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Imanes Permanentes de las Tierras RarasAplicaciones en Máquinas Eléctricas
Monografía de Materiales EléctricosFacultad de IngenieríaUniversidad Nacional de Mar del Plata
Soledad Thibaud26/06/2009
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Imanes Permanentes de las Tierras RarasAplicaciones en Máquinas Eléctricas
Introducción
Los materiales han formado parte de la humanidad y su desarrollo está íntimamente
relacionado con la evolución y la historia del hombre. En este sentido, es interesante citar a
Sir George Thomson, premio Nobel de Física en 1937, que denominó a nuestro siglo como la
Edad de los Materiales en clara alusión a la denominación habitual de los períodos de la
historia del hombre: Edad de Piedra, Edad del Bronce y Edad del Hierro, que hacen mención
a los materiales característicos utilizados en estas épocas en la que la humanidad comienza
a desarrollarse. Dicho desarrollo, ha estado basado entre otros aspectos en la búsqueda de
nuevos materiales que han contribuido de una manera manifiesta al desarrollo de la calidad
de vida del hombre.1
Los imanes y las brújulas guiaron a Colón y a otros en la edad de la exploración. Hace
un siglo los imanes de hierro y acero en los motores, transformadores y teléfonos
impulsaron la era de la electricidad. Hoy, los imanes son mucho más potentes y más
pequeños y, sin ser vistos, impulsan la nueva era de la información.2
En este trabajo estudiaremos especialmente los potentes imanes permanentes que se
producen hoy en día a partir de los elementos llamados de las tierras raras. Y observaremos
como influenciaron el desarrollo de maquinas eléctricas dándoles nuevos e innovadores
diseños. Tanto para generadores como motores, estos imanes permitieron un notable
aumento de su potencia entregada y eficiencia. En cuanto a la generación de electricidad,
colaboraron a que la energía eólica sea competitiva con otros tipos de generación no
renovables. Y en el campo de los motores se permitió la producción de motores cada vez
más específicos en su función, aumentando su rendimiento y ayudando a ahorrar energía.
1 http://dialnet.unirioja.es/servlet/articulo?codigo=866718 – Tierras raras: materiales avanzados – R. Sáez Puche, C. Cascales, P. Porcher y P. Maestro2 http://www.izt.uam.mx/contactos/n43ne/Imanes.pdf - Imanes y neomagnetos - James D. Livingston
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Resumen: En esta sección se explican las principales características de la
magnetización en los materiales, las distintas energías que intervienen, el ciclo de histéresis
y las curvas de desmagnetización.
Materiales Magnéticos
Las propiedades magnéticas se derivan de la naturaleza de los electrones apareados o
desapareados. Los compuestos con todos los electrones apareados son muy débilmente
repelidos por un imán o campo magnético y se conocen como compuestos diamagnéticos.
Los materiales que tienen electrones desapareados son débilmente atraídos por un campo
magnético y se conocen como paramagnéticos. En los compuestos paramagnéticos los
espines debidos a los electrones desapareados están desordenados al azar debido a la
agitación térmica. Sin embargo, cuando se enfría esos materiales suelen tener una
transición a un estado ordenado magnéticamente. Cuando los espines se ordenan de forma
paralela resulta en un momento magnético neto y estos compuestos se denominan
ferromagnéticos. Cuando los espines se ordenan de forma antiparalela el momento neto es
cero y los compuestos se denominan antiferromagnéticos. Hay una situación intermedia
cuando hay varios elementos con diferente número de electrones desapareados. En este
caso aunque se dispongan de forma antiparalela el momento magnético resultante es
diferente de cero ya que uno de los elementos tiene mayor momento magnético que el
otro, y estos compuestos se conocen como ferrimagnéticos. La temperatura de transición
puede ser mayor o menor que temperatura ambiente. Para compuestos
antiferromagnéticos se denomina temperatura de Neel y para ferromagnéticos temperatura
de Curie. Por ejemplo, las temperaturas de Curie de hierro (Fe), cobalto (Co) y níquel (Ni)
son 770, 1123 y 358 °C, respectivamente.3
Dentro de un material ferromagnético hay subestructuras conocidas como dominios.
Un dominio magnético es una región microscópica de volumen pequeño, aproximadamente
10-4 mm3, donde todos los espines están alineados de forma paralela mientras que el
momento magnético resultante de cada dominio está aleatoriamente orientado respecto de
los restantes. Cuando un campo magnético externo se aplica sobre un material 3 http://webdeptos.uma.es/qicm/Doc_docencia/Tema9_CM.pdf - Tema 9. Materiales magnéticos y ópticos - Ciencia de Materiales, 4º curso, 2004/2005
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ferromagnético desmagnetizado, los dominios alineados en la dirección del campo crecen a
expensas de los menos favorecidos, los que no están orientados en esa dirección. El
crecimiento de los dominios tiene lugar por el movimiento de la pared de los dominios. Esto
ocurre primero, ya que este proceso requiere menor energía que la rotación del dominio.
Cuando el crecimiento del dominio acaba, si el campo aplicado aumenta sustancialmente,
sucede la rotación del dominio, lo que requiere considerablemente más energía. Una vez
retirado el campo magnético la muestra magnetizada permanece magnetizada, aunque
parte de la magnetización se pierde debido a la tendencia de los dominios de volver a la
situación inicial. 4
La estructura del dominio de un material ferromagnético está determinada por
muchos tipos de energía, de las cuales la estructura más estable se alcanza cuando el
conjunto de la energía potencial del material es mínimo. La energía magnética total del
material ferromagnético es la suma de las siguientes contribuciones:
Energía de cambio. Es la energía potencial dentro de un dominio de un sólido
ferromagnético. Es mínima cuando todos sus dipolos atómicos están alineados en una única
dirección, energía de cambio positiva. La energía potencial externa se incrementa por la
formación de un campo magnético externo.
Energía magnetostática. Es la energía potencial magnética de un material
ferromagnético producida por su campo magnético externo. Puede ser mínima por la
formación de dominios. La formación de múltiples dominios reduce la energía
magnetostática por unidad de volumen del material.
Energía de anisotropía magnetocristalina. Es el trabajo realizado para rotar los
dominios debido a las diferentes orientaciones de los granos (anisotropía). Las curvas de
magnetización para un monocristal varían en función de la orientación relativa del cristal
frente al campo aplicado.
Energía de la pared del dominio. La pared del dominio es el límite entre dos
dominios cuyos momentos magnéticos globales tienen diferentes orientaciones. Las fuerzas
de cambio tenderán a dilatar el dominio de pared y la energía de anisotropía
magnetocristalina se incrementa cuanto más ancha es la pared. Se alcanzará la anchura de
equilibrio cuando la suma de ambas energías sea mínima.4 http://webdeptos.uma.es/qicm/Doc_docencia/Tema9_CM.pdf - Tema 9. Materiales magnéticos y ópticos - Ciencia de Materiales, 4º curso, 2004/2005
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Energía magnetoestrictiva. Es la energía debida a los esfuerzos mecánicos de la
magnetoestricción, deformación elástica reversible inducida magnéticamente. El material se
expandirá o se contraerá en la dirección de magnetización.5
Todo ello resulta en las curvas de histéresis de la inducción magnética (B, Tesla)
creada por un campo magnético aplicado (H, A/m), figura 1.6
Figura 1. Curva de histéresis para un material magnético típico.7
Cuando aumenta el campo aplicado H aumenta la inducción magnética B hasta un
valor máximo conocido como inducción de saturación Bs. Cuando cesa el campo externo,
queda un valor de la inducción conocida como inducción remanente Br. Para eliminar la
inducción remanente se necesita aplicar un campo externo, en sentido contrario, conocido
como campo coercitivo Hc. La línea negra de la figura 1 muestra el comportamiento del
material que se conoce como ciclo de histéresis. La energía que encierra esta curva se
invierte en alinear los dominios magnéticos que constituyen el material, y su área interna es
5 Capitulo 11 - Materiales Magnéticos6 http://webdeptos.uma.es/qicm/Doc_docencia/Tema9_CM.pdf - Tema 9. Materiales magnéticos y ópticos - Ciencia de Materiales, 4º curso, 2004/20057 apuntes.foros-fiuba.com.ar/apuntes/62/08/121-Materiales_Magnéticos_y_Aplicaciones.html - Juan C. Fernández - Departamento de Física – Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires
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una medida de la energía perdida o del trabajo hecho por el ciclo de magnetización y
desmagnetización.8
Para desestabilizar la magnetización del material es necesario un campo Hci. Con un
campo de magnitud ligeramente superior, la magnetización cambia de sentido y los dipolos
del material se orientan en el sentido inverso. Este campo crítico se denomina coercividad
intrínseca y es una propiedad característica del material, y depende únicamente de la
anisotropía magnetocristalina y la magnetización de saturación. En la figura 2 se ilustra
gráficamente este comportamiento.
Figura 2. Curva de magnetización intrínseca.
El imán permanente mantiene una magnetización +Msat hasta que se le aplica un
campo inverso de magnitud -Hci, momento en el cual la magnetización se vuelve inestable y
salta (idealmente) a -Msat. Se requiere entonces aplicar un nuevo campo +Hci para que la
magnetización salte nuevamente a +Msat. Resulta así una gráfica que es la curva de
magnetización intrínseca del material. El segundo cuadrante representa la región en que el
imán realiza trabajo en contra de un campo aplicado reverso, pero de valor menor que -Hci,
y se conoce como curva intrínseca de desmagnetización.
