecánico producido por el viento sobre un sistema unido rígidamente a la red produce una fatiga sobre el sistema mecánico que obliga necesariamente a cambiar el multiplicador de velocidad periódicamente con el consiguiente coste adicional (llegándose en algunos casos al cambio del mismo después de 5.000 horas de funcionamiento). 77

http://usuarios.lycos.es/arquinstal03/publicaciones/otras/bib809_nuevas_tecnologias_en_sistemas _eolicos.pdf - energuia

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas - Pérdidas mecánicas en la transmisión.78 Esta serie de problemas hace plantearse la posibilidad de pensar en un sistema sin multiplicador de velocidad. La alternativa de un sistema sin multiplicador de velocidad, con conexión directa a la turbina, empieza a ser eficiente cuando se plantea su utilización para potencias elevadas ya que el coste del multiplicador crece linealmente con la potencia. Otro aspecto importante es que el hecho de conectar el generador directamente a la turbina obliga a aumentar el número de pares de polos de la máquina. Si se piensa en una máquina de muchos pares de polos, la reducción del paso polar (sector angular que ocupa cada polo en el perímetro de la máquina) obliga a que los devanados de excitación, que tienen que proporcionar el mismo campo magnético en el entrehierro, queden alojados a lo alto y no a lo ancho, como se indica en la figura 8. La consecuencia de esto es un importante aumento en el diámetro de la máquina.79

Figura 8. Aumento en el tamaño del generador al eliminar el multiplicador

78

http://usuarios.lycos.es/arquinstal03/publicaciones/otras/bib809_nuevas_tecnologias_en_sistemas _eolicos.pdf - energuia 79 http://usuarios.lycos.es/arquinstal03/publicaciones/otras/bib809_nuevas_tecnologias_en_sistemas _eolicos.pdf - energuia

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas Una alternativa a este problema es sustituir el devanado de excitación en una máquina síncrona por materiales con características magnéticas permanentes que den lugar al campo magnético necesario. La eliminación del devanado de excitación da lugar a la aparición de las máquinas síncronas de imanes permanentes. De esta forma, y como la energía de los imanes depende de su espesor, se puede reducir el paso polar sin un gran incremento en el diámetro como se ve en la figura 9.80

Figura 9. Variación de paso polar al aumentar el nº de polos con imanes permanentes Un 40% de las utilidades de imanes permanentes está destinado a generadores y motores eléctricos. El uso de imanes permanentes en vez de excitación eléctrica en máquinas eléctricas tiene las siguientes ventajas: - No hay pérdidas de excitación al no necesitarse corriente para la misma. - Mayor par y potencia de salida por unidad de volumen. - Mejor funcionamiento dinámico que las máquinas con excitación eléctrica, debido a una mayor densidad de flujo en el entrehierro. - Menor espacio necesario en la góndola y menor peso para la misma. - Simplicidad en la construcción y mantenimiento. - Reducción de precio en algunos tipos de máquinas. Los generadores eólicos de imanes permanentes no tienen hoy en día una gran presencia en el mercado pero se está apostando por ellos y en

80

http://usuarios.lycos.es/arquinstal03/publicaciones/otras/bib809_nuevas_tecnologias_en_sistemas _eolicos.pdf - energuia

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas muy poco tiempo tendrán un lugar importante dentro del panorama eólico.81 La evolución de los sistemas eólicos va encaminada a la instalación de aerogeneradores de una más alta potencia. Esto va asociado a la utilización de máquinas más eficientes integradas en sistemas de velocidad variable, accionadas mediante convertidores de potencia que perturben mínimamente a la red, y controlados mediante microcontroladores y DSPs con gran capacidad de cálculo, con los que se pueda determinar en cada instante y de la forma más eficiente posible el comportamiento más adecuado para el generador en función de los parámetros del sistema.82

81

http://usuarios.lycos.es/arquinstal03/publicaciones/otras/bib809_nuevas_tecnologias_en_sistemas _eolicos.pdf - energuia 82 http://usuarios.lycos.es/arquinstal03/publicaciones/otras/bib809_nuevas_tecnologias_en_sistemas _eolicos.pdf - energuia

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas

Generadores síncronos multipolares con imanes permanentes. En aerogeneradores de pequeña potencia, hasta 12 kW, se utilizan mayormente generadores síncronos de imanes permanentes. Esto es debido principalmente a su robustez y su bajo mantenimiento, evitan el uso de cajas multiplicadoras, aunque su precio es algo mayor. Este tipo de generadores se está utilizando cada vez más en aerogeneradores de gran potencia debido a lo reducido de su peso y volumen al utilizar imanes de alto magnetismo. En éste tipo de generadores la tensión de salida depende únicamente de la velocidad de giro del rotor, al no poder variar la corriente de excitación del circuito inductor. Para una determinada velocidad de rotación el generador se saturará. Ver característica de vacío, figura 1183

Figura 11. Característica voltaje - velocidad de rotación de un generador de imanes permanentes de 24 voltios.84

83

http://www.ute.com.uy/empresa/entorno/Energias_Renovables/eolica/Actividad_2002/Eolica_Gen eradores.pdf - SISTEMAS DE GENERADCIÓN ELECTRICA PARA AEROGENERADORES 84 http://www.ute.com.uy/empresa/entorno/Energias_Renovables/eolica/Actividad_2002/Eolica_Gen eradores.pdf - SISTEMAS DE GENERADCIÓN ELECTRICA PARA AEROGENERADORES

