Imanes de alto rendimiento en motores de vehículos eléctricos
El panorama mundial de la industria automotriz se ha transformado con la introducción de la energía eléctrica para el funcionamiento de los vehículos. El uso de motores eléctricos en los vehículos ha hecho que el transporte sea más económico, eficiente, ecológico y sostenible. El elemento principal de los vehículos eléctricos es el motor eléctrico que impulsa los vehículos mediante la conversión de energía eléctrica en energía mecánica. La eficiencia, la densidad de potencia y el rendimiento de los motores eléctricos dependen de la calidad de los imanes utilizados, ya que estos son los elementos principales de los motores.
Los imanes que tienen mayor fuerza magnética y capacidad de resistencia a la desmagnetización se utilizan generalmente en los motores de los vehículos eléctricos. El SmCo (samario cobalto) y el NdFeB (neodimio hierro boro) son imanes de tierras raras que tienen una alta fuerza magnética y resistencia a la desmagnetización y se seleccionan para la fabricación de motores eléctricos. La aplicación de estos imanes ha hecho que los motores eléctricos sean más livianos, compactos y capaces de generar un alto torque en diferentes condiciones de carga o velocidad (baja y alta velocidad). La propiedad de compacidad y peso ligero los ha convertido en los motores más adecuados y valiosos para los vehículos eléctricos. Debido a las propiedades únicas de los imanes de tierras raras, la demanda de motores eléctricos de los vehículos aumentará. Las industrias automovilísticas exigen imanes de alta resistencia y alta calidad para vehículos eléctricos debido al menor consumo de energía y soluciones económicas. Las demandas de imanes de alto rendimiento también están aumentando porque las personas están adoptando más vehículos eléctricos debido al menor uso de energía, el mejor rendimiento de conducción y el alcance adicional. La única dependencia de los imanes de tierras raras son las crecientes preocupaciones y desafíos debido al costo, la estabilidad de la cadena de suministro y otros factores ambientales de estos materiales. Los investigadores y científicos están trabajando para mejorar el rendimiento y las propiedades de los imanes y también están explorando nuevos tipos de imanes para poder ofrecer una solución sostenible en el futuro. El uso de imanes de alta calidad no solo hace que los vehículos eléctricos sean más eficientes, sino también más sostenibles para el futuro.
Importancia de los vehículos eléctricos (VE):
En esta era moderna, el crecimiento y la demanda de vehículos eléctricos han aumentado debido a las menores emisiones de carbono y a las soluciones energéticas más ecológicas. Los diferentes países están introduciendo nuevos tipos de iniciativas y políticas para adoptar la tecnología de motores eléctricos en los vehículos en sustitución de las fuentes de energía convencionales. Están proporcionando subsidios, créditos fiscales y desarrollando la estructura necesaria para los vehículos eléctricos a la gente. Las empresas como Tesla, BYD y Nissan de los EE. UU., China y las uniones europeas están fabricando una gran cantidad de vehículos eléctricos (VE). Las ventas de vehículos eléctricos se incrementarán hasta alcanzar el porcentaje máximo de las ventas actuales de vehículos convencionales para 2030.
Los motores eléctricos son los elementos principales de los vehículos eléctricos que proporcionan una mayor potencia a los vehículos en comparación con los motores de combustión interna convencionales (motores IC). El funcionamiento más suave y de alto rendimiento de los vehículos eléctricos depende de la calidad y la eficiencia de los motores eléctricos. Los motores de los vehículos eléctricos son básicamente los dispositivos que proporcionan una alta potencia de salida, eficiencia y equilibrio entre costo y peso. Las necesidades de los motores eléctricos están aumentando con el avance de la tecnología de los vehículos eléctricos. El par instantáneo y el mejor manejo de los motores de alta eficiencia y potencia proporcionan una mejor experiencia de conducción a los conductores. Por lo tanto, existe una necesidad imperiosa de trabajar en el diseño, el material y el sistema de control innovadores para que los vehículos eléctricos se vuelvan más atractivos en el mercado global.
Función de los imanes de alto rendimiento:
Introducción:
Los imanes de neodimio-hierro-boro (NdFeB) son imanes de alto rendimiento que tienen un campo magnético potente y brindan una solución liviana y compacta para sistemas como los motores de vehículos eléctricos. Los imanes de neodimio-hierro-boro (NdFeB) son los imanes de tierras raras que tienen la densidad de energía magnética más fuerte entre todos los imanes disponibles en los mercados. El neodimio, el hierro y el boro son los elementos utilizados para la producción de imanes de neodimio-hierro-boro. Para las aplicaciones donde se requiere alta velocidad, torque y compacidad, se prefieren los imanes de neodimio-hierro-boro (NdFeB).
