REVISION

Evolución y proceso de fabricación de imanes “NEO” aplicados a motores de vehículos eléctricos

Victoria Abad^*, Jesús Sagredo

Universidad de Burgos, Departamento de Ingeniería Electromecánica, Hospital del Rey s/n - 09001 Burgos, España

*Autor para la correspondencia: vaspol@ubu.es

1. INTRODUCCIÓNTOP

Desde que los vehículos eléctricos (EV) entraron con fuerza en el mercado hace 20 años, el uso de imanes de tierras raras se ha hecho imprescindible en ellos, especialmente los de neodimio-hierro-boro, denominados “NEO” o NdFeB. La aplicación de este tipo de materiales en los motores eléctricos viene de la sustitución lógica por los devanados del rotor eliminando a su vez la fuente de excitación como es el caso del utilizado en el exitoso Toyota Prius.

Los elevados valores de producto de energía que presentan estos imanes han permitido conseguir motores eléctricos compactos y con máximos de valores de densidad de par y potencia. Esta tendencia ha permanecido imparable, pero el continuo ascenso de los precios de estos materiales hasta 2012 y la especial situación coyuntural, política y de abastecimiento que sufren, hacen replantear esta constitución. Aunque los precios han disminuido recientemente, la preocupación de los fabricantes de automóviles continúa. Además, se suman los problemas de abastecimiento que actualmente existen por las restricciones impuestas por China, el único suministrador, lo que impulsa a buscar su reemplazo urgente. A esto hay que sumarle la ingente contaminación asociada a la explotación y procesado de estos materiales, lo que afianza la búsqueda de materiales alternativos (DOE, 2011).

Existen dos técnicas claramente establecidas para la fabricación de imanes de tierras raras: a) la metalurgia de polvo se utiliza para obtener cuerpos magnéticos de alto rendimiento, anisotrópicos, totalmente densos; y b) el proceso de hilado por fusión o HDDR (hidrogenación, desproporción, desorción y recombinación) que se usa ampliamente para producir polvos magnéticos para imanes aglomerados.

Aunque son necesarios en muchos campos, su aplicación predominante ha cambiado hacia los motores y, en particular, su uso para motores en automóviles híbridos. Se han generalizado los estudios de nanocompuestos y de imanes Sm-Fe-N, además de comenzar a aplicarse imanes aglomerados para motores pequeños.

2. CLASIFICACIÓN DE IMANES PERMANENTESTOP

Según los materiales utilizados los imanes se pueden clasificar en: Ferritas, Alnicos, Samario-cobalto y NdFeB. En la Fig. 1 se muestra la evolución temporal de los imanes respecto a su característica más importante, el producto de energía (BH_max) y una comparativa del volumen requerido de cada tipo de imán para obtener la misma energía magnética. Puede apreciarse el destacado rendimiento de los imanes NdFeB respecto del resto.

2.1. FerritasTOP

Las ferritas son materiales cerámicos ferromagnéticos compuestos por hierro, cobalto y bario con buenas propiedades magnéticas, entre otras, alta permeabilidad magnética. Tradicionalmente se han utilizado para la construcción de núcleos magnéticos e imanes permanentes.

Si se analiza la producción por toneladas constituyen con diferencia la mayor producción de imanes permanentes. Los minerales son baratos en mina, pero presentan bajos valores de producto de energía de tal forma que actualmente sea imposible su aplicación en las aplicaciones de interés.

Ya en los años 50 se probó a hacer sustituciones con estroncio y bario en los óxidos de ferrita, pero sin mucho éxito Al contrario que en los imanes de tierras raras, en las ferritas la coercitividad aumenta con la temperatura, con el valor de β más positivo.

Uno de los principales problemas que presentan las ferritas es la tendencia a la desgamentización a bajas temperaturas, aunque se ha mejorado con la adición de cobalto y lantano (Deshpande, 2003).

2.2. AlnicosTOP

Estos imanes permanentes forman una familia de aleaciones cuyos componentes principales son: el hierro, el aluminio, el níquel y el cobalto, aunque pueden estar incluidos en cantidades menores otros elementos como cobre y titanio.

Los grados de estos materiales varían con el contenido de cobalto, que va de cero (Alnico 3) a 40% (Alnico 8).

