Motores eléctricos sin tierras raras para un futuro sostenible

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¿Qué son las tierras raras?

Las tierras raras proceden de la tabla periódica. Son un grupo de 17 elementos metálicos, entre ellos los 15 lantánidos junto con el escandio y el itrio. A pesar de su nombre, estos elementos no son realmente raros en abundancia, pero rara vez se encuentran en yacimientos concentrados y económicamente viables.

Aunque se denominan elementos de tierras raras, estos materiales no son realmente raros en la corteza terrestre. Qué los hace «raros» es la dificultad de extraerlas, separarlas y refinarlas en formas utilizables. El proceso de extracción es complejo, consume mucha energía y es muy exigente con el medio ambiente. En las últimas décadas, China ha dominado y ampliado esta capacidad de refinado, lo que le ha permitido dominar más del 70% de la producción mundial de tierras raras y casi toda la capacidad de procesamiento. Este dominio ha dado a China una influencia significativa sobre los precios y la estabilidad del suministro, creando de hecho una posición estratégica en el mercado mundial de las tierras raras. monopolio que afecta a industrias de todo el mundo, desde vehículos eléctricos a turbinas eólicas y electrónica de consumo.

Fuente: U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries, enero de 2024

¿Por qué son importantes las tierras raras?

La mayoría de los motores eléctricos modernos que buscan una alta eficiencia y densidad de potencia utilizan imanes de tierras raras por su excepcional fuerza magnética. Sin embargo, recientemente tensiones geopolíticas y cambios políticos entre las naciones han revelado una vulnerabilidad crítica: el alto rendimiento significa poco si la colapsa la cadena de suministro. La dependencia de los materiales de tierras raras no sólo conlleva el riesgo de retrasos en la producción, sino que también puede disparar los costes, ya que los fabricantes se apresuran a rediseñar las cadenas de suministro o a buscar imanes alternativos capaces de ofrecer un rendimiento comparable.

fuente: Servicio Geológico de EE.UU., Mineral Commodity Summaries, enero de 2024 / Eggert, R., Wadia, C., Anderson, C., Bauer, D., Fields, F., Meinert, L., & Taylor, P. (2016). Tierras raras: perturbación del mercado, innovación y cadenas de suministro mundiales. Revista anual de medio ambiente y recursos, 41(1), 199-222.

Los precios de dos materiales críticos de tierras raras – Neodimio y Disprosio – se han vuelto cada vez más volátiles debido a la fuerte cadena de suministro monopolizada. Tras los últimos acontecimientos, está claro que esta inestabilidad dificulta a los fabricantes la predicción del margen de beneficio de cada motor eléctrico producido. Esta incertidumbre puede tener graves consecuencias financieras, sobre todo para las empresas que producen motores en grandes volúmenes cada mes.

Entonces, ¿cuál es la solución?

Está claro que debemos utilizar imanes sin tierras raras o eliminar por completo los imanes de nuestros diseños de motores. En esta sección, exploraremos cómo diseñar motores eléctricos alternativos que no dependan de materiales de tierras raras.

Antes de explorar estos diseños, es importante comprender los principios fundamentales de los motores eléctricos, porque para resolver este reto hay que empezar por entender de dónde procede realmente el par. En un motor eléctrico síncrono, hay dos fuentes principales de par: par mutuo (imán) y par de reluctancia.

1. Par mutuo

En el corazón de todo motor eléctrico se encuentra el campo electromagnético giratorio generado en el estator. El núcleo de acero laminado del estator y los devanados de cobre organizados se energizan mediante una fuente de tensión o corriente, produciendo este campo.

Si el suministro es CCComo se muestra en la imagen de la izquierda, con esta configuración se crea un campo electromagnético estacionario de 4 polos. A través de interacción dipolo magnéticoLos imanes permanentes del rotor pueden alinearse o «bloquearse» con este campo, pero no se produce una rotación continua, ya que tanto el campo como los imanes permanecen en posiciones fijas.

Cuando se cambia la alimentación de CC a CA (ya sea de la red o de un inversor trifásico), el campo electromagnético comienza a girar. Colocando imanes en el rotor con el mismo número de polos que el estator (por ejemplo, cuatro polos como se muestra en la animación), el campo magnético en el rotor puede sincronizar con el campo giratorio del estator – y esta interacción produce par.

En la tecnología actual de motores eléctricos, imanes de neodimio-hierro-boro (NdFeB), que contienen elementos de tierras raras, se utilizan habitualmente para conseguir un par y una densidad de potencia elevados.

Tomemos un diseño de referencia para evaluar el rendimiento de estos imanes en un motor eléctrico. A PMSM de cuatro polos y 1,2 kW para este estudio. Con estos imanes, la interacción magnética genera aproximadamente 11,18 Nm de par a 3000 rpm para el motor diseñado.

