Enfriamiento mejorado para motores eléctricos de alta potencia

Nick Flaherty escribe que investigadores en Corea han desarrollado un imán de estructura sándwich que mejora la refrigeración de los motores de alta potencia utilizados en vehículos y embarcaciones eléctricas.

El equipo de investigación del Instituto Coreano de Ciencia de Materiales (KIMS) creó un proceso de difusión y unión en las fronteras entre granos con estructura sándwich, en el cual se apilan múltiples capas de imán y luego se integran.

A medida que aumenta la potencia de los motores basados en imanes de neodimio-hierro-boro (Nd-Fe-B), resulta cada vez más difícil mantener una alta coercividad en todo el imán. Además, el funcionamiento a altas velocidades genera corrientes de Foucault dentro del imán, lo que produce calor y conduce a una degradación del rendimiento así como a una menor eficiencia del motor.

Convencionalmente, se han añadido elementos pesados de tierras raras (HRE) para mantener el rendimiento magnético a temperaturas elevadas. En particular, se han utilizado ampliamente los procesos de difusión en las fronteras entre gránulos, que consisten en recubrir los elementos HRE sobre la superficie del imán y permitir que difundan hacia adentro.

Los elementos HRE se recubren o se pulverizan sobre la superficie y el imán se calienta en vacío a temperaturas de 900–1000 °C. Los elementos fundidos se desplazan rápidamente a lo largo de las fronteras líquidas entre gránulos e penetran en los bordes exteriores de los principales gránulos magnéticos. Esto forma una capa externa de HRE alrededor del núcleo de Nd-Fe-B.

No obstante, este enfoque está limitado por el mecanismo de difusión basado en la superficie de los gránulos. Esto dificulta lograr una mejora suficiente en el rendimiento en el interior de los imanes gruesos y puede provocar sobrecalentamiento.

Típicamente, los elementos de tierras raras altamente funcionales como el neodimio, el disprosio y el terbio son caros y pueden enfrentar limitaciones en la cadena de suministro al obtenerse de China. Esto plantea serios desafíos en dicha cadena, lo que lleva a los fabricantes de imanes a reducir el uso de estos elementos.

Para eliminar el uso de elementos de tierras raras altamente funcionales, el proceso desarrollado en KIMS se basa en cambio en una aleación de tierras raras ligeras con bajo punto de fusión que utiliza praseodimio, no solo en la superficie sino también en las interfaces entre capas. Esto permite que la difusión comience desde el interior del imán. De este modo se logra una coercividad estable incluso en imanes gruesos, al tiempo que se garantiza un rendimiento uniforme en toda la estructura. Además, reduce la dependencia de elementos costosos de tierras raras altamente funcionales.

La tecnología también aborda la generación de calor al formar una estructura de alta resistividad dentro del imán, lo que suprime la formación de corrientes de Foucault. A diferencia de los enfoques convencionales que requieren procesos separados para la segmentación del imán, la difusión en las fronteras entre granos y el sellado aislante, este método mejora simultáneamente la coercividad y la resistencia eléctrica mediante un único proceso de difusión en las fronteras entre granos. Este enfoque integrado simplifica la fabricación al tiempo que mejora las propiedades magnéticas, eléctricas y estructurales.

Los imanes resultantes pueden utilizarse en motores de tracción para vehículos eléctricos, donde la menor generación de calor y la mayor eficiencia a nivel del imán pueden mejorar el rendimiento general del motor y su eficiencia energética.

“Este estudio demuestra un avance significativo al lograr simultáneamente una alta coercividad y una menor generación de calor en imanes gruesos”, dijo Su-Min Kim, investigadora principal en KIMS.

“Lo que diferencia a esta tecnología es que integra el aumento de la coercividad, la mejora de la resistividad y la unión estructural en un único proceso. Esta tecnología tiene un gran potencial no solo para los motores de vehículos eléctricos, sino también para aplicaciones que requieren imanes grandes y de alto rendimiento, como los barcos eléctricos, y se espera que evolucione hacia una tecnología de materiales clave para los motores de próxima generación”, agregó.

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