Los grados inferiores (2, 3 y 4) son isotrópicos, lo que implica propiedades magnéticas iguales en todas las direcciones, su producción es relativamente baja. Los grados anisotrópics (Alnico 5, 6, 8 y 9) están diseñados para producir un alto rendimiento magnético en una dirección especificada. Las aleaciones anisótropas en general tienen una mayor capacidad magnética. La orientación se consigue durante el tratamiento térmico, mediante el enfriamiento del producto a partir de una temperatura de aproximadamente 1093 °C (Emagnets UK, 2017) a una velocidad controlada, dentro de un campo magnético que se ajusta a la dirección preferida de la magnetización, de este modo se obtiene un material de precipitación que está formado por hierro y cobalto precipitados en una matriz rica en Ni y Al.

Los alnicos presentan buena resistencia a la corrosión, tienen alta remanencia y podrían igualar a los imanes de tierras raras si se mejorara su valor de H_C. Tienen un alto punto de fusión y, en general, buen comportamiento a altas temperaturas porque son el resultado de la fuerte tendencia hacia el orden, debido a los enlaces intermetálicos. Son también uno de los imanes más estables si se manejan adecuadamente.

Sus componentes se consiguen fácilmente, y su precio es relativamente bajo (alrededor de 44 $/kg) a pesar del alto coste del cobalto.

Por estas propiedades los imanes de Alnico han sido seleccionados por Ames Laboratory como buenos candidatos para obtener imanes sin tierras raras para todas aquellas aplicaciones que requieren temperaturas por encima de los 180 °C.

A nivel de laboratorio se está produciendo gas atomizado, consiguiendo un grano isotrópico fino de alnico denominado 8H (Anderson, 2012a), de resultados esperanzadores.

2.3. Samario CobaltoTOP

Estos imanes fueron desarrollados a principio de la década de 1970. Están constituidos por una aleación de hierro, cobalto y una tierra rara ligera: el samario. Son de manera general el segundo tipo más fuerte de imanes, pero menos fuertes que los imanes de neodimio, en cambio tienen mayores temperaturas de trabajo (300 °C) y relativamente grandes coercitividades, que son ventajas insustituibles. Son frágiles, y propensos a agrietarse, pero en cambio no tienen problemas de corrosión. Los valores de los coeficientes de temperatura α y β (relación B/tª y H/tª) son inmejorables. El coste de estos imanes es elevado por los procesos de refinamiento, pero especialmente por el coste de los productos de las minas. Los precios rondan 180 $/kg, cada vez más próximos a los 150 $/kg de los de neodimio sinterizados (Zhang et al., 2012; Boldea et al., 2014; Abad y Sagredo, 2018).

Hay dos familias de materiales de SmCo (Liu, 2010); la serie SmCo 5 ofrece una fácil magnetización en campos moderados y la mejor resistencia a la corrosión de todos los imanes de tierras raras. Los imanes de la otra serie, Sm₂Co₁₇ (Fessler, 2011), muestran el rendimiento magnético más alto a temperaturas elevadas. Se pueden obtener mayoritariamente sinterizados y también, aunque en menor cantidad, como aglomerados.

Como resumen, y antes de profundizar más en los imanes NEO, la Tabla 1 muestra los valores típicos de las características magnéticas de los distintos tipos de imanes. La tª de Curie es aquella a la que los imanes se degradan magnéticamente.

2.4. Neodimio-hierro-boro “neos”TOP

La ventaja de esta aleación es que sus principales componentes (Fe y Nd) son fáciles de obtener en mina, son baratos y hay reservas más abundantes que las de los imanes de tipo SmCo usados hasta su desarrollo, lo que permitió una reducción significativa de costos de materia prima.

La mezcla de tierras raras con metales de transición forma compuestos intermetálicos que permiten valores elevados de anisotropía y, por tanto, productos de energía elevados. Son, con diferencia, los imanes más potentes conocidos hasta el momento, como se muestra en la Fig. 1.

Los imanes NEO convencionales se componen de tres fases: a) Nd₂Fe₁₄B (composición estequiométrica), b) fase Nd-rica y c) B-rica. La combinación en la proporción adecuada entre las tres fases, junto con las mejoras en las técnicas de fabricación, es lo que les proporciona tan buenas características magnéticas.

