Raffreddamento migliorato per motori elettrici ad alta potenza

Gli studiosi in Corea hanno sviluppato un magnete a struttura a sandwich che migliora il raffreddamento dei motori ad alta potenza utilizzati nei veicoli e nelle navi elettriche, scrive Nick Flaherty.

Il team di ricerca dell’Istituto Coreano di Scienze dei Materiali (KIMS) ha ideato un processo di diffusione e legame ai confini dei grani a struttura a sandwich, in cui più strati di magnete vengono sovrapposti e successivamente integrati.

Con l’aumento della potenza erogata dai motori basati su magneti di neodimio-ferro-boro (Nd-Fe-B), diventa sempre più difficile mantenere un’elevata coercività in tutto il magnete. Inoltre, il funzionamento ad alta velocità induce correnti di Foucault all’interno del magnete, generando calore che provoca un peggioramento delle prestazioni e una riduzione dell’efficienza del motore.

Tradizionalmente, vengono aggiunti elementi pesanti di terre rare (HRE) per mantenere le prestazioni magnetiche a temperature elevate. In particolare, sono stati ampiamente utilizzati i processi di diffusione ai confini dei grani, che prevedono la deposizione degli elementi HRE sulla superficie del magnete e il loro diffondersi verso l’interno.

Gli elementi HRE vengono applicati sulla superficie tramite rivestimento o spruzzatura e il magnete viene riscaldato in condizioni di vuoto a temperature comprese tra 900 e 1000 °C. Gli elementi fusi si spostano rapidamente lungo i confini dei grani liquidi e penetrano nei bordi esterni dei principali grani magnetici. Ciò forma uno strato esterno di HRE attorno al nucleo Nd-Fe-B.

Tuttavia, questo approccio è limitato dal meccanismo di diffusione basato sulla superficie dei grani. Ciò rende difficile ottenere un miglioramento sufficiente delle prestazioni all’interno dei magneti spessi e può causare sovraccarico termico.

Di solito, gli elementi terre rare ad alto valore come il neodimio, il disprosio e il terbio sono costosi e possono subire limitazioni nella catena di approvvigionamento a causa delle fonti in Cina. Ciò crea significativi problemi nella catena di approvvigionamento, spingendo i produttori di magneti a ridurre l’uso di questi elementi.

Per eliminare l’uso degli elementi terre rare ad alto valore, il processo sviluppato presso KIMS si basa invece su un’alluminio leggero a base di terre rare a basso punto di fusione, utilizzando il praseodimio non solo sulla superficie ma anche alle interfacce tra gli strati. Ciò permette che la diffusione abbia inizio anche dall’interno del magnete. In questo modo si ottiene una coercività stabile anche nei magneti spessi, garantendo al contempo prestazioni uniformi in tutta la struttura. Inoltre, si riduce la dipendenza dagli elementi terre rare ad alto valore costosi.

Questa tecnologia riduce anche la generazione di calore creando all’interno del magnete una struttura ad alta resistività, che impedisce la formazione di correnti di Foucault. A differenza degli approcci convenzionali che richiedono processi separati per la segmentazione del magnete, la diffusione ai confini dei grani e l’isolamento, questo metodo migliora simultaneamente la coercività e la resistività elettrica attraverso un unico processo di diffusione ai confini dei grani. Questo approccio integrato semplifica la produzione migliorando al contempo le proprietà magnetiche, elettriche e strutturali.

I magneti ottenuti possono essere utilizzati nei motori di trazione dei veicoli elettrici, dove una minore generazione di calore e un’efficienza migliorata a livello del magnete possono potenziare le prestazioni complessive del motore e l’efficienza energetica.

“Questo studio dimostra un progresso significativo nell’ottenere contemporaneamente un’elevata coercività e una ridotta generazione di calore nei magneti spessi”, ha affermato Su-Min Kim, ricercatore senior presso KIMS.

“Quello che distingue questa tecnologia è il fatto che integra il potenziamento della coercività, il miglioramento della resistività e la saldatura strutturale in un unico processo. Questa tecnologia presenta un forte potenziale non solo per i motori dei veicoli elettrici, ma anche per applicazioni che richiedono magneti grandi e ad alte prestazioni, come le navi elettriche; si prevede inoltre che diventi una tecnologia materiale fondamentale per i motori di prossima generazione”, ha aggiunto.

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