Los imanes de alto rendimiento son fundamentales para los motores eléctricos debido a las siguientes propiedades:
Eficiencia:
La eficiencia y el rendimiento de los motores eléctricos dependen del campo magnético, ya que con el campo magnético la energía eléctrica del motor se convierte en energía mecánica, que actúa como fuente para el funcionamiento de los vehículos eléctricos. El campo magnético más fuerte de los imanes hace que los motores sean más eficientes. Los imanes de neodimio-hierro-boro (NdFeB) son imanes potentes y se utilizan ampliamente para el funcionamiento eficiente de los motores eléctricos.
Alta densidad de potencia y par:
Los imanes de alto par y densidad de potencia se utilizan para los motores eléctricos de los vehículos eléctricos. Los imanes de neodimio-hierro-boro son imanes con alto par y densidad de potencia y proporcionan una solución compacta para los motores de los vehículos eléctricos.
Diseño compacto y ligero:
El diseño compacto y ligero de los motores de los vehículos eléctricos es la máxima prioridad de los ingenieros y diseñadores automotrices. El uso de imanes de neodimio-hierro-boro ha hecho que el diseño de los motores eléctricos sea más compacto y ligero sin comprometer la eficiencia y la potencia de salida.
Que tiene estabilidad y resistencia al calor:
Los imanes que se utilizan generalmente para los motores eléctricos deben tener propiedades de alta estabilidad y resistencia frente a las condiciones de alta temperatura. Los imanes de neodimio-hierro-boro (NdFeB) tienen propiedades de alta resistencia y estabilidad frente al calor y las altas temperaturas. Por lo tanto, estos imanes son los más adecuados para la fabricación de los motores eléctricos de los vehículos eléctricos.
Para motores síncronos de imanes permanentes:
Los imanes de neodimio-hierro-boro (NdFeB) son imanes ampliamente utilizados en la fabricación de motores síncronos de imanes permanentes debido a sus propiedades únicas, como el campo magnético más fuerte y permanente con un diseño compacto y liviano.
Tipos de imanes de alto rendimiento
Imanes de neodimio, hierro y boro (NdFeB)
Los imanes de neodimio-hierro-boro (NdFeB) son imanes permanentes de tierras raras que se utilizan habitualmente en diversas aplicaciones prácticas, como en los motores de los vehículos eléctricos. Este tipo de imanes se fabrican con una combinación de elementos (hierro, boro, neodimio) y tienen la fórmula Nd2Fe14B, y son famosos por su extraordinaria fuerza magnética y su naturaleza permanente. Las propiedades de los imanes de neodimio se enumeran y describen a continuación:
Naturaleza frágil. Los imanes de boro y hierro de neodimio tienen la propiedad de ser frágiles, lo que significa que pueden romperse o fracturarse al aplicarles una carga o tensión.
Compacidad: Los clientes suelen exigir diseños compactos y ligeros de los vehículos eléctricos. Por ello, la estructura compacta y ligera de los motores eléctricos hace que los vehículos sean compactos. Los imanes de neodimio-hierro-boro (NdFeB) son imanes que se pueden diseñar en un tamaño compacto.
Fuerza magnética: La alta fuerza magnética generada puede ayudar a lograr una alta eficiencia y rendimiento de los motores. Los imanes de NdFeB tienen mayor fuerza magnética que otros imanes disponibles (Alnico y ferrita).
Temperatura de Curie: Los imanes de NdFeB tienen un valor bajo de temperatura de Curie y se mezclan otros materiales con estos para mejorar la temperatura de Curie como se desea para motores eficientes y estables.
Resistencia a la corrosión:
Los imanes deben tener capacidad para resistir la corrosión, pero los imanes de neodimio tienen menos resistencia a la corrosión y la oxidación. El recubrimiento de epoxi, zinc y níquel se realiza en la superficie de los imanes para mejorar la resistencia a la corrosión o la oxidación.
Por qué se prefieren los imanes de NdFeB para aplicaciones de vehículos eléctricos
Vehículos eléctricos eficientes:
Los imanes de neodimio y hierro-boro generan un campo magnético potente que permite que los motores funcionen de manera eficiente. Las pérdidas de energía de los motores se reducen y los vehículos pueden cubrir distancias con menos energía. Por lo tanto, los imanes de neodimio brindan una solución eficiente para los vehículos eléctricos.