El principal inconveniente que presentan es su dependencia con la temperatura, con un valor de temperatura de Curie de tan solo 312 °C y una temperatura máxima de trabajo de 125 a 150 °C. La adición de disprosio mejora en gran manera este problema y, además, mejora la coercitividad y el producto de energía. La Fig. 2 muestra cómo varían las propiedades de los imanes con la adición de disprosio, y cómo se establece una clasificación comercial estándar que relaciona el compromiso entre este valor y la máxima temperatura de trabajo. En la parte superior de la figura se indican los usos típicos de cada clasificación.

Otro problema que presentan estos imanes es su baja resistencia a la corrosión, que hace necesario aplicar algún tipo de tratamiento superficial tras su conformación.

Por ejemplo, en un imán N38SH, cuyas características magnéticas aparecen en la Fig. 3, la letra N indica que es NdFeB,·38 es el valor de energía (en MGOe) y SH la máxima temperatura que soporta, que es 150 °C.

3. PROCESOS DE FABRICACIÓN DE IMANES NEOTOP

A continuación, se indican las posibilidades de fabricación de los tipos de imanes neo: sinterizados y aglomerados. Las principales características que se busca en un imán son las magnéticas, pero existen otras también importantes, bien de tipo físico que influyen en las posibilidades de fabricación que ofrece el material, bien otras de tipo económico que incluyen aspectos tan relevantes como el coste o la disponibilidad temporal.

3.1. Imanes Neo sinterizados o de densidad completaTOP

Todos los imanes sinterizados son anisotrópicos, lo que favorece sus altos productos de energía alcanzando actualmente valores de 52 MGOe y que es el motivo de ser los elegidos para la construcción de motores eléctricos de hasta 60 kW para vehículos (Gutfleisch et al., 2011).

Se muestran en la Fig. 3 las curvas comerciales de magnetización del N38SH superpuestas con las de un ALNICO (en azul) y de una ferrita (en rojo), representándolas en la misma escala para poder compararlas.

3.1.1. Procesos de fabricación de imanes sinterizadosTOP

Los imanes de neodimio sinterizados se preparan fundiendo las materias primas en un horno, colando el material fundido en moldes y enfriándolo para formar lingotes. Luego se produce un polvo extremadamente fino a partir de estos lingotes. Para ello se utiliza la decrepitación de hidrógeno, que se comenta más adelante. Este polvo es sometido más tarde a un proceso de sinterizado en fase líquida, por medio del cual las partículas se alinean magnéticamente y se unen entre sí para formar bloques densos, los cuales son tratados térmicamente. Posteriormente son cortados con la forma deseada y, sometidos a un tratamiento superficial para prevenir la corrosión, y finalmente magnetizados mediante la exposición a un fuerte campo magnético creado mediante bobinas.

Actualmente la tecnología de fabricación de estos imanes está bien establecida (ver Fig. 4) y los costos del proceso son moderados. Como aglutinante se emplean elastómeros como caucho nitrilo, polietileno y vinilo y no suele superar un 5% de la composición total.

3.1.2. Principales variaciones en los procesos de fabricación de imanes NEOTOP

3.1.2.1. Proceso de sinterizado.TOP

Una de las mejoras más fáciles de adoptar se refiere al proceso combinado de sinterizado y alineado, con diversas combinaciones posibles. El método más básico incorpora un campo de alineación axial como se muestra en la Fig. 5a. Las flechas negras indican el sentido de prensado y las flechas azules el de magnetización. Una simple bobina toroidal rodea el recipiente para proporcionar un campo relativamente uniforme dentro de él, mientras que en la Fig. 5c se comprime isostáticamente en dos sentidos.

3.1.2.2. Hidrogenación – Decrepitación (HD).TOP

Cuando se inyecta hidrogeno en un lingote de imán, los metales de transición y las tierras raras se vuelven frágiles después de su absorción. Al calentarlo se produce una gran expansión de volumen de la retícula del metal que con la ebullición facilita la rotura y permite ser molidos en forma de polvo. Con este método se refina el tamaño del grano de 100–500 μm a 0,3 μm. Este procedimiento en ocasiones se desarrolla en una atmosfera inerte (habitualmente de argón) para evitar la oxidación. La fase rica en neodimio facilita la absorción de hidrogeno a temperatura ambiente, en cambio cuando se emplea la fase estequiométrica es necesario calentar hasta los 150 °C.

Aunque esta técnica ha mejorado algunos de los parámetros magnéticos, se le pueden achacar también inconvenientes como el empeoramiento de la estabilidad térmica y la complejidad propia del proceso, con reacciones exotérmicas y endotérmicas, lo que ha limitado en parte la expansión comercial de esta técnica. A principios del 2000 Aichi Steel retomó este proceso, mejorándolo y consiguiendo uno de los polvos aglomerados de mayor energía del mercado.