Podemos transformar esta gráfica intrínseca M vs. H en una gráfica normal B vs. H
usando la relación: B = μ0 (H +M) con lo que se obtiene la gráfica de la figura 3. Esta gráfica
es de mayor utilidad ya que M existe solamente dentro del material magnético mientras
que B existe en todo el espacio.8 http://webdeptos.uma.es/qicm/Doc_docencia/Tema9_CM.pdf - Tema 9. Materiales magnéticos y ópticos - Ciencia de Materiales, 4º curso, 2004/2005
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Figura 3. Curva de magnetización normal.
Para el material ideal Br = μo.Msat, pero en el caso general Br es el valor de la
densidad de flujo magnético cuando el imán no tiene fmm (Br ⇒ H = 0). La remanencia es
un índice de la habilidad del material como imán permanente.
Para el material ideal Hc = Msat, pero en el caso general es la fmm requerida para
anular el flujo magnético dentro del imán. Nótese que en los casos reales los valores de Hc y
Hci no son iguales, ya que el valor de H necesario para anular a B dentro del material en
general es menor que el requerido para revertir la dirección de la magnetización del
material. La coercividad es un índice de la habilidad del imán para soportar factores
desmagnetizantes.
El máximo producto de energía (BxH)max es el punto sobre el segundo cuadrante de
la curva B vs. H en el que el producto BxH es máximo. Sobre la curva ideal, está exactamente
a mitad de camino sobre la recta del segundo cuadrante. El valor de (BxH)max indica la
máxima densidad de energía que puede almacenarse en el imán.
Podemos describir ahora el comportamiento de un imán real, y nos restringiremos al
segundo cuadrante de la curva B vs. H, región conocida como curva de desmagnetización. En
relación a la curva de histéresis para un caso real, ni el imán alcanza su coercividad
intrínseca teórica -Hci ni se produce la inversión completa de la magnetización cuando se
llega a este valor. La curva intrínseca de desmagnetización real tiene una transición gradual
en lugar del salto abrupto de la curva ideal. La curva de desmagnetización normal (B vs. H)
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también presenta un codo gradual. Las coercividades -Hci y -Hc se definen ahora como las
intersecciones de las curvas intrínseca y normal reales con el eje H.
Figura 4. Comparación de curvas de magnetización.
La curva normal de magnetización determina la densidad de flujo magnético B que
genera el imán de acuerdo al valor de la fuerza de desmagnetización H. A partir de esta
descripción introductoria del comportamiento de un material ferromagnético, podemos
decir que las características importantes en la selección de un material para usar en imanes
permanentes son:
- Alta remanencia. Cuanto mayor es la remanencia mayor es el flujo magnético que
puede crear un imán.
- Alta coercividad. Cuanto mayor es la coercividad es más difícil que el imán se
desmagnetice por acciones mecánicas o cambios de temperatura.
- Alto producto (BxH)max. Cuanto mayor es este valor, se requerirá menos material
para producir un dado flujo magnético en un circuito.
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Resumen: Aquí se cuenta en forma resumida la historia de los imanes permanentes,
desde los encontrados naturalmente, pasando por los distintos descubrimientos hasta llegar
a los más potentes de tierras raras utilizados hoy día.
Historia de los Imanes
Si bien desde el comienzo del Universo, hace más de diez mil millones de años, el
electromagnetismo ya estaba ahí, los seres humanos hemos sabido adecuadamente de su
existencia hace relativamente poco.9 Los primeros imanes conocidos fueron, por supuesto
los imanes naturales. Las primeras evidencias registradas de haber observado fenómenos de
atracción magnética datan del año 2500 a.C. Al parecer, la punta metálica de los bastones
de los pastores era atraída por ciertas piedras de la antigua Magnesia. Cerca del 700 a.C.
aproximadamente el filósofo griego Thales de Miletus hizo traer las misteriosas piedras de
Magnesia para estudiarlas, cuyo material fue llamado magnetita. La capacidad de los imanes
de orientarse de norte a sur, era conocida por los chinos desde el año 200 a.C. o antes, y en
Europa se conoció aparentemente cerca del año 1200.10
Las piedras de magnetita se encuentran en todas las minas de hierro del mundo y
contienen un óxido de hierro, Fe3O4. Debieron causar una gran sorpresa y asombro entre los
primeros hombres por sus extraños poderes. Cuando se logró la fusión del hierro y se
extendió el uso del hierro probablemente se extendió el conocimiento de que éste se volvía
un imán. Hasta hace unos 300 años eran los únicos materiales magnéticos conocidos.11
Las primeras agujas magnéticas de las brújulas no conservaban la imantación,
Cristóbal Colón conocía estas limitaciones y frecuentemente remagnetizaba sus agujas con
una piedra imán que “cuidaba con su propia vida”. Si bien la magnetita tiene propiedades
permanentes, el hierro magnetizado es, en realidad, un fuerte imán temporal. Durante el
siglo XVI ambos tipos de imanes, duros y blandos, fueron combinados para producir un imán
permanente más poderoso que cada uno de los materiales por separado. La magnetita, con
añadidos de hierro, conocido como “imán armado” era el más potente de los disponibles.12
9 http://www.rac.es/ficheros/doc/00430.pdf - IMANES HOY - Antonio Hernando Grande10 http://www.profisica.cl/comofuncionan/como.php?id=21 - José Luis Giordano11 http://www.izt.uam.mx/contactos/n43ne/Imanes.pdf - Imanes y neomagnetos - James D. Livingston12 http://www.izt.uam.mx/contactos/n43ne/Imanes.pdf - Imanes y neomagnetos - James D. Livingston
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El método experimental permitió que un conjunto de investigadores, entre los que
destacaron, Coulomb, Gauss, Poisson, Oersted, Ampere, Faraday y Maxwell descubrieran las
leyes que gobiernan el funcionamiento de las interacciones electromagnéticas entre el fin
del siglo XVIII y la segunda mitad del siglo XIX.13
La piedra imán fue el material magnético más potente hasta los inicios del siglo XVIII,
cuando comenzaron a fabricarse imanes de acero al carbono (hierro con 1% de carbono) en
Inglaterra.14 A partir de 1819, con los trabajos de Oersted, los imanes se empezaron a usar
en forma masiva para aplicaciones en motores, generadores, dínamos, etc. En esta primera
etapa se utilizaron lo que llamamos "aceros magnéticos". Estos materiales permitieron
reducir el tamaño de los imanes porque, en menor volumen, tienen igual o mayor capacidad
de generar un campo magnético en el exterior del material.15
Los adelantos en las acerías durante los siglos XIX y XX llevaron a la producción de
aleaciones de acero con tungsteno, molibdeno, cobalto, cromo y otros elementos que
daban lugar a imanes más potentes. Aunque su coercitividad era menor que la de la piedra
imán su saturación magnética era mucho mayor. Los ingenieros, entonces, desarrollaron
una medida sencilla para la calidad de un imán, ésta dependía de la saturación magnética y
de la coercitividad: el producto de energía. Los aceros con cobalto y cromo de 1920 tenían
productos de energía 4 veces mayores que los aceros al carbón y casi 10 veces el de la
piedra imán.16
A pesar de estos valores de producto de energía, la baja coercitividad,
aproximadamente 100 gauss, obligaba a hacer los imanes muy largos a fin de disminuir el
efecto desmagnetizador. Los imanes largos fueron doblados en la tradicional forma de
herradura a fin de permitir que ambos polos hicieran contacto con el objeto por atraer.
Hasta el desarrollo de imanes más permanentes, en 1930, el auricular del teléfono estaba
separado del micrófono ya que éste estaba formado por un potente imán de herradura. Los
imanes actuales raramente tienen esta forma, pero esta imagen ya se ha vuelto un
estereotipo para representar campos magnéticos.17
13 http://www.rac.es/ficheros/doc/00430.pdf - IMANES HOY - Antonio Hernando Grande14 http://www.izt.uam.mx/contactos/n43ne/Imanes.pdf - Imanes y neomagnetos - James D. Livingston15 http://cabrem4.cnea.gov.ar/rm/Sanchez-Zysler.pdf - Revista CIENCIA HOY en línea - Magnetismo de sistemas nanoscópicos, algunas aplicaciones16 http://www.izt.uam.mx/contactos/n43ne/Imanes.pdf - Imanes y neomagnetos - James D. Livingston17 http://www.izt.uam.mx/contactos/n43ne/Imanes.pdf - Imanes y neomagnetos - James D. Livingston
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Los imanes de acero fueron superados en 1930 por los que contienen hierro, aluminio,
níquel y cobalto con productos de energía y coercitividades mucho mayores que los de
acero.18 Estas aleaciones se conocen como alnicos, palabra formada por los símbolos de los
elementos químicos que están presentes en la aleación y fueron desarrolladas en Japón. Los
alnicos fueron los primeros materiales ferromagnéticos en donde se trabajó directamente
sobre la microestructura del material.19 Estos imanes redujeron el tamaño de los teléfonos y
de muchos otros dispositivos que tuvieron un lugar importante en la Segunda Guerra. Los
magnetrones, capaces de generar extremadamente altas frecuencias, fueron la clave del
sistema de radar. Después de ser un componente del radar el magnetrón pasó a la vida
doméstica en el horno de microondas.20
Los imanes de alnico aún se emplean, pero están perdiendo mercado frente a dos
nuevos tipos de magnetos permanentes: los de ferrita y los de tierras raras. Los primeros
están formados por óxidos de hierro, bario y estroncio; fueron introducidos en 1950 por la
compañía holandesa Philips. Cercanos químicamente a la piedra imán, las ferritas tienen
baja saturación magnética; en consecuencia, sus productos de energía son menores que los
de los imanes de alnico.21
A pesar de su debilidad, las ferritas alcanzaron casi el 90% de la producción mundial,
en peso, de imanes a fines de 1990. Sus dos ventajas son la coercitividad de varios miles de
gauss (los imanes de alnico tienen cientos de gauss) y el bajo costo. Su alta resistencia a la
desmagnetización les permite ser delgados en la dirección de la magnetización, lo cual es
una gran ventaja para el diseño de motores, bocinas y otros dispositivos electromagnéticos.