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas Existen distintas topologías de generadores de imanes permanentes. La mayor diferencia estriba en el camino de flujo magnético. Este puede ser radial, normalmente utilizado en generadores de pequeña potencia, o axial.85

Figura 12. Generador síncrono de flujo radial y axial. Los imanes giraran frente a las bobinas que componen los distintos polos e inducirán una fuerza electromotriz de frecuencia variable. El imán tenderá a alinearse con el polo, evitando cualquier variación de posición. El cambio de alineación entre el polo y el imán provocara un par senoidal que dependerá de la geometría y de las propiedades del material. Este par, denominado de reluctancia no es deseado.86

85

http://www.ute.com.uy/empresa/entorno/Energias_Renovables/eolica/Actividad_2002/Eolica_Gen eradores.pdf - SISTEMAS DE GENERADCIÓN ELECTRICA PARA AEROGENERADORES 86 http://www.ute.com.uy/empresa/entorno/Energias_Renovables/eolica/Actividad_2002/Eolica_Gen eradores.pdf - SISTEMAS DE GENERADCIÓN ELECTRICA PARA AEROGENERADORES

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas Es típico ver generadores de imanes permanentes de dos, de tres y de hasta seis o más fases. Sin embargo el número de imanes es mucho más flexible, desde 2 a 30 en generadores de pequeña potencia, debido a su geometría y de 30 hasta 90 imanes en generadores de gran potencia. Hay que tener en cuenta que un mayor número de imanes ofrece un mayor par para el mismo nivel de corriente. Por otro lado, un mayor número de imanes implica un menor sitio para implementarlo. El número ideal de imanes dependerá de la geometría del generador y de las propiedades de los materiales utilizados.87 Se puede establecer una relación entre el par de un generador de imanes permanentes y la geometría de éste a través de la siguiente fórmula: T = k D2 L, siendo T el par [Nm], k la constante de construcción, D el diámetro del rotor [m], y L la longitud axial del rotor [m].88

Figura 13. Aerogenerador con generador síncrono de imanes permanentes de flujo radial de 660 kW (GENESYS) y axial de 750 kW (JEUMON J48)89 87

http://www.ute.com.uy/empresa/entorno/Energias_Renovables/eolica/Actividad_2002/Eolica_Gen eradores.pdf - SISTEMAS DE GENERADCIÓN ELECTRICA PARA AEROGENERADORES 88 http://www.ute.com.uy/empresa/entorno/Energias_Renovables/eolica/Actividad_2002/Eolica_Gen eradores.pdf - SISTEMAS DE GENERADCIÓN ELECTRICA PARA AEROGENERADORES 89 http://www.ute.com.uy/empresa/entorno/Energias_Renovables/eolica/Actividad_2002/Eolica_Gen eradores.pdf - SISTEMAS DE GENERADCIÓN ELECTRICA PARA AEROGENERADORES

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas Resumen: Aplicaciones de los imanes permanentes de las tierras raras en los nuevos motores de imanes permanentes.

Motores de Imanes Permanentes La principal característica de este tipo de máquina es que no posee bobinas de excitación en el rotor, estas son reemplazadas por imanes permanentes.90 Son motores eléctricos que utilizan la combinación de campos magnéticos de naturaleza permanente y campos magnéticos inducidos producidos por la corriente de excitación externa que fluye a través de los devanados del estator.91 En los últimos años se ha observado un proliferamiento de este tipo de máquina gracias al desarrollo de mejores imanes.92 Dentro de los motores de excitación alterna se puede hacer una división donde se encuentra a los motores sincrónicos de imanes permanentes y a los motores llamados Brushless DC o motores de excitación alterna "sin escobillas" debido a su equivalencia con los motores de corriente continua.93 Estos motores difieren en su forma de construcción, y principalmente en la distribución del flujo magnético en su entrehierro y por consiguiente en la forma de su control. El primer tipo deriva de una máquina síncrona a la que se le reemplaza la excitación bobinada por imanes permanentes. Una característica de esta máquina es que la excitación es del tipo sinusoidal tal como los motores síncronos convencionales, y su estator es muy similar al de ellos. El segundo tipo se origina en una máquina de corriente continua, a la cual se le intercambian las funciones de excitación y armadura (rotor y estator). La función conmutadora del colector mecánico de una máquina DC, es realizada

90

http://www2.ing.puc.cl/power/paperspdf/dixon/tesis/Rodriguez.pdf - Estimación De Posición Y Control Simplificado De Corriente Para Motores BLDC – Matías Rodríguez Arnal 91 http://www.revistamarina.cl/revistas/1999/3/calvo.pdf - Motor de Imanes Permanentes como Propulsor Naval - Felipe Calvo Alvarez 92 http://www2.ing.puc.cl/power/paperspdf/dixon/tesis/Rodriguez.pdf - Estimación De Posición Y Control Simplificado De Corriente Para Motores BLDC – Matías Rodríguez Arnal 93 http://www.revistamarina.cl/revistas/1999/3/calvo.pdf - Motor de Imanes Permanentes como Propulsor Naval - Felipe Calvo Alvarez