3.1.2.3. Incorporación de Dy y sustitución por DyF3.TOP

Como se ha indicado, para poder soportar las temperaturas de funcionamiento de estos imanes en los motores sin que disminuya drásticamente su valor de coercitividad se añade disprosio, lo que aumenta la anisotropía del material y provoca también el aumento la H_C y β (ver Fig. 6). La adición de disprosio mejora en gran manera la coercitividad, ya que su momento magnético se acopla en antiparalelo con el de hierro, siendo de nuevo necesario que la proporción sea la apropiada para que no se produzca un efecto adverso de disminución.

Actualmente el contenido de disprosio alcanza valores del 10%, un valor demasiado elevado dado de la rareza del material y el precio que ha alcanzado.

Inicialmente el disprosio se mezclaba molido con los polvos del imán y después se difundía. El método que mejores resultados está proporcionando para disminuir la proporción de disprosio es el denominado GBDP (Grain Boundary Difusion Process) (Anderson, 2012b). En él se introduce DyF₃ en forma de pintura basada en etil-alcohol y se calienta a 900 °C. De esta forma se difunde hacia el interior del imán hasta las fronteras de grano. El ahorro de disprosio con este método puede alcanzar hasta un 20%.

Otras posibilidades para mejorar H_c sin utilizar Dy son:

3.2. Imanes Neo aglomerados (Bonded)TOP

Estos imanes tienen la misma constitución que los anteriores, con la diferencia de que los granos finos de tierras raras que constituyen el imán permanente se obtienen por procesos de templado muy rápidos obteniendo polvo isotrópico, que se mezclan con una determinada proporción de aglomerante entre un 20–40%, formando una estructura reticular. Posteriormente se constituye el imán por un proceso de compresión o de inyección. También son conocidos como de solidificación rápida.

Inicialmente estos compuestos se habían relegado a un segundo plano, porque ofrecen un flujo magnético menor que el de los imanes sinterizados, sin embargo, en los últimos años el interés por ellos ha crecido, especialmente en aquellas aplicaciones que tiene que ver con los motores de imanes permanentes.

Entre las ventajas que presentan cabe destacar:

3.2.1. Procesos de fabricación de imanes aglomeradosTOP

3.2.1.1. Hilado por fusión (Melt Spinning).TOP

Los imanes de neodimio aglomerados se preparan a partir de una delgada cinta de aleación de Nd-Fe-B obtenida por medio de hilado por fusión (Grieb et al., 2009). La cinta se pulveriza para producir pequeñas partículas, que son mezcladas con un polímero con una proporción que varía entre el 25 y 40 %. La hilatura por fusión es el método comercialmente más empleado debido a su amplia gama de velocidades de enfriamiento y por la capacidad para suministrar microestructuras uniformes en una variedad de aleaciones.

Sin embargo, las principales deficiencias de esta técnica de procesamiento surgen de la forma del producto solidificado. Los copos obtenidos, por su geometría, reducen el factor de relleno y aumentan la viscosidad

3.2.1.2. Atomización por gas (HPGA).TOP

Se pensó que el procesamiento mediante atomización de gas a alta presión (High Pressure Gas Atomization) podría llegar a convertirse en un sustituto beneficioso del hilado por fusión en la producción de partículas nanocristalinas de NdFeB. El gas, habitualmente helio, se introduce con una velocidad de Mach 2–3, lo que provoca un cizallamiento muy energético de la corriente de masa fundida, obteniéndose partículas finas y esféricas en vez de los copos obtenidos por hilado por fusión (Anderson et al., 2003)

Las pérdidas magnéticas irreversibles debido a la oxidación y corrosión son un inconveniente importante de este tipo de polvos magnéticos. Los medios más habituales para evitarlas consisten en aplicar recubrimientos de níquel-plata con un espesor de capa entre 10 y 15 μm.

El siguiente paso ha sido incorporar el proceso de fluoración en la formación de los polvos. La capacidad de recubrir las partículas mientras están “en vuelo” puede eliminar la necesidad de tratamiento posterior a la atomización.

Los últimos procedimientos incluyen la inyección de trifluoruro de nitrógeno (NF₃) mezclado con un 20% de argón para conseguir una capa adherente, como muestra la Fig. 7. De este modo mejora aún más el comportamiento de estos materiales frente a la corrosión.