Su bajo costo les permite tener, entre todos los materiales magnéticos duros, una
característica más importante que el producto de energía: el precio por unidad de producto
de energía. En este punto las ferritas son los mejores.22 Es por ello, que casi el 55% de los
imanes producidos en el mundo son de este material.
18 http://www.izt.uam.mx/contactos/n43ne/Imanes.pdf - Imanes y neomagnetos - James D. Livingston19 http://cabrem4.cnea.gov.ar/rm/Sanchez-Zysler.pdf - Revista CIENCIA HOY en línea - Magnetismo de sistemas nanoscópicos, algunas aplicaciones20 http://www.izt.uam.mx/contactos/n43ne/Imanes.pdf - Imanes y neomagnetos - James D. Livingston21 http://www.izt.uam.mx/contactos/n43ne/Imanes.pdf - Imanes y neomagnetos - James D. Livingston22 http://www.izt.uam.mx/contactos/n43ne/Imanes.pdf - Imanes y neomagnetos - James D. Livingston
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Otra clase de imanes más recientes son las aleaciones de elementos denominados
tierras raras y ocupan casi la otra mitad de la producción mundial.23 En tanto que el
producto de energía de los imanes de alnico está limitado por la baja coercitividad, y el de
las ferritas por las bajas saturaciones magnéticas, los imanes de tierras raras tienen valores
mayores en ambos parámetros, lo que aumenta notablemente sus productos de energía.24
A final de los setenta, las aleaciones de samario, una tierra rara, con cobalto, un metal
de transición, mostraron tener un producto de energía que casi duplicaba al de los mejores
alnicos producidos y es diez veces superior al de las ferritas. En la actualidad las aplicaciones
principales de estos sistemas son la miniaturización de auriculares pequeños, de motores de
pasos o de equipos científicos con prestaciones particulares donde el costo no es
determinante para la producción en masa.25
En los años ochenta se produjo un encarecimiento más especulativo que real en el
precio del cobalto materia prima clave en la fabricación de estos imanes, lo que obligó a las
empresas dedicadas a su fabricación a la búsqueda de nuevos imanes permanentes en los
que el cobalto no estuviera presente y el material resultante tuviera un precio competitivo.26
En la línea de mezclar una tierra rara con un metal de transición, se comenzaron a investigar
aleaciones de la más abundante de esta familia, el neodimio, con un metal de transición.
Hay veintisiete elementos de la tabla periódica con los que pueden hacerse aleaciones con
elementos magnéticos resultando en casi 2100 aleaciones binarias y ternarias posibles.
Aunque la aleación de neodimio y hierro, los elementos más abundantes, no existe en la
naturaleza y no puede sintetizarse, se exploró agregar otro elemento para formar una
aleación ternaria. Así se encontró que aquellas que incluían boro presentaban valores altos
del producto de energía.27 En el año 1984 de modo simultáneo la General Motors en USA y
la Sumitomo en Japón descubren un nuevo material de fórmula Nd2Fe14B que posee un valor
de (Br x Hc)máx superior a 450 kJ/m3 el valor más elevado conseguido hasta ese momento.28 23 http://cabrem4.cnea.gov.ar/rm/Sanchez-Zysler.pdf - Revista CIENCIA HOY en línea - Magnetismo de sistemas nanoscópicos, algunas aplicaciones24 http://www.izt.uam.mx/contactos/n43ne/Imanes.pdf - Imanes y neomagnetos - James D. Livingston25 http://cabrem4.cnea.gov.ar/rm/Sanchez-Zysler.pdf - Revista CIENCIA HOY en línea - Magnetismo de sistemas nanoscópicos, algunas aplicaciones26 http://dialnet.unirioja.es/servlet/articulo?codigo=866718 – Tierras raras: materiales avanzados – R. Sáez Puche, C. Cascales, P. Porcher y P. Maestro27 http://cabrem4.cnea.gov.ar/rm/Sanchez-Zysler.pdf - Revista CIENCIA HOY en línea - Magnetismo de sistemas nanoscópicos, algunas aplicaciones28 http://dialnet.unirioja.es/servlet/articulo?codigo=866718 – Tierras raras: materiales avanzados – R. Sáez Puche, C. Cascales, P. Porcher y P. Maestro
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Estos nuevos materiales se comenzaron a aplicar rápidamente en aparatos electrónicos,
componentes de computadoras, en motores para los molinos de viento, en la industria del
automóvil o en motores de elevadores.29 Se produjo una gran actividad en la fabricación de
imanes que permiten almacenar energías magnéticas elevadas en imanes de pequeño
volumen, lo que rápidamente dio lugar a la denominada miniaturización de dispositivos.30
En el siguiente grafico, figura 5, se muestra como evolucionaron a lo largo de los años
los imanes, notándose claramente el gran aumento del producto de energía en las últimas
décadas.
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Figura 5. Energía magnética a lo largo de los años.
29 http://cabrem4.cnea.gov.ar/rm/Sanchez-Zysler.pdf - Revista CIENCIA HOY en línea - Magnetismo de sistemas nanoscópicos, algunas aplicaciones30 http://dialnet.unirioja.es/servlet/articulo?codigo=866718 – Tierras raras: materiales avanzados – R. Sáez Puche, C. Cascales, P. Porcher y P. Maestro31 http://www.dextermag.com/uploadedfiles/Reference_Design_Manual.pdf - DEXTER Magnetic Technologies - Reference & Design Manual
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Resumen: En este apartado se detallan las propiedades del conjunto de elementos de
las tierras raras, como son encontrados en la naturaleza, extraídos y separados para poder
utilizarlos industrialmente.
Los Elementos de las Tierras Raras
El grupo IIIA del sistema periódico comprende el escandio, ytrio, lantano y actinio y la
serie de las tierras raras o lantánidos, que abarca los elementos de número atómico 58 a 71
(cerio, praseodimio, neodimio, promecio, samario, europio, gadolinio, terbio, disprosio,
holmio, erbio, tulio, yterbio y lutecio).32 "Tierras Raras" es un nombre inapropiado para los
Lantánidos, que son en verdad metales. La palabra rara viene del hecho de que los
lantánidos fueron originalmente descubiertos en minerales que son raros, pero los
elementos en sí mismos no son raros ni escasos, de hecho algunos son bastante comunes.
Se les conoce como tierras, porque este es un viejo término de la química que significa óxido
(un compuesto con oxígeno) y las tierras raras fueron vistas por primera vez en esta forma.
En este grupo de tierras raras o lantánidos se suele incluir, el lantano que no tiene
electrones ocupando ningún orbital f, mientras que el resto de las tierras raras tienen este
orbital f parcial o totalmente lleno. Esto hace que estos elementos sean químicamente
bastante parecidos, con un estado de oxidación o valencia de +3. Sin embargo, también
pueden presentar el estado de oxidación Eu+2 y Ce+4. Los elementos escandio, Se, e ytrio,
Y, no son elementos de transición, pero muestran grandes analogías con los lantánidos y les
acompañan en sus yacimientos naturales.33
Los 14 elementos de las tierras raras poseen propiedades físicas y químicas muy
similares, debido a que sus estructuras electrónicas difieren sólo en el número de electrones
que ocupan los orbitales 4f. Al aumentar la carga nuclear surge una mayor atracción por los
electrones y disminuye el volumen atómico. Este fenómeno se denomina contracción
lantánida y se manifiesta en los radios atómicos y también en los radios iónicos, que son casi
iguales para todos los elementos lantánidos, lo que provoca el isomorfismo de sus
compuestos, dificulta su separación y determina que en la naturaleza se presenten juntos.34
32 http://www.canalsocial.net/GER/ficha_GER.asp?id=10418&cat=quimica 33 http://www.canalsocial.net/GER/ficha_GER.asp?id=10418&cat=quimica 34 http://www.canalsocial.net/GER/ficha_GER.asp?id=10418&cat=quimica
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Las propiedades de las tierras raras están íntimamente relacionadas con sus
configuraciones electrónicas. Como puede observarse, se trata de orbitales con un gran
poder de penetración que se encuentran apantallados por los orbitales más externos, 5s2 y
5p6 y como consecuencia de ello presentan el efecto del campo del cristal, resultante de la
interacción con los iones vecinos, sumamente bajo. Ello justifica las propiedades magnéticas
y ópticas características que presentan estos elementos y los compuestos de los que forman
parte.35
Estado natural y métodos de obtención
Actualmente se conocen más de 200 minerales en los que las tierras raras entran en
su composición; ello es indicativo de que estos elementos no son raros, sino que al contrario
son mucho más abundantes que otros bien conocidos y se encuentran en una cantidad
alrededor del 0.08% en la corteza terrestre.36 Los minerales que contienen elementos
lantánidos se encuentran formando depósitos o en formas más diseminadas. Los
yacimientos de Escandinavia, India, Rusia y USA son los más notables, pero también existen
otros muchos con posibilidad de explotación, aunque más pobres. Los minerales han sido
agrupados en dos clases: 1) las "tierras" del grupo del cerio, formadas fundamentalmente
por los elementos ligeros, del lantano al europio; 2) el grupo de las "tierras" del ytrio,
formado fundamentalmente por compuestos de este elemento y de los miembros más
pesados de la serie, del gadolinio al lutecio. Uno de los miembros de la serie, el promecio,
no ha sido detectado en productos naturales, más que en trazas, como resultado de la fisión
nuclear espontánea del uranio en minerales de este elemento.37
En la actualidad, el mineral más importante es la monacita que se presenta
generalmente en forma de arenas oscuras y densas de composición variable. En esencia es
un ortofosfato de los lantánidos ligeros, pero siempre contiene torio en cantidad
importante, hasta un 30% y lantánidos más pesados en magnitud de hasta el 7%. La
monacita y otros minerales que contienen lantánidos son pobres en europio. Este elemento,
35 http://dialnet.unirioja.es/servlet/articulo?codigo=866718 – Tierras raras: materiales avanzados – R. Sáez Puche, C. Cascales, P. Porcher y P. Maestro36 http://dialnet.unirioja.es/servlet/articulo?codigo=866718 – Tierras raras: materiales avanzados – R. Sáez Puche, C. Cascales, P. Porcher y P. Maestro37 http://www.canalsocial.net/GER/ficha_GER.asp?id=10418&cat=quimica
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por ser muy estable su grado de oxidación dipositivo, se presenta fundamentalmente en
minerales del grupo del calcio. Otros minerales de lantánidos son: cerita, Ce4(SiO4)3; talenita
Y2(Si2O7); torveitita, (Y Sc)2 (Si2O7); xenotita, YPO4; etc. La abundancia absoluta de los
lantánidos en la litosfera es relativamente alta. Así, incluso el menos abundante, el tulio, es
tan frecuente como otros metales más conocidos, como el bismuto, y más abundante que el
arsénico, cadmio, mercurio o selenio.38
Métodos de separación y purificación
La estrecha analogía entre estos elementos en lo referente su comportamiento
químico, hace que el proceso de extracción y posterior separación y purificación a partir de
los diferentes minerales en los que se encuentran asociados, sea tedioso y complicado. De
hecho, no ha sido hasta la segunda mitad del siglo XX cuando el aislamiento de estos
elementos a nivel industrial ha sido posible y ello ha marcado el inicio de la incorporación de
los mismos a diferentes procesos industriales.39
Los minerales que contienen lantánidos se pueden disolver en ácidos o en bases. Las
monacitas se someten a la acción de ácido sulfúrico o de hidróxido sódico, según sea el
método utilizado. En las disoluciones que, finalmente, se obtienen surge el problema de
separar unos lantánidos de otros. Durante muchos años las únicas técnicas utilizadas fueron
la cristalización fraccionada, fundamentalmente de sulfatos dobles, la precipitación o la
descomposición fraccionada, principalmente útil para separar elementos que pueden
oxidarse o reducirse. Este es el caso del cerio, susceptible de pasar a estado de oxidación IV,
y del europio Eu, samario Sm y yterbio Yb, que pueden reducirse al estado de oxidación II.