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas ahora por un inversor electrónico, el que alimenta el estator del motor BLDC.94 Los motores sincrónicos de imanes permanentes tienen, como muy bien lo dice su nombre, una velocidad constante, sincrónica de acuerdo a la frecuencia de las corrientes de armadura. Actualmente, con el uso de dispositivos de electrónica de potencia es posible variar la frecuencia de la armadura, pudiendo de esta forma cambiar la velocidad de giro del rotor. La mayor ventaja de este tipo de motor, con respecto a los motores de inducción y sincrónicos convencionales, es la ausencia de pérdidas de deslizamiento y la natural habilidad de suministrar corriente reactiva, dependiendo de las condiciones de excitación tanto del imán como de la armadura. Además, hay un aumento general de la eficiencia de conversión de energía como también de la disminución de los costos de mantenimiento, y pérdidas asociadas a la refrigeración del motor.95 En el motor Brushless, la primera ventaja es que no requiere anillos ni escobillas que implican una necesidad de mantención periódica y limitan las velocidades de giro del rotor. Otra importante característica es que este tipo de máquina es menos susceptible a sufrir recalentamientos ya que los enrollados se encuentran solo en la parte externa del motor, es decir, en el estator. Por esto es más simple su refrigeración y en general los motores de potencias bajas pueden ser enfriados simplemente por aire.96

94

http://www2.ing.puc.cl/power/paperspdf/dixon/tesis/Rodriguez.pdf - Estimación De Posición Y Control Simplificado De Corriente Para Motores BLDC – Matías Rodríguez Arnal 95 http://www.revistamarina.cl/revistas/1999/3/calvo.pdf - Motor de Imanes Permanentes como Propulsor Naval - Felipe Calvo Alvarez 96 http://www2.ing.puc.cl/power/paperspdf/dixon/tesis/Rodriguez.pdf - Estimación De Posición Y Control Simplificado De Corriente Para Motores BLDC – Matías Rodríguez Arnal

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas

Figura 13. a) Imanes de montaje superficial para PMSM o BLDC y b) Imanes insertos en el rotor para PMSM (motor sincrónico de imanes permanentes).97 En estas máquinas los imanes pueden estar montados superficialmente en el rotor o en su interior. En general la fabricación de rotores con imanes en su interior es más complicada y costosa por lo que generalmente se utiliza el método de montaje superficial. El único inconveniente de este método es que la velocidad máxima de giro está acotada por el adhesivo utilizado para fijar los imanes al rotor.98

Figura 14. Rotor de Imanes Permanentes, montaje superficial.99

97

http://www2.ing.puc.cl/power/paperspdf/dixon/tesis/Rodriguez.pdf - Estimación De Posición Y Control Simplificado De Corriente Para Motores BLDC – Matías Rodríguez Arnal 98 http://www2.ing.puc.cl/power/paperspdf/dixon/tesis/Rodriguez.pdf - Estimación De Posición Y Control Simplificado De Corriente Para Motores BLDC – Matías Rodríguez Arnal 99 Adaptación de un Generador Eléctrico de Imanes Permanentes y flujo radial - Santos Jaimes Alfonso y Álvaro Enrique Pinilla Sepúlveda

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas

Figura 15. Rotor de Imanes Permanentes, imanes insertos.100 Estos motores tienen varias ventajas respecto a los del tipo de campo devanado. No se necesitan las alimentaciones de energía eléctrica para excitación ni el devanado asociado. Se mejora la confiabilidad, ya que no existen bobinas excitadoras del campo que fallen y no hay probabilidad de que se presente una sobre velocidad debida a pérdida del campo. Se mejoran la eficiencia y el enfriamiento por la eliminación de pérdida de potencia en un campo excitador. Así mismo, la característica par contra corriente se aproxima más a lo lineal. Un motor de imán permanente (PM) se puede usar en donde se requiere un motor por completo encerrado para un ciclo de servicio de excitación continua.101 En general se puede decir que los motores eléctricos son de mayor tamaño, más pesados y más caros que un sistema mecánico, como los motores diesel o las turbinas a gas, sin embargo, con el advenimiento de los motores de imanes permanentes ha sido posible disminuir estas condiciones desfavorables lo que hace pensar que su aplicación sea mayor en el futuro.102

100

http://www.hongyangmotor.com/En/ProductView.asp?id=178&class=8# http://www.edubots.cl/motores.pdf - MOTORES, BATERIAS Y MICROPROCESADORES Orlando Montero 102 http://www.revistamarina.cl/revistas/1999/3/calvo.pdf - Motor de Imanes Permanentes como Propulsor Naval - Felipe Calvo Alvarez 101

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas

Servomotores brushless de imán permanente Un Servomotor podría definirse genéricamente como un motor utilizado para obtener una salida precisa y exacta en función del tiempo. Dicha salida esta expresada habitualmente en términos de posición, velocidad y/o torque.103 La aplicación industrial de dichos motores esta desarrollándose significativamente por múltiples razones entre las que podemos mencionar: nuevos y más potentes componentes magnéticos para los motores como los imanes de tierras raras, reducción de costo de los motores y los equipos electrónicos necesarios para el control de los mismos, incorporación en dichos equipos electrónicos de nuevas funciones para un control preciso y confiable del movimiento que permiten utilizarlos eficientemente e incorporar nuevas aéreas a su dominio de aplicación.104 Esencialmente un motor brushless de imán permanente es una maquina sincrónica con la frecuencia de alimentación, capaz de desarrollar altos torques, hasta 3 o 4 veces su torque nominal, en forma transitoria para oponerse a todo esfuerzo que trate de sacarla de sincronismo.105