Queremos prescindir de los imanes de tierras raras. Hay varios tipos de imanes alternativos que no contienen materiales de tierras raras, como por ejemplo ferrita, aluminio níquel cobalto (AlNiCo)y imanes compuestos sin samario. Estas opciones son más asequibles y más fáciles de obtener, pero su fuerza magnética es significativamente más débil en comparación con los imanes sin samario. neodimio o a base de disprosio de disprosio. Como resultado, no pueden generar por sí mismos el mismo densidad de flujo magnético o niveles de par en un motor eléctrico.

¿Por qué los imanes sin tierras raras no pueden ofrecer el mismo rendimiento?

Cuando examinamos la ecuación de par de un motor eléctrico, destacan dos factores clave: el enlace de flujo producido por los imanes del rotor y el corriente en los bobinados del estator. Cuando se multiplican por el número de polos y otras constantes, determinan el par. Para una corriente y un diseño de motor fijos, sólo el enlace de flujo del imán influye directamente en el componente de par.

El enlace de flujo representa el flujo magnético total que pasa por los devanados del estator y es directamente proporcional al fuerza magnética del material del rotor, a menudo descrito por su remanencia. Un valor más alto de remanencia significa un campo magnético más fuerte y, por lo tanto, un mayor enlace de flujo, lo que conduce a una mayor producción de par.

Una de las calidades más comunes de imanes de tierras raras, NdFeB N30tiene un remanencia de aproximadamente 1,125 T a intensidad de campo magnético cero. El enlace de flujo resultante depende del tamaño y la posición del imán.

Ahora, consideremos una configuración idéntica utilizando un imán de ferrita libre de tierras rarascomo Y33Hque tiene un remanencia de 0,43 T. En teoría, esto significa que el par de salida sería aproximadamente 2,6 veces menor para el imán de ferrita. Sin embargo, esta diferencia puede ser menor en la práctica debido a efectos de desmagnetización del campo magnético del estator. Los imanes de ferrita son generalmente más susceptibles a la desmagnetización que los imanes de NdFeB, por lo que se espera que la relación de par real sea inferior a 2,6.

Cuando simulamos el mismo motor utilizando imanes Y33H, observamos que la versión de ferrita produce un par medio de 5,68 Nmlo que equivale aproximadamente a la mitad que la versión NdFeB.

Así pues, este análisis demuestra que la simple sustitución de los imanes de NdFeB por imanes de ferrita no resuelve el problema de rendimiento. Por eso tenemos que hacer uso del segundo componente de par:

Par de reluctancia

La mayoría de la gente se ha encontrado con este fenómeno al menos una vez: cuando se suspende una pequeña aguja de hierro y se mueve un imán a su alrededor, la aguja tiende a alinearse con el imán. Esto ocurre porque la aguja busca de forma natural la camino de menor reluctancia magnética entre el núcleo de hierro y el campo magnético, y crea una fuerza sobre la aguja. Este efecto se conoce como par de reluctanciay su magnitud depende del diferencia de reluctancia magnética entre el directa (d) y cuadratura (q) ejes de una estructura. Para un motor eléctrico:

En este caso, dos agujas de hierro adyacentes siguen el campo electromagnético giratorio en el estator, lo que da como resultado aproximadamente 3 Nm de par de reluctancia. Sin embargo, como se ve en la simulación, este par es relativamente bajo y ruidoso debido a la forma actual del rotor. Para lograr mayor par y menor ruidola geometría del rotor debe rediseñarse para crear una trayectoria magnética más optimizada.

Para reducir la ondulación del par y aumentar el par motor del mismo motor, barreras de flujo-también conocidas como bolsas de aire-se introducen en el interior del rotor.

Estas bolsas de aire crean un diferencia de reluctancia magnética entre el eje d y eje q. En teoría, teniendo más o más grande bolsas de aire aumenta el par de reluctancia, ya que cuanto mayor es la diferencia de reluctancia magnética entre los dos ejes, mayor es la contribución al par. Pero un mayor número de barreras de flujo puede dar lugar a estrechas tolerancias de fabricación entre las barreras y el borde exterior del rotor.

Con este nuevo diseño del rotorel motor funciona con menor ruido de par y proporciona aproximadamente 20% más de par motor.

Ahora, la siguiente pregunta es: ¿por qué no combinar ambos componentes de par para lograr un rendimiento aún mayor? Colocando imanes de ferrita rectangulares dentro de las barreras de flujo, podemos formar lo que se conoce como Motor síncrono de reluctancia asistido por ferrita (Fas-SynRM)-un diseño que combina las ventajas de la reluctancia y el par magnético.