Todos estos métodos de separación son lentos y laboriosos y han sido prácticamente
desplazados por la separación con resinas de cambio iónico. La separación por cambio
iónico se basa en que, aunque la química de todos los lantánidos, en compuestos en los que
presentan grado de oxidación III, es muy análoga, existen pequeñas diferencias que además
varían sistemáticamente del lantano al lutecio. Así simultáneamente a la contracción de
volumen se produce un aumento de la acidez, o disminución de la basicidad, que constituye
38 http://www.canalsocial.net/GER/ficha_GER.asp?id=10418&cat=quimica 39 http://dialnet.unirioja.es/servlet/articulo?codigo=866718 – Tierras raras: materiales avanzados – R. Sáez Puche, C. Cascales, P. Porcher y P. Maestro
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Imanes Permanentes de las Tierras RarasAplicaciones en Máquinas Eléctricas
base suficiente para la separación selectiva. Las diferencias se exaltan a veces utilizando
agentes formadores de complejos, tales como complexomas y en general ácidos hidroxo o
aminocarboxílicos.40
Una vez separadas entre sí las sales de lantánidos, se procede a obtenerlos libres. Los
más ligeros (La, Ce, Pr, Nd y Gd) se obtienen con rendimientos superiores al 99%, por
reducción a 1.000ºC de los tricloruros anhidros con calcio en atmósfera inerte, por ejemplo,
de argón. La reducción se verifica en un crisol de tántalo y tiene lugar con desprendimiento
de energía, de forma que la temperatura se eleva hasta fundir el metal lantánido. En
condiciones análogas, el samario, el europio y el yterbio, en forma de tricloruros, se reducen
hasta el estado dipositivo. Se ha obtenido samario con un 99,9% de pureza por reducción
del tribromuro anhidro con bario a 1.650-1.700° C en atmósfera de argón. Los lantánidos
más pesados no pueden obtenerse con buen rendimiento a partir de los tricloruros, ya que
éstos son demasiado volátiles a las temperaturas a las que los metales quedan fundidos. Sin
embargo, estos metales (Tb, Dy, Ho, Er y Tm) pueden obtenerse en estado de pureza
elevada por reducción a altas temperaturas de los trifluoruros, en condiciones análogas a las
utilizadas para los metales más ligeros. El yterbio que por este método no pasa a metal sino
a compuestos derivados del ion dispositivo, puede prepararse por reducción en el vacío del
óxido con lantano a altas temperaturas. El samario puede obtenerse de una forma
análoga.41
El promecio es el elemento que en 1926 varios investigadores en Illinois y en Florencia
creyeron encontrar en concentrados de tierras raras y denominaron Illinio y Florencio.
Durante la Segunda Guerra Mundial se aisló de los productos de fisión del uranio el isótopo
de masa 147 del elemento que fue definitivamente denominado promecio. Todos los
isótopos del Pm son inestables por ser radiactivos con una vida media corta. Otros
lantánidos contienen también isótopos radiactivos: Lu176, Lal38, Ndl44 y Sm147.
40 http://www.canalsocial.net/GER/ficha_GER.asp?id=10418&cat=quimica 41 http://www.canalsocial.net/GER/ficha_GER.asp?id=10418&cat=quimica
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Imanes Permanentes de las Tierras RarasAplicaciones en Máquinas Eléctricas
Propiedades
Los elementos libres tienen propiedades metálicas y son muy electropositivos. Los
metales son de color blanco grisáceo con brillo de plata. Los primeros miembros de la serie
son tan blandos como el estaño. La dureza de los restantes crece con el número atómico,
siendo el samario tan duro como el acero. Los puntos de fusión de los cuatro primeros
elementos oscilan entre 815-930° C, pero el samario funde cerca de 1.350° C. Son
excelentes conductores del calor y de la electricidad.42
Los elementos lantánidos son extremadamente reactivos. Los ligeros se empañan
fácilmente en contacto con aire húmedo, y salvo el cerio que produce el dióxido, CeO2,
arden a temperaturas comprendidas entre 200-400° C dando los óxidos, M2O3. Los más
ligeros se combinan directamente con hidrógeno lentamente a temperatura ambiente y
rápidamente a 300° C, para dar hidruros intersticiales. A temperaturas elevadas, se unen
directamente con carbono, silicio, nitrógeno, fósforo, arsénico, azufre y halógenos.
Reaccionan con agua liberando hidrógeno, lentamente en frío y rápidamente en caliente.43
Como elementos de transición interna, los lantánidos poseen unos electrones
característicos en orbitales internos, bastante apantallados de las acciones externas. Las
consecuencias son, entre otras, la gran tendencia a formar iones tripositivos, el
comportamiento paramagnético de sus compuestos, a excepción de Lu, y el color. La
mayoría de los iones tripositivos de los lantánidos son coloreados, únicamente son incoloros
los iones Ce+3, Gd+3, Yb+3 y Lu+3. Existe una llamativa periodicidad en los colores que
indica una dependencia con fenómenos de absorción en que intervienen los electrones 4f.
Los colores de los siete primeros iones tripositivos, del lantano al gadolinio, se repiten en la
serie del lutecio al gadolinio.44
Los compuestos más importantes de los lantánidos son los óxidos, M2O3, que se
asemejan a los de calcio, estroncio y bario. Del cerio tiene interés el dióxido, CeO2. Los
hidróxidos, M(OH)3, son compuestos definidos y su basicidad disminuye al aumentar el
número atómico. Se conocen sulfatos, nitratos, carbonatos, fosfatos, oxalatos y otras
oxisales de los lantánidos. Los carbonatos, fosfatos y oxalatos son poco solubles, lo que se
42 http://www.canalsocial.net/GER/ficha_GER.asp?id=10418&cat=quimica 43 http://www.canalsocial.net/GER/ficha_GER.asp?id=10418&cat=quimica 44 http://www.canalsocial.net/GER/ficha_GER.asp?id=10418&cat=quimica
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Imanes Permanentes de las Tierras RarasAplicaciones en Máquinas Eléctricas
utiliza para su separación. En general, todos sus compuestos se parecen a los de los
elementos fuertemente electropositivos.45
Las tierras raras poseen propiedades magnéticas excepcionales, presentan constantes
de anisotropía magnetocristalina dos órdenes de magnitud superiores a la del hierro, que
dan lugar a valores elevados del Hc. Por otra parte, los momentos magnéticos intrínsecos de
la mayoría de las tierras raras superan a los de los elementos de transición clásicos como
hierro, cobalto y níquel que conducen a valores altos de Br. Sin embargo, las tierras raras
poseen un inconveniente muy importante asociado al carácter interno de los orbitales 4f,
permanecen paramagnéticos a la temperatura ambiente, con la excepción del gadolinio
cuya temperatura de Curie es de 293K. Este último aspecto, supone una limitación seria
para su uso como imanes permanentes.46
45 http://www.canalsocial.net/GER/ficha_GER.asp?id=10418&cat=quimica 46 http://dialnet.unirioja.es/servlet/articulo?codigo=866718 – Tierras raras: materiales avanzados – R. Sáez Puche, C. Cascales, P. Porcher y P. Maestro
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Imanes Permanentes de las Tierras RarasAplicaciones en Máquinas Eléctricas
Resumen: En esta sección, se compara a cuatro familias de imanes para elegir cuales
son las más apropiadas para ser usadas en el desarrollo de maquinaria eléctrica.