103

http://www.eurotechsa.com.ar/ascensores/Servomotores%20brushless%20de%20iman%20perm anente.pdf - Servomotores brushless de imán permanente 104 http://www.eurotechsa.com.ar/ascensores/Servomotores%20brushless%20de%20iman%20perm anente.pdf – Servomotores brushless de imán permanente 105 http://www.eurotechsa.com.ar/ascensores/Servomotores%20brushless%20de%20iman%20perm anente.pdf – Servomotores brushless de imán permanente

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas

En comparación con motores asíncronos a jaula de ardillas, con el mismo torque y velocidad en su eje, la inercia de un servomotor brushless es sustancialmente menor. Ambas características: sobretorques importantes e inercias reducidas son características apreciadas y útiles para el control del movimiento pues permiten rápidas aceleraciones y deceleraciones así como control preciso de posición en altas velocidades.106 Constructivamente el servomotor brushless posee un estator parecido al de un motor de jaula con un núcleo laminado y un bobinado trifásico uniformemente distribuido. El rotor está constituido por un grupo de imanes permanentes fijados en el eje de rotación. La fijación de los imanes al rotor ha sido uno de los puntos críticos en la construcción de estos motores debido a las altas fuerzas centrifugas a las que se encuentran sometidos durante los procesos de aceleración y frenado. Actualmente se combinan fijaciones mecánicas de diferentes tipos, atadura con fibra de vidrio, chaveteado con diferentes materiales, etc., con pegado utilizando adhesivos especiales.107

106

http://www.eurotechsa.com.ar/ascensores/Servomotores%20brushless%20de%20iman%20perm anente.pdf - Servomotores brushless de imán permanente 107 http://www.eurotechsa.com.ar/ascensores/Servomotores%20brushless%20de%20iman%20perm anente.pdf - Servomotores brushless de imán permanente

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas Haciendo circular corriente alterna en las fases del bobinado de estator producimos un campo magnético rotante en el entrehierro del motor. Si en cada instante el campo magnético generado en el estator intersecta con el ángulo correcto al campo magnético producido por los imanes del rotor generamos torque para lograr el movimiento del motor y la carga acoplada a él. La utilización de un dispositivo electrónico denominado servodrive para alimentar el estator con la tensión y frecuencia correcta, permite en cada instante, generar un campo magnético estatórico de magnitud y posición correctamente alineada con el campo magnético de rotor. De esta forma obtenemos el torque necesario para mantener la velocidad y posición deseada del eje del motor.108 La utilización de servomotores se está popularizando en todas las ramas de la industria. En el transporte vertical vemos cada vez más frecuentemente aplicaciones que aprovechan la alta capacidad de sobretorque y la baja inercia del motor para lograr un perfecto control del viaje y nivelación aun en muy altas velocidades en maquinas de tracción o posicionamientos perfectos con alto control del torque en operadores de puerta. La alta capacidad volumétrica de torque del motor permite obtener maquinas de dimensiones reducidas en comparación con las maquinas de otras tecnologías facilitando la instalación. Los servodrives incorporan mayor capacidad de control de movimiento y comunicación realizando en algunos casos funciones que eran anteriormente dominio exclusivo de la maniobra. Los conjuntos son más eficientes desde el punto de vista rendimiento y consumen menos energía que algunas aplicaciones tradicionales. Por lo tanto es de esperar en un futuro cercano una mayor difusión de este tipo de soluciones acompañada por una baja de costo, producto de la mayor cantidad de unidades manufacturadas y número de proveedores presentes en el mercado.109

108

http://www.eurotechsa.com.ar/ascensores/Servomotores%20brushless%20de%20iman%20perm anente.pdf - Servomotores brushless de imán permanente 109 http://www.eurotechsa.com.ar/ascensores/Servomotores%20brushless%20de%20iman%20perm anente.pdf - Servomotores brushless de imán permanente

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas

Motores de Imanes Permanentes sin reductores Utilizado durante décadas en aplicaciones en pequeña escala por su buena relación peso-prestaciones, por ejemplo en la industria de ordenadores, el motor de imanes permanentes ha sido perfeccionado por ABB para ofrecer gran precisión y fiabilidad a las aplicaciones industriales que necesitan un alto par de giro y baja velocidad. Esta nueva tecnología de imanes permanentes contribuye a que se pueda prescindir de los reductores en numerosos sectores industriales. El primero de ellos será la industria papelera, ya que las máquinas de papel utilizan gran número de motores de alta precisión y baja velocidad.110 El motor de imanes permanentes de ABB es un motor síncrono que, sin deslizamiento del inducido, proporciona más precisión que los motores asíncronos normales. En un motor asíncrono, el deslizamiento varía según la velocidad y la carga. Con un motor síncrono es más sencillo optimizar la velocidad y la eliminación del compensador de deslizamiento mejora las prestaciones de control dinámico del motor. La construcción de un motor síncrono tradicional es más complicada que la del motor asíncrono y por tanto necesita más mantenimiento. Sin embargo, los imanes permanentes utilizados en el nuevo motor de ABB simplifican la construcción al crear un flujo constante en el entrehierro que permite prescindir de los devanados de rotor y de las escobillas normalmente utilizados para la excitación de los motores síncronos.111 El resultado es un motor que combina las grandes prestaciones de los motores síncronos y el robusto diseño de los motores asíncronos de inducción. El motor es alimentado directamente en el estator por el sistema de accionamiento de velocidad variable. El motor síncrono también puede suministrar mayor potencia con una unidad de menor