Con esta configuración, el FaSynRM produce un par medio de 7,8 Nm. Sin embargo diferencia de 3,38 Nm respecto a los diseños de NdFe. Este desfase representa el principal cuello de botella para la industria, ya que estos imanes aún no pueden alcanzar el mismo rendimiento que los diseños de NdFe.

En este punto, la optimización se vuelve esencial. Utilizando Ansys optiSLangpodemos refinar la geometría del rotor para alcanzar 11,18 Nm de par sin cambiar el estátor. En la práctica, los usuarios pueden simplemente sustituir sus rotores de NdFe con rotores optimizados sin tierras raras y mantener un rendimiento idéntico.

¿Cómo Ansys optimizar los motores sin tierras raras para lograr el mismo rendimiento que los imanes de NdFe?

Estos motores deben optimizarse cuidadosamente para alcanzar su máximo potencial de rendimiento. Cada aspecto de la geometría del motor, desde el tamaño del imán hasta las más pequeñas variaciones de grosor del rotor, debe seleccionarse con precisión. Al afinar estos detalles, tanto el par de reluctancia y el par magnético pueden aprovecharse al máximo, lo que permite al motor ofrecer la mayor eficiencia y potencia posibles sin depender de materiales de tierras raras.

Hasta ahora, los resultados y las simulaciones se han realizado en Ansys Maxwelluna herramienta de simulación electromagnética de alta fidelidad y uso general. Sin embargo, Ansys también ofrece una herramienta más especializada para el análisis de motores eléctricos llamada Motor-CAD. Motor-CAD proporciona solucionadores de elementos finitos basados en plantillas adaptados a distintos tipos de motores eléctricos. Cuando se combinan con optiSLangutilizando sus interfaces de optimización fáciles de usar, se convierte en una solución ideal para optimizar la Fas-SynRM para alcanzar un par objetivo de 11,18 Nm.

OptiSLang realiza iteraciones múltiples dentro de Motor-CAD, recoge los resultados y construye un flujo de trabajo de optimización using sus algoritmos internos. Basándose en estos conjuntos de datos, la herramienta genera un diseño optimizado de motores eléctricos que cumpla el objetivo de rendimiento especificado, en este caso, 11,18 Nm a 3000 rpm.

fuente: Ansys

Después de optimizar el FaSynRM diseño en optiSLang a través de más de 500 simulaciones de elementos finitos y 10.000 iteraciones analíticasel motor se perfeccionó para ofrecer al menos 11,18 Nm de par a 3000 rpm.

El mismo flujo de trabajo de optimización también se puede aplicar a maximizar la eficiencia o reducir la ondulación del par. En este estudio, sólo se ha tenido en cuenta el par a 3000 rpm se optimizó para alcanzar el mismo nivel de potencia que el Diseño NdFe.

¿Y si se eliminan por completo los imanes del diseño?

Para los tipos de motor sin imanes, las opciones para lograr la misma densidad de par que los diseños NdFeB son limitadas. Los dos principales candidatos son Motores síncronos excitados eléctricamente (EESM) y Motores de inducción (MI). En este blog, nos centraremos en los EESM para destacar el crecimiento potencial de este tipo de motor.

Los motores de inducción, aunque relativamente baratos y respaldados por una larga historia de fabricación madura, no pueden sustituir directamente al rotor de un diseño de NdFe sin cambiar la diámetro exterior o longitud axial del motor. Esta limitación surge porque un motor de inducción depende de la fuerza de Lorentz para generar par, y este par no suele ser suficiente para conseguir el mismo par y densidad de potencia como los motores síncronos. (N. Hashemnia y B. Asaei, «Comparative study of using different electric motors in the electric vehicles,» 2008 18ª Conferencia Internacional sobre Máquinas Eléctricas, Vilamoura, Portugal, 2008, pp. 1-5, doi: 10.1109/ICELMACH.2008.4800157).

El EESM funciona de forma similar al PMSM. La principal diferencia es que en el EESM, una fuente de excitación externa, que crea un par de alineación con el campo magnético giratorio del estator, genera el campo magnético en el rotor. Para esta comparación, las dimensiones del estator se mantienen constantes para lograr el objetivo de un sustitución directa del rotor entre tipos de motor.

En un EESM, el campo electromagnético se genera utilizando un par de escobillas y anillos colectores montados en el eje, que suministran corriente al bobinas alrededor de los polos del rotor. La topología del rotor en un EESM es bastante diferente de la de un PMSM, ya que debe incluir ranuras para alojar el bobinas enrolladas. Dos factores críticos del diseño son número de vueltas que puedan caber en las ranuras del rotor respetando las tolerancias de fabricación, y el corriente máxima que se puede suministrar a estas bobinas sin sobrecalentar o dañar el motor.

Utilizando Software CAD para motoreseste tipo de motor puede diseñarse y prepararse fácilmente para configuraciones experimentales. La herramienta incluye características únicas que ayudan a los usuarios a crear diseños de bobinas de rotor más rápida y eficazmente.