Comparación de Imanes Permanentes
Hay cuatro familias principales de materiales de imanes permanentes disponibles en el
comercio. Estas se extienden de la ferrita, que es de bajo precio y baja energía, a materiales
de las tierras raras, que son de alto costo y alta energía. Muchos factores afectan la opción
de material magnético, como la temperatura de operación, el tamaño y coacciones de peso,
consentimientos ambientales y la energía magnética requerida. Cada familia de materiales
tiene varios grados con una gama de propiedades magnéticas.47
Tabla de comparación de materiales.48
En la tabla se muestran los valores característicos de estos materiales de imanes
permanentes, se encuentran los Alnicos, las Ferritas y los de Tierras Raras. Los Alnicos,
aleación de Aluminio, Níquel y Cobalto, poseen el mejor comportamiento a temperaturas
elevadas y tienen una elevada remanencia, pero su coercitividad es bastante baja,49 por lo
que no son aplicables a máquinas de tracción. Las Ferritas, materiales cerámicos de valores
de coercitividad y remanencia medianos, son utilizadas en motores industriales por su bajo
47 http://www.dextermag.com/uploadedfiles/Reference_Design_Manual.pdf - DEXTER Magnetic Technologies - Reference & Design Manual48 http://www.dextermag.com/uploadedfiles/Reference_Design_Manual.pdf - DEXTER Magnetic Technologies - Reference & Design Manual49 http://www.ute.com.uy/empresa/entorno/Energias_Renovables/eolica/Actividad_2002/Eolica_Generadores.pdf - SISTEMAS DE GENERADCIÓN ELECTRICA PARA AEROGENERADORES
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Imanes Permanentes de las Tierras RarasAplicaciones en Máquinas Eléctricas
precio, pero a costa de un peso excesivo.50 Podemos observar que los imanes permanentes
de las tierras raras son los más poderosos magnéticamente. En el gráfico de la figura 6 se
observa claramente que los productos de energía son considerablemente mayores para
dichos imanes. Es por ello que vamos a profundizar en su estudio para analizar el nuevo giro
que le dieron estas aleaciones a las máquinas eléctricas.
Figura 6. Curva de energía externa de los distintos materiales.
Los imanes permanentes de las tierras raras son materiales que poseen una gran
capacidad de almacenamiento de energía magnética, que perdura en el tiempo y que su
degradación no es significativa,51 lo que permite desarrollar maquinaria más robusta.
Además, permiten fabricar máquinas de imanes permanentes muy livianos. Dentro de los
imanes de las tierras raras existen dos tipos de familias: los en base a Samario y los en base
50 http://www2.ing.puc.cl/power/paperspdf/dixon/tesis/Rodriguez.pdf - Estimación De Posición Y Control Simplificado De Corriente Para Motores BLDC – Matías Rodríguez Arnal51 http://www.revistamarina.cl/revistas/1999/3/calvo.pdf - Motor de Imanes Permanentes como Propulsor Naval - Felipe Calvo Alvarez
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Imanes Permanentes de las Tierras RarasAplicaciones en Máquinas Eléctricas
a Neodimio.52 El samario forma imanes muy poderosos con el Cobalto, en tanto que el
Neodimio lo hace con el Hierro y el Boro.53
La mayoría de las máquinas de imanes permanentes son fabricadas utilizando imanes
de Neodimio-Fierro-Boro (Nd-Fe-B) pues presentan características muy buenas para esta
aplicación y su costo es considerablemente menor a los imanes que usan aleaciones en base
a Samario, que es un material más escaso en la tierra. Su única desventaja es que su
temperatura de Curie sigue siendo baja, por lo que las máquinas con estos imanes deben
ser protegidas para que no sufran recalentamientos, pues se podrían llegar a desmagnetizar
sus imanes.54 Las características magnéticas del Samario-Cobalto permiten reducir sus
medidas. Su producto de energía es considerablemente elevado y tienen un
comportamiento muy bueno a temperaturas elevadas.55
El proceso de fabricación de este tipo de material magnético basado en tierras raras,
resulta bastante complejo. La materia prima necesaria para su aleación tiene que ser
minuciosamente mezclada en vacío. Es entonces cuando las partículas de esta materia se
mezclan según las tolerancias definidas. Finalmente se sinterizan en unos hornos especiales,
obteniendo así un producto final extremadamente duro que, únicamente, se puede trabajar
con maquinaria de electroerosión o bien, con maquinaria especial provista de herramientas
de diamante. Igualmente se utilizan procesos de enfriamiento para su tratamiento.56
El arte de hacer imanes reside en tener el material adecuado y en controlar la
microestructura de este. En algunos casos, hay una verdadera ingeniería de diseño para
alterar su estructura microscópica y así tener imanes más potentes.57
52 http://www2.ing.puc.cl/power/paperspdf/dixon/tesis/Rodriguez.pdf - Estimación De Posición Y Control Simplificado De Corriente Para Motores BLDC – Matías Rodríguez Arnal53 http://www2.ing.puc.cl/power/paperspdf/dixon/tesis/Rodriguez.pdf - Estimación De Posición Y Control Simplificado De Corriente Para Motores BLDC – Matías Rodríguez Arnal54 http://www2.ing.puc.cl/power/paperspdf/dixon/tesis/Rodriguez.pdf - Estimación De Posición Y Control Simplificado De Corriente Para Motores BLDC – Matías Rodríguez Arnal55 http://www.ute.com.uy/empresa/entorno/Energias_Renovables/eolica/Actividad_2002/Eolica_Generadores.pdf - SISTEMAS DE GENERADCIÓN ELECTRICA PARA AEROGENERADORES56 http://www.ima.es/upload/documentos/es/1180771926Tierras_Raras.pdf - Ingeniería Magnética Aplicada, S.L57 http://cabrem4.cnea.gov.ar/rm/Sanchez-Zysler.pdf - Revista CIENCIA HOY en línea - Magnetismo de sistemas nanoscópicos, algunas aplicaciones
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Imanes Permanentes de las Tierras RarasAplicaciones en Máquinas Eléctricas
Resumen: Aquí analizamos más específicamente la composición de los imanes
permanentes de las tierras raras que se fabrican en la actualidad y como son dichos
procesos en ambos casos, tanto para el Samario como para el Neodimio.
Materiales Magnéticos Fabricados
Los materiales magnéticos de las tierras raras actualmente se dividen en tres familias.
Ellas son tierra rara - cobalto 5, la tierra rara 2 - metal de transición 17 y aleaciones de
tierras raras y hierro.
Aleaciones (Tierras Raras - Cobalto 5): Estas aleaciones son por lo general binarias o
ternarias con la proporción atómica aproximada de un átomo de tierras raras a cinco
átomos de cobalto. El elemento de las tierras raras es más comúnmente el samario, pero
también puede ser otro elemento ligero de las tierras raras como, praseodymium, el cerio,
el neodimio. Los elementos pesados de las tierras raras como el gadolinio, el disprosio y el
erbio pueden substituir a los elementos ligeros para dar al material magnético un
coeficiente de temperaturas de remanencia más bajo. Los elementos de las tierras raras
típicamente son el 34 a 39 por ciento de peso de la aleación.58
Aleaciones (Tierras Raras 2 - Elemento de Transición 17): Estas aleaciones son de un
tipo que se endurece con el tiempo, con una proporción de composición de 2 átomos de las
tierras raras a 13-17 átomos de los metales de transición. Los átomos de las tierras raras
pueden ser cualquiera de aquellos encontrados en las aleaciones de 1-5. El contenido del
metal de transición es abundante en cobalto combinado con hierro y cobre. Las pequeñas
cantidades de circonio, hafnio u otros elementos son añadidas para mejorar la respuesta del
tratamiento térmico. El contenido de la tierra rara en combinaciones de materiales 2-17 es
típicamente 23 a 28 por ciento de peso de la aleación.59
Aleaciones de Hierro y Tierras Raras: Estas aleaciones tienen una composición de dos
átomos de las tierras raras a 14 átomos de hierro con un átomo de boro. Puede haber una
substitución de otro elemento de las tierras raras y/o adiciones menores de otros
58 http://www.dextermag.com/uploadedFiles/Design_and_Tech_MMPA-0100-00.pdf - STANDARD SPECIFICATIONS FOR PERMANENTE MAGNET MATERIALS59 http://www.dextermag.com/uploadedFiles/Design_and_Tech_MMPA-0100-00.pdf - STANDARD SPECIFICATIONS FOR PERMANENTE MAGNET MATERIALS
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Imanes Permanentes de las Tierras RarasAplicaciones en Máquinas Eléctricas
elementos. El cobalto es substituido por el hierro en el 3 a 15 % para mejorar el
funcionamiento a altas temperaturas. El contenido de las tierras raras de esta aleación con
hierro es típicamente 30 a 35 por ciento de peso.60
Samario - Cobalto
Átomos de los elementos llamados tierras raras tienden a formar compuestos
intermetálicos con metales de transición como hierro, níquel o cobalto, y en la primera
época del desarrollo de los imanes de estos materiales la teoría predecía que los elementos
más livianos, en particular el samario, se combinaría de la forma más favorable con el
cobalto para producir una alta anisotropía cristalina. La experiencia confirmó la factibilidad
de varios compuestos intermetálicos, y el primer imán práctico se construyó con el
compuesto SmCo5, seguido más tarde por Sm2Co17. 61
Muchos imanes permanentes estan hechos mediante técnicas metalúrgicas que
muelen el material hasta convertirlo en un polvo de pequeñas partículas. Para maximizar la
magnetización de saturación del conjunto del material es conveniente que los momentos
magnéticos en cada partícula estén alineados y que los momentos magnéticos de las
partículas mismas también lo estén.Esto último se consigue aplicando un campo orientador
durante el proceso de consolidar el polvo en un aglomerado sólido. Los momentos dentro
de cada partícula se alinearán espontáneamente siempre que el polvo sea molido hasta un
tamaño cercano al de un único dominio magnético. Si el tamaño de la partícula es mucho
mayor, será energéticamente más favorable la existencia de una frontera de dominio. Estos
dominios se generan espontáneamente en el material. 62
Después del molido, el polvo se comprime en una matriz, con un campo magnético
aplicado si así se desea. Si no se aplica campo en este proceso, se obtendrá un imán
isótropo con iguales propiedades magnéticas en todas direcciones, mientras que si se aplica
un campo exterior, se obtiene un imán anisótropo con propiedades magnéticas
preferenciales sobre un cierto eje. Dado que tanto el samario como el cobalto son
elementos relativamente caros, se fabrican imanes anisótropos con propiedades 60 http://www.dextermag.com/uploadedFiles/Design_and_Tech_MMPA-0100-00.pdf - STANDARD SPECIFICATIONS FOR PERMANENTE MAGNET MATERIALS61 apuntes.foros-fiuba.com.ar/apuntes/62/08/121-Materiales_Magnéticos_y_Aplicaciones.html - Juan C. Fernández - Departamento de Física – Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires62 apuntes.foros-fiuba.com.ar/apuntes/62/08/121-Materiales_Magnéticos_y_Aplicaciones.html - Juan C. Fernández - Departamento de Física – Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires
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Imanes Permanentes de las Tierras RarasAplicaciones en Máquinas Eléctricas
preferenciales a lo largo de un eje. El polvo compactado entonces se sinteriza para obtener
un material compacto y se maquina hasta su forma y tamaño finales. 63
Los imanes de tierras raras tienen un mecanismo de fronteras de dominio mucho más
complicado que el derivado de la pura anisotropía magnetocristalina, lo que lleva a que las
mejores propiedades magnéticas se obtienen con un tamaño de grano mayor que el
correspondiente a partículas mono-dominio. Esto significa que no sólo las fronteras de
dominio pueden existir, sino que se mueven con relativa facilidad dentro del grano.
