Resfriamento aprimorado para motores elétricos de alta potência

Segundo Nick Flaherty, pesquisadores na Coreia desenvolveram um ímã de estrutura em sanduíche que melhora o sistema de resfriamento dos motores de alta potência utilizados em veículos e embarcações elétricas.

A equipe de pesquisa do Instituto Coreano de Ciência dos Materiais (KIMS) criou um processo de difusão e ligação nas fronteiras entre grãos com estrutura em sanduíche, no qual várias camadas de ímã são empilhadas e posteriormente integradas.

À medida que a potência dos motores baseados em ímãs de neodímio–ferro–boro (Nd-Fe-B) aumenta, torna-se cada vez mais difícil manter uma alta coercividade em todo o ímã. Além disso, a operação em alta velocidade gera correntes de Foucault dentro do ímã, produzindo calor que leva à degradação do desempenho e à redução da eficiência do motor.

Convencionalmente, elementos pesados de terras raras (HRE) têm sido adicionados para manter o desempenho magnético em temperaturas elevadas. Em particular, os processos de difusão nas fronteiras entre grãos, que envolvem a aplicação de elementos HRE na superfície do ímã e sua difusão para dentro, têm sido amplamente utilizados.

Os elementos HRE são aplicados por revestimento ou pulverização na superfície, e o ímã é aquecido em vácuo a temperaturas de 900–1000 °C. Os elementos fundidos se deslocam rapidamente ao longo das fronteiras líquidas entre os grãos e penetram nas bordas externas dos principais grãos magnéticos. Isso forma uma camada externa de HRE ao redor do núcleo de Nd-Fe-B.

No entanto, essa abordagem é limitada pelo mecanismo de difusão baseado na superfície dos grãos. Isso dificulta a obtenção de uma melhoria suficiente no desempenho no interior de ímãs espessos e pode causar superaquecimento.

Geralmente, os elementos de terras raras de alta performance, como neodímio, dissprósio e terbílio, são caros e podem sofrer restrições na cadeia de suprimentos ao serem adquiridos da China. Isso gera desafios significativos na cadeia de suprimentos, o que leva os fabricantes de ímãs a reduzir o uso desses elementos.

Para eliminar o uso de elementos de terras raras de alta performance, o processo desenvolvido no KIMS baseia-se em uma liga leve de terras raras com baixo ponto de fusão, utilizando praseodímio não apenas na superfície, mas também nas interfaces entre as camadas. Isso permite que a difusão comece também a partir do interior do ímã. Assim, é alcançada uma coercividade estável mesmo em ímãs espessos, ao mesmo tempo em que se garante um desempenho uniforme em toda a estrutura. Isso também reduz a dependência de elementos caros de terras raras de alta performance.

A tecnologia também combate a geração de calor ao formar uma estrutura de alta resistividade dentro do ímã, o que inibe a formação de correntes de Foucault. Diferentemente das abordagens convencionais que exigem processos separados para a segmentação do ímã, difusão nas fronteiras entre grãos e ligação isolante, este método melhora simultaneamente a coercividade e a resistividade elétrica por meio de um único processo de difusão nas fronteiras entre grãos. Essa abordagem integrada simplifica a fabricação, ao mesmo tempo em que aprimora as propriedades magnéticas, elétricas e estruturais.

Os ímãs resultantes podem ser utilizados em motores de tração de veículos elétricos, onde a menor geração de calor e a maior eficiência em nível do ímã podem melhorar o desempenho geral do motor e a eficiência energética.

“Este estudo demonstra uma inovação na obtenção simultânea de alta coercividade e reduzida geração de calor em ímãs espessos”, disse Su-Min Kim, pesquisadora sênior no KIMS.

“O que diferencia esta tecnologia é o fato de ela integrar o aprimoramento da coercividade, a melhoria da resistividade e a ligação estrutural em um único processo. Esta tecnologia tem grande potencial não apenas para motores de veículos elétricos, mas também para aplicações que exigem ímãs grandes e de alto desempenho, como navios elétricos, e espera-se que se torne uma tecnologia de materiais essencial para motores da próxima geração”, acrescentou ela.

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