Se han realizado varias pruebas de laboratorio variando la composición con adiciones de carburo de titanio y de circonio (TiC, TiC-Zr y de Zr-ZrC). También se incorpora cobalto para mejorar su comportamiento con la temperatura. A través de la adición de Zr como formador de vidrio y de un inhibidor del crecimiento del grano como el Ti, la alta velocidad de enfriamiento que se requiere para formar los copos ya no se convierte en una necesidad, por lo que es posible otro procesamiento con velocidad de enfriamiento menor que la del HPGA.

Se ha probado el procesamiento de una serie de variaciones en la composición de compuestos con los dos métodos indicados anteriormente, son denominados WT (ver Tabla 2) cuando se procesan en hilado por fusión y GA en la modalidad de gas atomizado. Los resultados son los que se muestran en la Fig. 8. En la figura, las curvas con marcadores cuadrados son producidas mediante hilado por fusión y los circulares por atomización con gas, los marcadores rellenos representan modelos comerciales frente a los huecos que son de laboratorio.

Se puede comprobar que cuando el tratamiento elegido es Hilado por Fusión, el denominado WT-102, mejora el comportamiento con la temperatura respecto al original MQP 14–12, y todavía son más planas las curvas obtenidas mediante HPGA, pero en cambio el valor de energía a temperatura ambiente es mucho menor (7,6 frente a 11,5 MGOe). Pero aun considerando estas mejoras no se ha obtenido lo esperado con este método.

3.2.1.3. MAGFINE ©. HDDR (Hidrogenación-Decrepitación-Desorción–Recombinación).TOP

El método procede del HD empleado con los imanes sinterizados. Fue desarrollado en el año 2000 por Aichi Steel Company, que es la única compañía que lo comercializa, y el nombre proviene de MAGNET (de imán) y FINE (de la microestructura fina) (Aichi, 2012; Honkura, 2013). Existen tres versiones con productos de energía BH_max: 15, 20 y 25 y es el imán aglomerado con la fuerza magnética más alta. Actualmente el MF-25 alcanza 43MGOe en polvo, que se convierten entre los 23 y los 17 MGOe cuando se moldea por compresión e inyección respectivamente. Presenta una buena resistencia a la temperatura hasta 150 °C y se puede inyectar directamente en los huecos de los polos de los motores. En el 2014 se han diseñado el primer prototipo para motores auxiliares con una potencia de 50 W.

El proceso HDDR utiliza una serie de cuatro transformaciones dependientes de la temperatura y de la presión en una atmósfera de hidrógeno y controlando la velocidad de absorción-desorción. De este modo se minimiza el tamaño de los cristales y se eleva la anisotropía de los mismos (Ver Fig. 9). El material se descompone en NdH₂, Fe y Fe₂B durante el primer tratamiento térmico cuando se calienta a aproximadamente 840 °C bajo una presión elevada de gas de hidrógeno.

Durante el siguiente tratamiento es necesario mantener la temperatura entre 750–900 °C durante 2 - 3 h con ello el hidrógeno es liberado del hidruro de Neodimio (NdH), lo que se conoce como desorción. Luego el neodimio se recombina con Fe₂B para formar el compuesto original, pero con un tamaño de grano más fino, reducido a un tamaño de 0,3 μm. Estos últimos procesos se realizan en atmosfera de vacío.

La ventaja respecto al tipo de polvo obtenida mediante hilado por fusión es la elaboración directamente de material anisotrópico. El polvo de imán isotrópico presenta curvas con más cuadratura en la curva intrínseca de desmagnetización, lo que le confiere una mayor estabilidad. En cambio, los obtenidos mediante HDDR exhiben curvas más redondeadas. El principal inconveniente que conlleva es su deterioro con la temperatura (hasta un 14% el MF-15), debido a la poca uniformidad en la distribución del tamaño del grano.

En la tercera generación, MAGFINE ha mejorado este aspecto. Para ello es necesario una nueva etapa con tratamiento de calor adicional para difundir el disprosio en el polvo, que luego se recombina en (Nd,Dy)₂Fe₁₄B. Otra de las posibilidades empleadas es mezclar con polvos de Nd-Cu-Al, que, al pasar a fase líquida, recubren los granos con un enriquecimiento de neodimio.