110

http://library.abb.com/GLOBAL/SCOT/scot271.nsf/VerityDisplay/E96662F70D8988AAC1256DDD00 347008/$File/22-25%20M792%20SPA.pdf - Automation technologies - Revista ABB 111 http://library.abb.com/GLOBAL/SCOT/scot271.nsf/VerityDisplay/E96662F70D8988AAC1256DDD00 347008/$File/22-25%20M792%20SPA.pdf - Automation technologies - Revista ABB

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas tamaño. Los imanes permanentes son de neodimio-hierro-boro (NdFeB), la última novedad de material magnético en el mercado.112 Después de dos exitosos proyectos piloto se instaló el primer sistema Direct Drive en agosto de 2002 en la línea de fabricación de materiales de envasado para la industria farmacéutica y de productos cosméticos de la empresa papelera M-Real, Finlandia. Los motores de inducción estándar, proyectados normalmente para funcionar a 750 –3.000 rpm, no son especialmente adecuados para funcionar a baja velocidad ya que al reducirse ésta el motor pierde rendimiento. También puede suceder que el motor no esté en condiciones de suministrar un par motor con una variación suficientemente suave en el intervalo de velocidades bajas.113

Configuración del accionamiento con: a) motor convencional de inducción, reductor y eje de transmisión; b) sistema Direct Drive

112

http://library.abb.com/GLOBAL/SCOT/scot271.nsf/VerityDisplay/E96662F70D8988AAC1256DDD00 347008/$File/22-25%20M792%20SPA.pdf - Automation technologies - Revista ABB 113 http://library.abb.com/GLOBAL/SCOT/scot271.nsf/VerityDisplay/E96662F70D8988AAC1256DDD00 347008/$File/22-25%20M792%20SPA.pdf - Automation technologies - Revista ABB

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas Normalmente, este problema se resuelve utilizando un reductor de velocidad, un equipo complicado, que ocupa espacio, necesita mantenimiento y consume una considerable cantidad de aceite. La nueva solución suministra un alto par motor directamente al sistema de accionamiento interno de la máquina de papel. Al eliminarse el reductor, el usuario ahorra espacio y costes de instalación, necesitando únicamente preparar la cimentación para un único elemento de accionamiento. Esto también proporciona más libertad de diseño a la hora de estudiar la implantación de la máquina de papel. El menor número de componentes y la mayor sencillez de la configuración reducen el tiempo de trabajo de ingeniería en la propia planta, facilitan la instalación, permiten aprovechar mejor el espacio disponible y reducen los inventarios de piezas de repuesto.114 La sencillez de configuración también aumenta la disponibilidad de la maquinaria de producción. La reducción del mantenimiento significa menos paradas de producción, menor pérdida de materias primas, mejor calidad del producto final y menos desgaste de la maquinaria de producción. Además, los trabajos de mantenimiento y de reparación son más rápidos. La tecnología de la solución DriveIT Direct Drive mejora la controlabilidad de los sistemas de accionamiento y permite a los motores de las máquinas de papel funcionar sin codificador de impulsos, pues los motores sincronizados proporcionan un control muy preciso sin necesidad de retroalimentación. La precisión es tan elevada como la conseguible en un motor de inducción de velocidad variable que funcione con retroalimentación. Esto significa que se puede prescindir del codificador de impulsos, lo cual reduce aún más las necesidades de mantenimiento. Esta es una ventaja muy especial para el sector del papel, en el cual la escasa fiabilidad de los dispositivos de retroalimentación contribuye a provocar paradas de la producción. La solución también puede reducir la complejidad del diseño, ya que los dispositivos de retroalimentación pueden ser difícilmente integrables en el sistema o es necesario 114

http://library.abb.com/GLOBAL/SCOT/scot271.nsf/VerityDisplay/E96662F70D8988AAC1256DDD00 347008/$File/22-25%20M792%20SPA.pdf - Automation technologies - Revista ABB

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas montarlos en puntos de difícil acceso. El nuevo accionamiento, más eficaz desde el punto de vista eléctrico, afecta directamente al consumo de energía y el ahorro aumenta considerablemente al reducirse la velocidad.115

El motor de imanes permanentes se viene utilizando desde hace varias décadas, pero sólo ahora se empieza a aplicar esta tecnología a los grandes motores. El pequeño tamaño y la gran precisión de los motores de imanes permanentes han generalizado el uso de los mismos para los relojes de pulsera y las unidades de disco duro de los ordenadores. Actualmente, el motor más grande de imanes permanentes alcanza las siete toneladas de peso. Estos motores se diseñan actualmente con flujo radial, con refrigeración por aire o agua y con un rotor de imanes permanentes. La potencia varía entre 27 y 1800 kW y la tensión del motor es típicamente de 400/690 VAC. La temperatura del rotor de imanes permanentes permanece naturalmente baja y es posible, por tanto, alcanzar valores altos de densidad de potencia.116