Mientras que esta característica permite que se alcance la magnetización de saturación aún
con un modesto campo aplicado, una alta coercividad intrínseca dependerá de la habilidad
del grano para resistir la formación de un dominio invertido cuando se aplica un campo de
desmagnetización. Esta propiedad vital se controla por las fronteras de grano, que están
compuestas de desviaciones de la composición primaria del material y proveen una fuerte
fijación de las fronteras de dominios en estos lugares. Este mecanismo, conocido como
nucleación, se da en imanes de SmCo5. Un grano en proceso de nucleación se muestra en el
diagrama (a) de la figura 7.64
Figura 7. Dominios magnéticos.
El Sm2Co17 difiere del SmCo5 en que sus granos contienen una estructura de pequeñas
celdas como se ilustra en el diagrama (b) de la figura 7. El tratamiento térmico de este
compuesto promueve la formación de estas celdas de Sm2Co17, separadas por delgadas
paredes de SmCo5 que son las que proveen la fijación de las paredes de dominio, en lugar de
las fronteras de grano. La fijación, en lugar de la nucleación, es entonces el mecanismo de
63 apuntes.foros-fiuba.com.ar/apuntes/62/08/121-Materiales_Magnéticos_y_Aplicaciones.html - Juan C. Fernández - Departamento de Física – Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires64 apuntes.foros-fiuba.com.ar/apuntes/62/08/121-Materiales_Magnéticos_y_Aplicaciones.html - Juan C. Fernández - Departamento de Física – Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires
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Imanes Permanentes de las Tierras RarasAplicaciones en Máquinas Eléctricas
control en imanes de Sm2Co17, y mientras que este mecanismo provee una mayor
coercividad intrínseca, debe aplicarse un campo mucho mayor para llevar inicialmente este
material a su magnetización de saturación.65
Ya sea un imán de tipo nucleación SmCo5 o de tipo fijación Sm2Co17, es decir, ya sea
que las paredes de dominio estén fijas a las fronteras de grano o de celda, se moverán
bastante libremente una vez superadas estas fuerzas de fijación, y Msat se invertirá en
forma abrupta al alcanzar el campo aplicado el valor -Hci, en una forma similar al
comportamiento teórico derivado de la anisotropía magnetocristalina.
Los imanes de SmCo son generalmente muy caros para aplicaciones masivas. Se
suelen utilizar en instrumental de laboratorio o especiales debido a sus excelentes
propiedades de directividad.66
65 apuntes.foros-fiuba.com.ar/apuntes/62/08/121-Materiales_Magnéticos_y_Aplicaciones.html - Juan C. Fernández - Departamento de Física – Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires66 apuntes.foros-fiuba.com.ar/apuntes/62/08/121-Materiales_Magnéticos_y_Aplicaciones.html - Juan C. Fernández - Departamento de Física – Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires
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Imanes Permanentes de las Tierras RarasAplicaciones en Máquinas Eléctricas
Neodimio - Hierro - Boro
Luego del exitoso desarrollo de imanes de samario-cobalto, se trató de desarrollar
imanes de tierras raras de menor costo. El hierro es un metal de transición mucho más
barato que el cobalto, y el neodimio es una tierra rara liviana mucho más abundante que el
samario. Diversas tierras raras X se combinaron con hierro en compuestos X2Fe17, pero todos
presentaron temperaturas de operación muy bajas para propósitos prácticos. Una mejora
significativa ocurrió con el descubrimiento de que el agregado de boro formaba un
compuesto ternario con fuerte anisotropía magnetocristalina uniaxial, y una mayor
temperatura de operación.67
Un compuesto de neodimio-hierro-boro de fórmula aproximada a Nd2Fe14B presentó
la mejor combinación de propiedades magnéticas y térmicas. La estructura de la celda
unitaria de este material se muestra en la figura 8 y consiste de 68 átomos. 56 son de Fe,
que ocupan sitios cristalográficamente no equivalentes denominados 16k1, 16k2, 8j1, 8j2,
4e y 4c. Estos imanes comercialmente vienen en muchas combinaciones de proporciones de
neodimio y hierro, lo que produce un amplio rango de propiedades disponibles.68
Figura 8. Estructura de la celda unitaria del Ne2Fe14B
67 apuntes.foros-fiuba.com.ar/apuntes/62/08/121-Materiales_Magnéticos_y_Aplicaciones.html - Juan C. Fernández - Departamento de Física – Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires68 apuntes.foros-fiuba.com.ar/apuntes/62/08/121-Materiales_Magnéticos_y_Aplicaciones.html - Juan C. Fernández - Departamento de Física – Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires
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Imanes Permanentes de las Tierras RarasAplicaciones en Máquinas Eléctricas
Hay diferentes métodos de producción de imanes de Nd-Fe-B:
Sinterizado. El polvo se moldea en una estructura compacta anisótropa mediante
compactación y sinterizado en un campo orientador. Este proceso produce un imán de tipo
nucleación en el que las fronteras de grano se componen de desviaciones ricas en neodimio
de la composición primaria Nd2Fe14B, proveyendo la fijación de las fronteras de dominio.
Uno de los problemas de este método es que los granos de Nd-Fe-B son muy susceptibles de
oxidarse en su superficie, lo que limita seriamente el tamaño de grano que puede obtenerse
y hace muy difícil obtener en la práctica imanes útiles.69
La oxidación de un material comienza en su superficie, y si no se usa ningún
recubrimiento de protección, el oxígeno del ambiente se difundirá hacia dentro del material
produciendo reacciones químicas y alterando sus propiedades magnéticas. Este proceso de
difusión aumenta fuertemente con la temperatura. Otros fenómenos de corrosión
involucran otros agentes que se difunden y producen reacciones químicas destructivas
dentro del material. Desde el comienzo de la utilización técnica de los imanes, cuando el
hierro era el material fundamental, se ha utilizado la pintura como recubrimiento
protector.70
Se ha encontrado en los compuestos de Sm-Co que el cobalto dificulta el proceso de
difusión del oxígeno y que el producto fundamental del proceso de oxidación es Sm3O3. Por
lo tanto se suele agregar cobalto en exceso de la cantidad estequiométrica del compuesto
para mejorar el comportamiento frente a la oxidación.71
En el caso de los imanes de Nd-Fe-B la oxidación progresa selectivamente a lo largo de
las fronteras de grano ricas en neodimio. El compuesto más importante de este proceso es
Nd2O3. Se ha hallado que el agregado de cobalto al compuesto mejora la situación, ya que
este migra a las fronteras de grano y reduce la proporción de neodimio pasible de
oxidación.72
69 apuntes.foros-fiuba.com.ar/apuntes/62/08/121-Materiales_Magnéticos_y_Aplicaciones.html - Juan C. Fernández - Departamento de Física – Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires70 apuntes.foros-fiuba.com.ar/apuntes/62/08/121-Materiales_Magnéticos_y_Aplicaciones.html - Juan C. Fernández - Departamento de Física – Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires71 apuntes.foros-fiuba.com.ar/apuntes/62/08/121-Materiales_Magnéticos_y_Aplicaciones.html - Juan C. Fernández - Departamento de Física – Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires72 apuntes.foros-fiuba.com.ar/apuntes/62/08/121-Materiales_Magnéticos_y_Aplicaciones.html - Juan C. Fernández - Departamento de Física – Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires
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Imanes Permanentes de las Tierras RarasAplicaciones en Máquinas Eléctricas
Templado rápido. Un proceso completamente diferente involucra el templado rápido
de la aleación fundida de Nd-Fe-B, usando una técnica de "melt-spinning" para producir una
cinta que luego es convertida en polvo. Mientras que una cinta obtenida por conformación
mecánica produce partículas de polvo en forma de grandes placas, el templado rápido lleva
a una microestructura extremadamente fina como la que se ilustra en la figura 9,
nuevamente con fronteras de grano que se desvían de la composición primaria Nd2Fe14B,
aunque en mucha menor medida que en el proceso de sinterizado. Sin embargo, este no es
un imán de tipo nucleación, porque el polvo tiene una microestructura muy pequeña que se
adecua al modelo de dominio único. Este proceso de fabricación produce imanes cuyo
magnetismo permanente se basa en la anisotropía magnetocristalina, y requieren un fuerte
campo aplicado para llevar inicialmente los granos del material a la magnetización de
saturación. Como sugiere la figura 9, no es práctico moler el material a tamaño de mono-
dominio, de forma que el polvo es inherentemente isótropo. Sin embargo, puede
consolidarse en un imán compacto y anisótropo por la deformación plástica que ocurre en la
compactación en caliente. La protección natural que esta microestructura aporta a las
fronteras de grano por la disminución de la cantidad no estequiométrica de neodimio hace
que el polvo sea muy estable respecto de la oxidación, de manera que es fácil fabricar
imanes de cualquier forma por moldeo.73
Figura 9. Dominios magnéticos.