Alta generación de par y aceleración:
La alta fuerza magnética de los imanes de neodimio ayuda a los motores a alcanzar condiciones de alto par a velocidades muy bajas. Esto significa que los vehículos eléctricos con motores de imanes de hierro de neodimio tienen una alta respuesta y una mejor experiencia para los usuarios.
Baja vibración y ruido:
Los motores de NdFeB tienen un funcionamiento menos ruidoso y sin vibraciones, por lo que se genera menos contaminación acústica en este tipo de motores eléctricos.
Gestión de la temperatura:
La temperatura de Curie de los imanes de NdFeB es inferior a la de los demás imanes, por lo que la gestión del calor y de la energía producida es sencilla. El rendimiento y la eficiencia de los vehículos se mantienen en una atmósfera exigente.
Compacto y ligero:
La aplicación de imanes de neodimio en los motores eléctricos ha hecho que los vehículos eléctricos sean más compactos y ligeros. Por ello, estos imanes se utilizan preferentemente en los motores de los vehículos eléctricos.
SmCo (imanes de samario y cobalto)
Los imanes de samario y cobalto son imanes de tierras raras y contienen los elementos de cobalto y samario. Estos imanes son muy adecuados para condiciones críticas de corrosión y alta temperatura. Tienen una alta capacidad de resistencia contra la corrosión a alta temperatura.
Propiedades:
Alta resistencia a la corrosión
Estos imanes no están corroídos ni oxidados y no necesitan recubrimientos o capas para protegerse contra la corrosión.
Estabilidad a altas temperaturas
Estos imanes mantienen su fuerza magnética y otras propiedades hasta un máximo de 3500Condición de temperatura C.
Frágil
Los imanes de samario cobalto (SmCo) tienen una estructura más frágil que la de los imanes de NdFeB.
Estos imanes tienen aplicaciones en las industrias automotriz, militar, aeroespacial y de fabricación de equipos médicos.
Comparación con imanes de NdFeB
Los imanes de samario cobalto (SmCo) son más costosos en comparación con los imanes de NdFeB. Los imanes de samario cobalto tienen una fuerza magnética menor que la de los imanes de neodimio hierro cobalto. Sin embargo, el rendimiento de los imanes de samario cobalto es mayor que el de los imanes de NdFeB en condiciones de temperatura más altas, ya que los imanes de NdFeB no pueden mantener su fuerza magnética y sus propiedades.
Aplicación de imanes en motores de vehículos eléctricos
Los motores BLDC (DC sin escobillas) y los PMSMS (motores síncronos de imanes permanentes) utilizan el campo magnético de los imanes para generar energía y estos motores de imanes permanentes se utilizan comúnmente en los vehículos eléctricos. Los imanes de tierras raras como el neodimio, el hierro y el cobalto y el samario y el cobalto se encuentran en este tipo de motores.
Motor síncrono de imán permanente (PMSM):
Descripción y funcionamiento.
Los motores síncronos de imanes permanentes (PMSM) son motores eléctricos que no tienen bobinado y funcionan con la ayuda del campo magnético de imanes permanentes. El motor se denomina síncrono porque la frecuencia de giro del rotor es igual a la del campo magnético permanente. Los PMSM tienen una alta densidad de potencia y eficiencia y control de precisión sobre el funcionamiento.
El estator, el rotor y el sistema de control son los componentes principales del motor síncrono de imanes permanentes. El estator tiene un devanado trifásico que produce un campo magnético cuando se suministra corriente alterna. Los imanes permanentes se encuentran en el rotor y generan su propio campo magnético. El campo magnético del estator crea una rotación en el rotor. El sistema de control del motor controla la frecuencia y la corriente.
Aplicación de imanes de alto rendimiento en PMSM.
Los imanes de alto rendimiento ayudan a producir una alta densidad de par en el motor síncrono de imán permanente y el diseño se vuelve compacto y la eficiencia del motor también aumenta debido al campo magnético más fuerte. Estos motores síncronos de imán permanente se utilizan ampliamente en la industria aeroespacial, drones, automatización de procesos industriales y de fabricación y también en vehículos eléctricos debido a su eficiencia y compacidad.