115

http://library.abb.com/GLOBAL/SCOT/scot271.nsf/VerityDisplay/E96662F70D8988AAC1256DDD00 347008/$File/22-25%20M792%20SPA.pdf - Automation technologies - Revista ABB 116 http://library.abb.com/GLOBAL/SCOT/scot271.nsf/VerityDisplay/E96662F70D8988AAC1256DDD00 347008/$File/22-25%20M792%20SPA.pdf - Automation technologies - Revista ABB

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas

Algunos Fabricantes DEXTER Magnetic Technologies Esta empresa es líder mundial en el suministro de soluciones comprensivas magnéticas incluyendo el diseño, ingeniería y fabricado de circuitos magnéticos complejos, imanes permanentes, ensamblados magnéticos, sistemas electromagnéticos, así como productos finales que sirven necesidades específicas del mercado. No solo recomiendan que tipo de material es mejor para cada aplicación, sino que ayudan en el diseño. La siguiente imagen es de la página inicial de la presente empresa, www.dextermag.com.

Vamos a hacer referencia a las características de los imanes de las tierras raras fabricados por esta empresa. Las propiedades magnéticas y las composiciones químicas de los grados comerciales de imanes de las tierras raras se presentan en la tabla a continuación. Ya que muchas

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas combinaciones de elementos y orientaciones son posibles, muchos grados adicionales están disponibles de varios productores.

Tabla 1. Propiedades Magnéticas Típicas. Las especificaciones generales que se presentan a continuación son para las características mecánicas e imperfecciones visuales. - Condiciones Superficiales: Todas las superficies del imán deberán estar sin los materiales extranjeros que tienden a sostener o recoger partículas extrañas sobre la superficie del imán en la condición desmagnetizada. - Otras imperfecciones físicas: Las imperfecciones como grietas menores finas, porosidad, vacíos, y otras, comúnmente encontradas en imanes sinterizados metálicos, serán juzgadas aceptables si las condiciones siguientes son encontradas: El imán cumple con los criterios magnéticos mínimos de funcionamiento convenidos; Las imperfecciones no crean partículas flojas u otras condiciones que interferirán con el funcionamiento apropiado del dispositivo final; Las grietas serán

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas aceptables a condición de que no se extiendan a través de más del 50 por ciento de ninguna superficie del polo. - Otras condiciones: Métodos no destructivos de inspección como el empleo de penetrantes, microscopía, el análisis de partícula magnética, la inspección ultrasónica, o rayos X no serán métodos aceptables y capaces de juzgar la calidad de imanes sinterizados de las tierras raras. Hay una excepción para casos donde se espera que el imán soporte condiciones anormales o estresadas. Tales condiciones antes deben ser especificadas y una prueba de servicio mutuamente aceptable inventada para asegurar que el imán no fallará en las condiciones de servicio especificadas. Tales pruebas deberían duplicar condiciones de servicio con factores de seguridad apropiados. Las dimensiones y tolerancias permitidas por imanes sinterizados de las tierras raras se presentan en la tabla 2, que se presenta a continuación.

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas

Tabla 2. Tolerancias de los imanes sinterizados de tierras raras. Las propiedades físicas y térmicas típicas para imanes permanentes de las tierras raras se presentan en las tablas que se encuentran seguidamente.

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas

La mayor parte de los fabricantes usa el control de procedimiento estadístico para supervisar parámetros claves en cada paso del proceso. Los proyectos de control son individualmente negociados con clientes para obtener las exigencias de calidad específicas. En ausencia de un plan de control, los imanes de las tierras raras serán inspeccionados para todas las características específicas usando un plan de muestreo estadísticamente válido. Tales proyectos pueden ser sacados de, la Planificación de Calidad y el Análisis: De Desarrollo de Producto Por Empleo, J.M. Juran y F. M. Gryna, 3a Edición, McGraw Colina (1993), el Capítulo 19. ISBN 0-07-033183-9.

SAMARIO COBALTO (SmCo)

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas SmCo es un material excelente para usos que requieren alto rendimiento en ambientes de trabajo con altas temperaturas. SmCo expone características térmicas excelentes con varios grados diseñados expresamente para usos hasta 300°C (570°F). Los productos de energía para materiales SmCo se extienden de 16 a 32 MGOe. Las propiedades de este material se presentan en la siguiente tabla:

Y las curvas de desmagnetización en esta gráfica:

NEODIMIO HIERRO BORO (NeFeB)

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas Es el material a elegir para usos de alto rendimiento y es el material con mayor energía actualmente disponible. Los productos de energía para estos imanes se extienden de 26 a 48 MGOe. Mientras NdFeB es menos frágil que algunos materiales magnéticos, este no debería ser usado como un componente estructural. Es sensible para calentarse y no debería ser usado en los ambientes que exceden 150°C (300°F). La tabla a continuación muestra las propiedades de este material:

Sus curvas de desmagnetización son de la siguiente forma:

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas

Sura Magnets Ha sido un fabricante principalmente de imanes permanentes durante más de 50 años. Hoy se ha especializado en la fabricación de imanes de precisión moldeados y compactados de Ferrita, NdFeB y SmCo. Otros productos son enchufes magnéticos para la industria automotor y varias clases de sistemas magnéticos. Suministran prácticamente todos los tipos de imanes permanentes, y pueden ofrecer el material óptimo para los distintos usos magnéticos solicitados por los clientes. A continuación vemos la página principal de Sura Magnets, www.suramagnets.se.