Además, con su solucionador de AEF integradocada devanado del estator y del rotor puede simularse utilizando diferentes métodos de refrigeración como ventilador de aire, camisa de agua o refrigeración por aceite. Esto permite evaluar y perfeccionar el diseño para hacerlo competitivo con PMSM de NdFe sistemas.

La principal diferencia entre un EESM y a PMSM es la presencia de cepillos y anillos en el EESM. Estos componentes transfieren corriente continua a los devanados del rotor a través del contacto físico entre las escobillas y los anillos. Dos anillos -uno positivo y otro negativo- están montados en el eje, mientras que dos escobillas (y en algunos casos más, para mejorar la fiabilidad) hacen contacto con ellos. Aunque las escobillas están diseñadas para minimizar la fricción y mantener un contacto suave, y se utilizan materiales como el carbono para aumentar su durabilidad, estas piezas requieren un mantenimiento periódico. Normalmente, el mantenimiento es necesario cada diez años, o hasta veinte años con las nuevas composiciones de escobillas, pero siguen siendo componentes que experimentan desgaste con el paso del tiempo.

fuente: MunirAcademy

Para superar esta limitación, las nuevas tecnologías permiten ahora excitación de corriente continua sin escobillas de los devanados del rotor (H. Chen, J. Tang, Y. Liu, B. Jiang y L. Boscaglia, «Electromagnetic Performance Investigation of a Brushless Electrically Excited Synchronous Machine for Long-Distance Heavy-Duty Electric Vehicles», en IEEE Transactions on Transportation Electrificationvol. 11, nº 1, pp. 225-235, febrero de 2025). Este enfoque simplifica la fabricación y mejora la fiabilidad, aunque todavía requiere un mayor desarrollo antes de que pueda adoptarse para la producción a gran escala y el funcionamiento a largo plazo. Dependiendo de la aplicación, los sistemas modernos de escobillas y anillos con mayor vida útil pueden seguir siendo la opción más práctica si se combinan con una optimización adecuada para mantener la eficiencia del motor.

Comparación de costes

Dado que en los tres diseños se utilizan los mismos materiales para el estator, el acero y el bobinado, sus costes son idénticos. Aunque las dimensiones del rotor son las mismas, pequeñas variaciones en la geometría crean ligeras diferencias en los costes. costes de laminación del rotor.

A fecha de hoy, Imanes N30 cuestan aproximadamente 60 USD por kilogramomientras que Imanes de ferrita Y33 coste aproximado 1 USD por kilogramo-es decir, aproximadamente 60 veces más baratos. Aunque el FaSynRM utiliza un mayor volumen de imán, su coste total sigue siendo muy inferior al del diseño NdFe. En EESM se utiliza AWG 16 para el bobinado del rotor. Su precio es de alrededor de 16 USD por kilogramo.

Cuando calculamos el costes de material activoencontramos que los imanes de NdFe contribuyen con aproximadamente 30 por ciento del precio total de un PMSM. En cambio, los imanes de ferrita sólo cuestan 0,64 USDcon lo que el total Coste del motor FaSynRM a unos 68,19 USDque es un 33% más barato que el diseño NdFe. El EESMdebido a sus devanados de rotor adicionales, es ligeramente más caro que el FaSynRM, pero sigue siendo aproximadamente 20% más barato que el motor de NdFe.

Este análisis de costes muestra que, además de resolver los problemas de la cadena de suministro asociados a los imanes de tierras raras, estos diseños alternativos también reducen significativamente los costes de producciónlo que los hace mucho más económicos para la fabricación en serie. Todas estas mejoras se consiguen simplemente sustituyendo el rotor de un motor existente por un diseño sin tierras raras con la optimización correcta.

Conclusión

A partir de las simulaciones y diseños discutidos anteriormente, está claro que Imanes de NdFe pueden sustituirse por imanes de ferrita o completamente eliminado mediante el uso de bobinas enrolladas en el rotor. Para conseguirlo, sin embargo, es necesario un cuidadoso y amplio proceso de optimización para alcanzar todo el potencial de rendimiento. Ahí es exactamente donde podemos ayudarle: guiándole a través de este proceso y ayudándole a reducir los costes de los prototipos y de la producción en serie.

Si está considerando sustituir el diseño de su motor de tierras raras – ya sea por vehículos eléctricos, bombas, ventiladores o aplicaciones industriales – no dude en ponerse en contacto con nosotros. Podemos ofrecerle un diseño electromagnético, térmico y mecánico totalmente optimizado adaptado a sus requisitos, garantizando una transición sin fisuras desde su motor actual. De este modo, podrá reducir los costes por motor a la vez que mayor eficiencia y rendimiento.

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