Si bien este proceso HDDR es relativamente complejo, el polvo producido es susceptible de técnicas de conformación y moldeo bastante comunes. Para que sea adecuado para la compresión el polvo MF-25 se mezcla con resina epoxi, obteniendo un compuesto termoestable que puede ser moldeado mediante prensado, que además se oxida menos que con otros aglomerantes.

El uso de MAGFINE permitirá reducir el peso y tamaño de un motor considerablemente. De hecho, es el único material que consigue cumplir los objetivos de potencia y densidad específica de motores establecidos por el Advanced Power Electronics and Electric Motors (APEEM) para el año 2020, sin que en su composición se incluya el cotizado disprosio.

3.2.1.4. Deformación en caliente.TOP

En la carrera contra la compañía japonesa Aichi por alcanzar las mejores propiedades de estos imanes, la americana Molycorp, desarrolla esta técnica emergente de deformación en caliente directamente de los copos, obteniendo su producto comercial denominado MAGNEQUENCH MQU_TM.

Los copos se obtienen mediante un proceso de calandrado. El polvo de imán se derrite previamente a 260 °C bajo la presencia de un campo magnético axial de 20 kOe y se somete a altas presiones para evitar las reacciones gas-sólido. De esta forma se obtienen polvos muy anisotrópicos y con una mejora importante en la estabilidad térmica.

Los fabricantes de estos imanes deformed MQU™-F han informado que tienen un producto de energía de 22 MGOe. Mejorar la estabilidad térmica de estos imanes es tan sencillo como incorporar Dy en su composición, consiguiendo así deformed MQU ™ -G con valores de energía de 17 kOe y temperatura de operación de 120 °C sin pérdida de flujo (Brown et al., 2002). El coeficiente de estabilidad de temperatura de coercitividad, β, se consigue reducir de 0,63 en los MAGFINE a los 0,52 en deformed G.

Como conclusión, los imanes de última generación MQU_TM basados en el proceso de deformación en caliente obtienen estabilidad térmica y altos productos de energía.

3.2.2. Posibilidades comerciales de imanes aglomeradosTOP

En una primera clasificación existen los polvos isotrópicos y los anisotrópicos. Estos últimos acaparan todo el interés, ya que tiene un mayor producto de energía. Existen varios métodos para transformarlos de isotrópicos en anisotrópicos, como ser prensados en un campo de 20 kOe a 135 °C de temperatura (Brown et al., 2002). La principal promotora de estos imanes BPM es Magnequench, que los denomina según las siglas:

Algunos de los comercialmente más conocidos se muestran en la Tabla 3 y su curvas de magnetización en la Fig. 10.

3.3. Variaciones de la composición químicaTOP

En el siguiente apartado se analizan los posibles cambios en las composiciones químicas de los imanes neo (tanto sinterizados como aglomerados) que se están investigando actualmente.

3.3.1. Progreso en los compuestos MRE-2-14-1TOP

Con el objetivo de mantener los valores magnéticos, especialmente un BH_max, adecuado en las temperaturas de operación; se propone una primera modificación con una mezcla de tierras raras MRE-Fe-B (MRE = Nd, Y, Dy) en la proporción adecuada (Anderson et al., 2003; Sokolowski, 2007). El estudio realizado con los componentes anteriores indica que, respecto al momento magnético, la curva de neodimio presenta la máxima remanencia y la energía anisotrópica hace se hace máxima con el uso de disprosio. Este mix de tierras raras, en los márgenes de temperatura de funcionamiento del motor, mejora la media del parámetro de energía, pero en cambio disminuye a temperatura ambiente.

3.3.1.1. El cobalto.TOP

Con pequeñas sustituciones de cobalto por hierro ([Nd_x(YDy)_0.5(1-x)]_2.2 Co_yFe12.5(1-y)B) se mejora sustancialmente la Tª de Curie. Se observa que con sustituciones entre 0,1 al 0,3 la mejora es muy importante. A partir de ese valor, la curva pierde pendiente. A cambio se produce una disminución de la coercitividad intrínseca (Sokolowski, 2007). Por tanto, hay que buscar una sustitución adecuada de cobalto y disprosio que minimice los efectos adversos y mejore la estabilidad térmica.