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas

IBS Magnet Se especializan en la fabricación y el suministro de imanes permanentes de cualquier material magnético, en particular de los materiales magnéticos de gran energía NdFeB y SmCo. Su extensa gama de dimensiones estándar disponibles también incluyen las abrazaderas magnéticas de todas las clases, las películas magnéticas, imanes para la separación de hierro, así como sistemas de imán innovadores como la pelota de imán y uniones de enchufe, abrazaderas hidrófugas magnéticas de mar y abrazaderas magnéticas en miniatura. Estos imanes pueden ser comprados en línea. En la imagen se muestra el sitio web de esta empresa, www.ibsmagnet.com.

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas

BOMATEC AG Es una empresa de venta y consulta, ubicada en Suiza ofrece tres gamas de producto: sensores, unidades de disco e imanes permanentes. Realizan los proyectos de los clientes, obteniendo así imanes hechos a medida, recibiendo la calidad suiza en precios internacionalmente competitivos. A continuación se muestra la página de internet de esta empresa, www.bomatec.ch.

Producen imanes innovadores, por ejemplo, para plantas eólicas. Producen imanes de calidad, por ejemplo, para bombeadores de diálisis. Producen imanes modernos, por ejemplo, en autos. Ofrecen en tecnología magnética: imanes AlNiCo, Imanes duros de Ferritas, Imanes de Tierras Raras e Imanes Plastic-Bounded. Los imanes de las tierras raras son presionados en un campo magnético, sinterizados y luego cortados o moldeados en la forma final.

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas

IDEMAG, Imanes y Desarrollos Magnéticos Es una empresa dedicada a la comercialización de todo tipo de imanes y aplicaciones magnéticas, con oficinas y centro de producción situados muy cerca del núcleo urbano de Barcelona. Produce 5 tipos principales de materiales magnéticos: imanes cerámicos, imanes metálicos, imanes de tierras raras, imanes flexofer-II e imanes flexofer-III. Y sus servicios se centran básicamente en: venta de piezas magnéticas prediseñadas de forma estándar y diseño a medida de sistemas magnéticos para necesidades no estándar. La siguiente imagen es de la página de internet de ésta empresa, www.idemag.com.

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas

El compuesto de Neodimio (Nd) - Hierro (Fe) - Boro (B) presenta excelentes valores magnéticos con relación a su masa y es apropiado para montajes que requieren miniaturización. Tienen escasa resistencia a temperaturas elevadas, pero buen precio con relación a sus prestaciones. Según el proceso de fabricación pueden ser sinterizados o bonded. El compuesto de Cobalto (Co) - Samario (Sm) posee importantes valores magnéticos aunque sensiblemente inferiores al Neodimio, y es sinterizado en cuanto a la calidad. Es muy estable a alta temperatura (250 °C), pero las materias primas están sujetas a fluctuaciones de valor al ser consideradas estratégicas. Las principales características que presentan éstos compuestos son: una alta inducción y fuerza coercitiva, dificultad de mecanizado por su fragilidad, baja resistencia a la oxidación, y a causa de sus altos valores magnéticos, pueden ser de muy reducidas dimensiones, lo cual les da utilidad en aplicaciones imposibles para otros materiales magnéticos. Bajo demanda se pueden suministrar diferentes dimensiones. Sus principales aplicaciones son en filtros magnéticos, instrumental de precisión, motores, sensores, micrófonos, altavoces. La siguiente tabla muestra las propiedades magnéticas de los compuestos fabricados por IDEMAG.

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas

ОАО NPO “Magneton” Es una empresa rusa, fundada en 1969 para proveer imanes permanentes de alta energía para equipos específicos. Produce una amplia variedad de imanes, como los de tierras raras (NdFeB, SmCo), aleaciones (AlNiCo, FeCoCr), y ferritas (SrFe). Es la única empresa del mundo en fabricar imanes de monocristal, y produce ensamblados y separadores magnéticos de varios tipos para diferentes industrias. A continuación se presenta una imagen del sitio web, www.tdmagneton.ru.

Los imanes permanentes de las tierras raras que produce esta empresa son recomendados para máquinas eléctricas miniatura, computadoras, sistemas acústicos, entre otros. Las ventajas son la

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas posibilidad de generar altos campos magnéticos en pequeños tamaños, y sus altos parámetros magnéticos.

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas

ACM ENGINEERING S.P.A Es una compañía ubicada cerca del Lago Maggiore en Italia y hace varios años que opera en el campo de la automatización industrial. Es líder en diseñar y producir servomotroes AC con imanes de tierras raras, motores Brushless AC, motores DC de imanes permanentes y DC field winded motors. La siguiente imagen muestra la página web de esta empresa italiana, www.acmengineering.it.

Las características de los servomotres AC son: muy bajo mantenimiento, alta protección a la contaminación externa, altas aceleraciones con altas performances dinámicas, y alta velocidad y resistencia a las sobrecargas. Producen desde motores pequeños de 0,3 Nm hasta 150 Nm de torque. También producen motores de baja

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas velocidad con alto torque de 24 polos, en versiones de ejes normales o huecos.