HDDR. Hemos mencionado el problema de la oxidación en la preparación de polvo de
Nd-Fe-B, de modo que también puede predecirse que absorbe hidrógeno con facilidad, lo
que convierte al material en un polvo muy frágil y quebradizo. Esta característica facilita la
conversión del material en polvo, y se ha convertido en la base del proceso llamado HDDR
(por Hidrogenación, Desproporcionación, Desorpción y Recombinación, un proceso 73 apuntes.foros-fiuba.com.ar/apuntes/62/08/121-Materiales_Magnéticos_y_Aplicaciones.html - Juan C. Fernández - Departamento de Física – Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires
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Imanes Permanentes de las Tierras RarasAplicaciones en Máquinas Eléctricas
metalúrgico muy complejo para detallar). Este proceso también da al polvo de Nd-Fe-B una
estructura ultra fina con granos de tamaño cercano al mono-dominio, y pueden obtenerse
partículas de polvo de este tamaño. El polvo de Nd-Fe-B preparado con la técnica HDDR es
inherentemente isótropo, pero los imanes fabricados por compactación en caliente o
moldeo son generalmente anisótropos debido a las condiciones de procesamiento y el
agregado de aditivos que inducen un mayor grado de textura en la aleación.74
Los imanes de Nd-Fe-B fabricados con el proceso HDDR exhiben curvas características
de desmagnetización con codos bien definidos de inversión de la magnetización.
74 apuntes.foros-fiuba.com.ar/apuntes/62/08/121-Materiales_Magnéticos_y_Aplicaciones.html - Juan C. Fernández - Departamento de Física – Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires
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Imanes Permanentes de las Tierras RarasAplicaciones en Máquinas Eléctricas
Resumen: Aplicaciones de los imanes permanentes de las tierras raras en los nuevos
generadores eólicos, síncronos y con imanes en el rotor.
Generación Eólica
A lo largo de las últimas décadas el interés en la instalación de sistemas de generación
distribuidos basados en energías renovables ha ido en aumento. Este interés queda
justificado principalmente por los beneficios medioambientales derivados de la
implantación de estos sistemas y la independencia energética respecto a los combustibles
fósiles que se consigue. Más en concreto, y centrándonos en la generación eólica, es
indudable el notable incremento que ha experimentado en los últimos años y, además, se
prevé que esta evolución continúe.75 En Europa, el recurso eólico potencial se estima
superior a los 125.000 MW de potencia que se pueden instalar y es posible que antes del
año 2010 se instalen más de 25.000 MW, lo que supondría un 2% de la demanda eléctrica
total de la Unión Europea.76
Figura 10. Potencia unitaria a lo largo de los años.
75 http://www.bizkaia.net/Home2/Archivos/DPTO8/Temas/Pdf/Ekin_Cas_2005/63-2005.pdf - Control De Convertidores De Potencia Avanzados Para Generado Eólicos - Martin González76 http://usuarios.lycos.es/arquinstal03/publicaciones/otras/bib809_nuevas_tecnologias_en_sistemas_eolicos.pdf - energuia
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Imanes Permanentes de las Tierras RarasAplicaciones en Máquinas Eléctricas
En la figura 10 se puede observar cómo fue en aumento la energía unitaria generada
eólicamente. Como es natural, en paralelo con este crecimiento tan espectacular, se
produce una evolución en las tecnologías utilizadas.
Este incremento de la potencia instalada pasa por la sustitución de las máquinas
existentes por máquinas de mayor potencia. Si en 1992 las máquinas habituales eran de 100
kW y hasta los últimos años de 600 kW, se están empezando a instalar máquinas de 1,5 MW
y se piensa llegar incluso a 3 MW, gracias al desarrollo de tecnologías como los sistemas de
velocidad variable, entre otras.77
Generador conectado directamente a la turbina eólica
La diferencia de velocidades de giro entre la turbina y el generador hace necesaria la
utilización de un multiplicador de velocidad entre ellos para adaptarlas. Este dispositivo
reduce la inercia y la rigidez de la turbina vistas por el generador. La existencia de
multiplicador de velocidad acarrea una serie de inconvenientes importantes como son:
- La necesidad de incrementar el espacio disponible en la góndola.
- Aumento de peso en la misma, con el consiguiente encarecimiento de toda la
estructura del aerogenerador, que queda sometida a esfuerzos mayores, debidos tanto al
propio peso como al empuje que ejerce el viento.
- Incremento de problemas de mantenimiento en el sistema mecánico. El par
mecánico producido por el viento sobre un sistema unido rígidamente a la red produce una
fatiga sobre el sistema mecánico que obliga necesariamente a cambiar el multiplicador de
velocidad periódicamente con el consiguiente coste adicional (llegándose en algunos casos
al cambio del mismo después de 5.000 horas de funcionamiento).
- Pérdidas mecánicas en la transmisión.78
Esta serie de problemas hace plantearse la posibilidad de pensar en un sistema sin
multiplicador de velocidad. La alternativa de un sistema sin multiplicador de velocidad, con
conexión directa a la turbina, empieza a ser eficiente cuando se plantea su utilización para
potencias elevadas ya que el coste del multiplicador crece linealmente con la potencia. Otro
77 http://usuarios.lycos.es/arquinstal03/publicaciones/otras/bib809_nuevas_tecnologias_en_sistemas_eolicos.pdf - energuia78 http://usuarios.lycos.es/arquinstal03/publicaciones/otras/bib809_nuevas_tecnologias_en_sistemas_eolicos.pdf - energuia
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Imanes Permanentes de las Tierras RarasAplicaciones en Máquinas Eléctricas
aspecto importante es que el hecho de conectar el generador directamente a la turbina
obliga a aumentar el número de pares de polos de la máquina. Si se piensa en una máquina
de muchos pares de polos, la reducción del paso polar (sector angular que ocupa cada polo
en el perímetro de la máquina) obliga a que los devanados de excitación, que tienen que
proporcionar el mismo campo magnético en el entrehierro, queden alojados a lo alto y no a
lo ancho, como se indica en la figura 8. La consecuencia de esto es un importante aumento
en el diámetro de la máquina.79
Figura 8. Aumento en el tamaño del generador al eliminar el multiplicador
Una alternativa a este problema es sustituir el devanado de excitación en una
máquina síncrona por materiales con características magnéticas permanentes que den lugar
al campo magnético necesario. La eliminación del devanado de excitación da lugar a la
aparición de las máquinas síncronas de imanes permanentes. De esta forma, y como la
energía de los imanes depende de su espesor, se puede reducir el paso polar sin un gran
incremento en el diámetro como se ve en la figura 9.80
79 http://usuarios.lycos.es/arquinstal03/publicaciones/otras/bib809_nuevas_tecnologias_en_sistemas_eolicos.pdf - energuia80 http://usuarios.lycos.es/arquinstal03/publicaciones/otras/bib809_nuevas_tecnologias_en_sistemas_eolicos.pdf - energuia
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Imanes Permanentes de las Tierras RarasAplicaciones en Máquinas Eléctricas
Figura 9. Variación de paso polar al aumentar el nº de polos con imanes permanentes
Un 40% de las utilidades de imanes permanentes está destinado a generadores y
motores eléctricos. El uso de imanes permanentes en vez de excitación eléctrica en
máquinas eléctricas tiene las siguientes ventajas:
- No hay pérdidas de excitación al no necesitarse corriente para la misma.
- Mayor par y potencia de salida por unidad de volumen.
- Mejor funcionamiento dinámico que las máquinas con excitación eléctrica, debido a
una mayor densidad de flujo en el entrehierro.
- Menor espacio necesario en la góndola y menor peso para la misma.
- Simplicidad en la construcción y mantenimiento.
- Reducción de precio en algunos tipos de máquinas.