En el análisis en (McCallum, 2012), en vez de sustituir el cobalto por hierro, se sustituye una mezcla de tierras raras ([Nd_x(YDy)_0.5(1-x)]_2.2-y Co_yFe_12.5B) por cobalto y se observa como que hasta una concentración del 1,5% aumenta sustancialmente el valor de la energía y disminuye muy levemente la coercitividad. A partir de ese punto la mejora no es sustancial y la coercitividad empieza a disminuir sin aumentar el valor de BH.

3.3.1.2. El zirconio.TOP

Otro de los efectos que presenta la adición de cobalto, así como los enriquecimientos de neodimio es el incremento del crecimiento de las fases suaves α-Fe, para contrarrestar este efecto se añade circonio que es bien conocido por su capacidad para formar cristales de vidrio. Inhibe eficazmente el crecimiento de granos durante la solidificación, impide la nucleación de fases suaves y promover la formación de la fase dura 2-14-1.

Además, disminuye la viscosidad de los copos y facilita las operaciones de prensado y por tanto reduce sustancialmente los costes de manufactura finales. El valor óptimo se logró mediante la adición de 0,4% en peso de zirconio.

3.3.1.3. El carburo de titanio (TiC).TOP

No tiene solubilidad en el MRE2-14-1, formando precipitados en los límites del grano. Tiene una función similar a la de circonio Estos precipitados proporcionaron un lugar de nucleación para la fase magnético duro, así como un mecanismo eficaz que impida el crecimiento de grano durante el recocido, por lo que se consigue una microestructura refinada. El conjunto de zirconio y TiC proporciona cristalizaciones uniformes.

3.3.1.4. La plata.TOP

Otra de las mejoras introducidas reducir la velocidad de solidificación y usar aditivos muy solubles como plata. Se han hecho pruebas incorporando hasta el 0,3%, la proporción óptima es del 0,1% presentando buenos resultados tanto en su comportamiento ante la temperatura, como ante la oxidación.

3.3.1.5. Una nueva posibilidad: El cerio.TOP

Con el objetivo “No es el mejor imán de tierras raras, pero mucho mejor que cualquier imán sin tierras raras”, se pretende diseñar un nuevo compuesto en el que el material principal sea el Cerio.

Los motivos por los que se ha elegido este elemento es que es una tierra rara muy abundante con una estructura y distribución electrónica interesante. Es un elemento que tiene una valencia entre 4 y 3, cuanto más se aproxime a la valencia 3 mejor consigue una anisotropía estructural o magnetocristalina (Zhao et al., 2017), siendo la fórmula propuesta es (Ce₁-xNdx)₂Fe₁₄B.

Las modificaciones en las composiciones químicas propuestas que influyen directamente sobre la estructura atómica de los imanes se dirigen a aumentar la vida útil y reducir costes, tanto de imanes sinterizados como en aglomerado, manteniendo el valor del producto de energía en valores deseables.

3.4. Imanes aglomerados frente a sinterizadosTOP

Una de las aplicaciones de imanes aglomerados en desarrollo es la sustitución de los imanes sinterizados en motores eléctricos, especialmente los síncronos de imanes interiores, pues con los imanes sinterizados las geometrías se limitan a líneas rectas principalmente y éstos deben construirse, magnetizarse, mecanizarse y tratarse superficialmente antes de su montaje. Los imanes aglomerados, que además son más ligeros, pueden inyectarse directamente en los alojamientos preparados en el rotor y magnetizarlos in situ. La geometría puede ser entonces más compleja, proporcionando un mayor par motor y se busca un compromiso entre un menor producto de energía de los aglomerados y un par razonablemente alto para poder sustituir los imanes sinterizados.

En un trabajo realizado por los autores se ha procedido a simular en condiciones muy similares mediante elementos finitos el motor MG2 del Toyota Prius 2004 (motor síncrono de imanes permanentes con imanes sinterizados N36) en los que la geometría de los imanes es plana en V y de otros modelos en los que se consideran imanes curvos y se disponen en doble capa. Este modelo doble curvo se ha simulado con los mismos imanes sinterizados (N36) y con imanes aglomerados (NH-10). Como muestran las curvas de la Fig. 11, la geometría doble curvo con imanes sinterizados proporcionaría un par magnetostático muy superior al de la geometría plana, alcanzando un máximo que alcanza los 900 Nm, mientras que con imanes aglomerados ronda los 600 Nm que aun así es muy superior al del Toyota Prius. Pero la conformación del diseño doble curvo con sinterizados no es factible.

4. CONCLUSIONESTOP

REFERENCIASTOP