BLDC (motor de corriente continua sin escobillas)
En los motores de CC sin escobillas, los motores son síncronos y funcionan con la potencia de la corriente continua (CC) y el controlador (electrónico) se utiliza para controlar el funcionamiento. No se utilizan escobillas en estos motores. El estator, el rotor y el controlador electrónico son los componentes principales de los motores de CC sin escobillas. El estator es una parte estática que contiene las bobinas de alambre que fluyen con corriente. Los imanes permanentes están presentes en el rotor y se utiliza un controlador electrónico para controlar el funcionamiento.
Se mejora la eficiencia y el rendimiento de los motores.
Los imanes tienen impacto o efecto en el rendimiento y la eficiencia del motor BLDC:
Mayor densidad de potencia
Los imanes permanentes (tierras raras) producen una alta densidad de potencia y hacen que el funcionamiento sea perfecto.
Operación eficiente
Los imanes permanentes no necesitan ninguna fuente externa de energía para su funcionamiento, por lo que el funcionamiento de los motores eléctricos se vuelve eficiente debido al campo magnético de los imanes permanentes.
Rendimiento alto
Los imanes permanentes proporcionan alta eficiencia y rendimiento para condiciones de velocidad alta y variable.
Menos mantenimiento
Estos motores no tienen escobillas y su funcionamiento es por campo magnético por lo que requieren menor mantenimiento.
Funcionamiento silencioso
El funcionamiento de estos motores es silencioso y esto es debido al campo magnético de los imanes.
Beneficios de los imanes de alto rendimiento en los motores de vehículos eléctricos
Eficiencia mejorada:
Los imanes de NdFeB producen un campo magnético más fuerte con una cantidad mínima de energía en los motores eléctricos y hacen que su funcionamiento sea independiente de la energía externa o de una fuente de energía. De esta forma, el proceso del motor eléctrico funciona totalmente con el campo magnético, lo que aumenta la eficiencia de los motores eléctricos. La eficiencia energética general de los motores aumenta porque la potencia del motor funciona totalmente con la ayuda del campo magnético. Se utiliza una menor cantidad de energía en su funcionamiento y también aumenta la autonomía de conducción de los vehículos.
Densidad de potencia mejorada:
La densidad de potencia de los motores eléctricos se mejora con el uso de imanes permanentes, ya que proporcionan una alta potencia de salida con un tamaño más pequeño y compacto. El peso del vehículo se reduce con el uso de motores de imanes permanentes.
Durabilidad mejorada:
La durabilidad de los motores de los vehículos eléctricos aumenta gracias a los imanes permanentes de alto rendimiento que tienen la capacidad de resistir la desmagnetización durante más tiempo y son capaces de mantener las propiedades magnéticas en condiciones de alta temperatura.
Tendencias futuras e innovaciones
Avances en el diseño de materiales magnéticos
Se están realizando investigaciones y desarrollos sobre el diseño y desarrollo de nuevos tipos de materiales magnéticos para poder satisfacer las demandas de imanes en el futuro. El uso de imanes aumenta día a día debido a sus amplias aplicaciones en energías renovables, instrumentos de almacenamiento de datos, sensores y motores eléctricos. Los materiales magnéticos blandos, los materiales nanomagnéticos, los materiales magnéticos de alta temperatura, las aleaciones con memoria de forma magnética y los materiales magnéticos multifuncionales se están investigando y desarrollando para futuras aplicaciones.
Nuevos materiales a sustituir
Los materiales de nitruro de hierro proporcionan propiedades similares a las de los imanes de tierras raras, por lo que estos materiales se pueden utilizar en lugar de los imanes de tierras raras. Las aleaciones de MnBi y MnAl se pueden utilizar en lugar de los imanes de neodimio, hierro y boro.
Se utilizan nuevas técnicas y métodos de investigación para hacer que los imanes sean innovadores y sostenibles mediante la realización de actividades experimentales y de investigación de calidad.
Conclusión
La introducción de imanes de alto rendimiento en los motores eléctricos de los vehículos eléctricos ha hecho que el funcionamiento de los vehículos sea más eficiente energéticamente. Los imanes de alto rendimiento (tierras raras, SmCo y neodimio) desempeñan un papel importante en la transformación del mundo hacia los vehículos eléctricos. El rendimiento, la densidad de potencia, el rango de aceleración y la conducción de los vehículos eléctricos se han incrementado con estos imanes de mayor rendimiento. Se están realizando nuevas investigaciones y desarrollos para mejorar las propiedades de los imanes disponibles actualmente y descubrir nuevos materiales magnéticos.