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas

D.E.E. M.S.E.: Research and realization of rotating electric machines Es una oficina de ingeniería y unidad de producción dedicada a cumplir con las necesidades de los clientes: investigación, diseño y producción de máquinas eléctricas rotativas especiales: alternadores, convertidores, motores. Podemos observar la pagina inicial de internet de esta empresa en la imagen, www.deemse.com.

El proceso consta de tres partes: investigación y mediciones, capacidad de producción y pruebas y mediciones con prototipos. En la primera instancia se utiliza un software de cálculo para optimizar los fenómenos magnéticos, térmicos, eléctricos y mecánicos, así como los costos de producción. Luego, la capacidad se ajusta a la realización de la máquina rotativa: potencia hasta 1MW, voltaje hasta 1kV, frecuencia hasta 2kHz, rotación hasta 24000rpm, peso hasta 1500kg. Y por último, el sistema de medición para obtener un proceso exacto de fabricación

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas incluye: resistencias, inductancias, capacitores, cargas de impacto, armónicos, vibraciones, temperaturas con cámara IR, entre otras.

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas

DYNEO - Permanent Magnet Solutions (LEROY SOMER) LEROY SOMER es una empresa con una fuerte presencia comercial en todos los mercados internacionales y dedicada a producir motores eléctricos: alternadores, motores sincrónicos de imanes permanentes, motores asincrónicos, motores de corriente continua, motores de freno asincrónicos, motores electromecánicos con engranajes, variadores de velocidad y bombas. El motor de imanes permanentes es presentado como una solución magnética que permite el ahorro de energía y que tiene niveles de eficiencia inigualables. En la página dyneo.leroysomer.com se presenta de manera elegante las ventajas de este motor. Estos motores LSRPM en la gama DYNEO tienen considerablemente mejor eficacia que los motores de inducción de eficacia alta para una misma velocidad nominal. Esta diferencia en la eficacia se hace aún más significativa manejando debajo de esta velocidad nominal, que es por definición el caso en usos de velocidad variables. Es diseñado para girar más rápido que un motor de inducción. Esto permite que la velocidad del motor se adapte a la de la máquina conducida, eliminando dispositivos de transmisión como cajas de cambio y mejorando el funcionamiento de la máquina conducida, aumentando su velocidad. Como consecuencia, la eficiencia total de la máquina se incrementa notablemente. La siguiente gráfica permite comparar los niveles de eficiencia con los de un motor de inducción.

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas Por otro lado el LSRPM, con una gama de potencia disponible hasta 400 kW en un marco de aluminio, es considerablemente más pequeño y más liviano comparado con un motor de inducción convencional de la misma potencia. Esta solución mucho más compacta tiene un número de ventajas: la reducción del tamaño de los bastidores que apoyan el motor y de ahí la máquina que recibe el cliente, la facilidad de instalar el motor sobre el lugar requerido, la simplificación de levantar el equipo, la reducción de gastos, entre otros. El siguiente grafico permite observar la diferencia en la relación potencia/peso entre ambas máquinas.

Al reducir las pérdidas del rotor, la tecnología patentada del rotor radial de imán mejora enormemente la eficacia del manejo y la potencia de salida específica. Los motores sincrónicos de imanes permanentes tienen tantos campos de aplicación como aquellos para motores de inducción: bombeo, ventilación, compresión, transporte, protuberancia, control de procedimiento, generadores, etc. La siguiente figura desglosa el motor permitiendo ver el rotor de imanes permanentes en su interior.

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas

La página de internet de la empresa LEROY SOMER es www.leroysomer.com.

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas

Índice INTRODUCCIÓN............................................................2 MATERIALES MAGNÉTICOS............................................3 HISTORIA DE LOS IMANES...........................................10 LOS ELEMENTOS DE LAS TIERRAS RARAS....................16 Estado natural y métodos de obtención......................... .......17 Métodos de separación y purificación...................................18 Propiedades.................................................... ......................21 COMPARACIÓN DE IMANES PERMANENTES..................23 MATERIALES MAGNÉTICOS FABRICADOS......................27 Samario - Cobalto.................................... .............................28 Neodimio - Hierro - Boro.......................................................31 GENERACIÓN EÓLICA..................................................36 Generador conectado directamente a la turbina eólica........37 Generadores síncronos multipolares con imanes permanentes. ............................. .........................................41 MOTORES DE IMANES PERMANENTES..........................45 Servomotores brushless de imán permanente......................49 Motores de Imanes Permanentes sin reductores...................52 ALGUNOS FABRICANTES.............................................56 DEXTER Magnetic Technologies............................................56 Sura Magnets.................................................................. ......63 IBS Magnet................................. ..........................................64 BOMATEC AG............................. ...........................................65 IDEMAG, Imanes y Desarrollos Magnéticos...........................66 ОАО NPO “Magneton”............................................. ..............68 ACM ENGINEERING S.P.A................................. ......................70 D.E.E. M.S.E.: Research and realization of rotating electric machines..................................................... .........................72 DYNEO - Permanent Magnet Solutions (LEROY SOMER).........74

31

Imanes Permanentes de las Tierras Raras Aplicaciones en Máquinas Eléctricas

ÍNDICE.......................................................................77

117

117

http://www.bizkaia.net/Home2/Archivos/DPTO8/Temas/Pdf/Ekin_Cas_2005/63-2005.pdf - Control De Convertidores De Potencia Avanzados Para Generado Eólicos - Martin González

31