Los generadores eólicos de imanes permanentes no tienen hoy en día una gran
presencia en el mercado pero se está apostando por ellos y en muy poco tiempo tendrán un
lugar importante dentro del panorama eólico.81
La evolución de los sistemas eólicos va encaminada a la instalación de
aerogeneradores de una más alta potencia. Esto va asociado a la utilización de máquinas
más eficientes integradas en sistemas de velocidad variable, accionadas mediante
convertidores de potencia que perturben mínimamente a la red, y controlados mediante
microcontroladores y DSPs con gran capacidad de cálculo, con los que se pueda determinar
en cada instante y de la forma más eficiente posible el comportamiento más adecuado para
el generador en función de los parámetros del sistema.82
81 http://usuarios.lycos.es/arquinstal03/publicaciones/otras/bib809_nuevas_tecnologias_en_sistemas_eolicos.pdf - energuia82 http://usuarios.lycos.es/arquinstal03/publicaciones/otras/bib809_nuevas_tecnologias_en_sistemas_eolicos.pdf - energuia
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Imanes Permanentes de las Tierras RarasAplicaciones en Máquinas Eléctricas
Generadores síncronos multipolares con imanes permanentes.
En aerogeneradores de pequeña potencia, hasta 12 kW, se utilizan mayormente
generadores síncronos de imanes permanentes. Esto es debido principalmente a su
robustez y su bajo mantenimiento, evitan el uso de cajas multiplicadoras, aunque su precio
es algo mayor. Este tipo de generadores se está utilizando cada vez más en aerogeneradores
de gran potencia debido a lo reducido de su peso y volumen al utilizar imanes de alto
magnetismo. En éste tipo de generadores la tensión de salida depende únicamente de la
velocidad de giro del rotor, al no poder variar la corriente de excitación del circuito inductor.
Para una determinada velocidad de rotación el generador se saturará. Ver característica de
vacío, figura 1183
Figura 11. Característica voltaje - velocidad de rotación de un generador de imanes permanentes de 24 voltios.84
83 http://www.ute.com.uy/empresa/entorno/Energias_Renovables/eolica/Actividad_2002/Eolica_Generadores.pdf - SISTEMAS DE GENERADCIÓN ELECTRICA PARA AEROGENERADORES84 http://www.ute.com.uy/empresa/entorno/Energias_Renovables/eolica/Actividad_2002/Eolica_Generadores.pdf - SISTEMAS DE GENERADCIÓN ELECTRICA PARA AEROGENERADORES
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Imanes Permanentes de las Tierras RarasAplicaciones en Máquinas Eléctricas
Existen distintas topologías de generadores de imanes permanentes. La mayor
diferencia estriba en el camino de flujo magnético. Este puede ser radial, normalmente
utilizado en generadores de pequeña potencia, o axial.85
Figura 12. Generador síncrono de flujo radial y axial.
Los imanes giraran frente a las bobinas que componen los distintos polos e inducirán
una fuerza electromotriz de frecuencia variable. El imán tenderá a alinearse con el polo,
evitando cualquier variación de posición. El cambio de alineación entre el polo y el imán
provocara un par senoidal que dependerá de la geometría y de las propiedades del material.
Este par, denominado de reluctancia no es deseado.86
Es típico ver generadores de imanes permanentes de dos, de tres y de hasta seis o más
fases. Sin embargo el número de imanes es mucho más flexible, desde 2 a 30 en
85 http://www.ute.com.uy/empresa/entorno/Energias_Renovables/eolica/Actividad_2002/Eolica_Generadores.pdf - SISTEMAS DE GENERADCIÓN ELECTRICA PARA AEROGENERADORES86 http://www.ute.com.uy/empresa/entorno/Energias_Renovables/eolica/Actividad_2002/Eolica_Generadores.pdf - SISTEMAS DE GENERADCIÓN ELECTRICA PARA AEROGENERADORES
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Imanes Permanentes de las Tierras RarasAplicaciones en Máquinas Eléctricas
generadores de pequeña potencia, debido a su geometría y de 30 hasta 90 imanes en
generadores de gran potencia. Hay que tener en cuenta que un mayor número de imanes
ofrece un mayor par para el mismo nivel de corriente. Por otro lado, un mayor número de
imanes implica un menor sitio para implementarlo. El número ideal de imanes dependerá
de la geometría del generador y de las propiedades de los materiales utilizados.87
Se puede establecer una relación entre el par de un generador de imanes
permanentes y la geometría de éste a través de la siguiente fórmula: T = k D2 L, siendo T el
par [Nm], k la constante de construcción, D el diámetro del rotor [m], y L la longitud axial del
rotor [m].88
Figura 13. Aerogenerador con generador síncrono de imanes permanentes de flujo
radial de 660 kW (GENESYS) y axial de 750 kW (JEUMON J48)89
87 http://www.ute.com.uy/empresa/entorno/Energias_Renovables/eolica/Actividad_2002/Eolica_Generadores.pdf - SISTEMAS DE GENERADCIÓN ELECTRICA PARA AEROGENERADORES88 http://www.ute.com.uy/empresa/entorno/Energias_Renovables/eolica/Actividad_2002/Eolica_Generadores.pdf - SISTEMAS DE GENERADCIÓN ELECTRICA PARA AEROGENERADORES89 http://www.ute.com.uy/empresa/entorno/Energias_Renovables/eolica/Actividad_2002/Eolica_Generadores.pdf - SISTEMAS DE GENERADCIÓN ELECTRICA PARA AEROGENERADORES
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Imanes Permanentes de las Tierras RarasAplicaciones en Máquinas Eléctricas
Resumen: Aplicaciones de los imanes permanentes de las tierras raras en los nuevos
motores de imanes permanentes.
Motores de Imanes Permanentes
La principal característica de este tipo de máquina es que no posee bobinas de
excitación en el rotor, estas son reemplazadas por imanes permanentes.90 Son motores
eléctricos que utilizan la combinación de campos magnéticos de naturaleza permanente y
campos magnéticos inducidos producidos por la corriente de excitación externa que fluye a
través de los devanados del estator.91 En los últimos años se ha observado un
proliferamiento de este tipo de máquina gracias al desarrollo de mejores imanes.92
Dentro de los motores de excitación alterna se puede hacer una división donde se
encuentra a los motores sincrónicos de imanes permanentes y a los motores llamados
Brushless DC o motores de excitación alterna "sin escobillas" debido a su equivalencia con
los motores de corriente continua.93 Estos motores difieren en su forma de construcción, y
principalmente en la distribución del flujo magnético en su entrehierro y por consiguiente
en la forma de su control. El primer tipo deriva de una máquina síncrona a la que se le
reemplaza la excitación bobinada por imanes permanentes. Una característica de esta
máquina es que la excitación es del tipo sinusoidal tal como los motores síncronos
convencionales, y su estator es muy similar al de ellos. El segundo tipo se origina en una
máquina de corriente continua, a la cual se le intercambian las funciones de excitación y
armadura (rotor y estator). La función conmutadora del colector mecánico de una máquina
DC, es realizada ahora por un inversor electrónico, el que alimenta el estator del motor
BLDC.94
90 http://www2.ing.puc.cl/power/paperspdf/dixon/tesis/Rodriguez.pdf - Estimación De Posición Y Control Simplificado De Corriente Para Motores BLDC – Matías Rodríguez Arnal91 http://www.revistamarina.cl/revistas/1999/3/calvo.pdf - Motor de Imanes Permanentes como Propulsor Naval - Felipe Calvo Alvarez92 http://www2.ing.puc.cl/power/paperspdf/dixon/tesis/Rodriguez.pdf - Estimación De Posición Y Control Simplificado De Corriente Para Motores BLDC – Matías Rodríguez Arnal93 http://www.revistamarina.cl/revistas/1999/3/calvo.pdf - Motor de Imanes Permanentes como Propulsor Naval - Felipe Calvo Alvarez94 http://www2.ing.puc.cl/power/paperspdf/dixon/tesis/Rodriguez.pdf - Estimación De Posición Y Control Simplificado De Corriente Para Motores BLDC – Matías Rodríguez Arnal
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Imanes Permanentes de las Tierras RarasAplicaciones en Máquinas Eléctricas
Los motores sincrónicos de imanes permanentes tienen, como muy bien lo dice su
nombre, una velocidad constante, sincrónica de acuerdo a la frecuencia de las corrientes de
armadura. Actualmente, con el uso de dispositivos de electrónica de potencia es posible
variar la frecuencia de la armadura, pudiendo de esta forma cambiar la velocidad de giro del
rotor. La mayor ventaja de este tipo de motor, con respecto a los motores de inducción y
sincrónicos convencionales, es la ausencia de pérdidas de deslizamiento y la natural
habilidad de suministrar corriente reactiva, dependiendo de las condiciones de excitación
tanto del imán como de la armadura. Además, hay un aumento general de la eficiencia de
conversión de energía como también de la disminución de los costos de mantenimiento, y
pérdidas asociadas a la refrigeración del motor.95
En el motor Brushless, la primera ventaja es que no requiere anillos ni escobillas que
implican una necesidad de mantención periódica y limitan las velocidades de giro del rotor.
Otra importante característica es que este tipo de máquina es menos susceptible a sufrir
recalentamientos ya que los enrollados se encuentran solo en la parte externa del motor, es
decir, en el estator. Por esto es más simple su refrigeración y en general los motores de
potencias bajas pueden ser enfriados simplemente por aire.96
Figura 13. a) Imanes de montaje superficial para PMSM o BLDC y b) Imanes insertos en el rotor para PMSM (motor sincrónico de imanes permanentes).97
95 http://www.revistamarina.cl/revistas/1999/3/calvo.pdf - Motor de Imanes Permanentes como Propulsor Naval - Felipe Calvo Alvarez96 http://www2.ing.puc.cl/power/paperspdf/dixon/tesis/Rodriguez.pdf - Estimación De Posición Y Control Simplificado De Corriente Para Motores BLDC – Matías Rodríguez Arnal97 http://www2.ing.puc.cl/power/paperspdf/dixon/tesis/Rodriguez.pdf - Estimación De Posición Y Control Simplificado De Corriente Para Motores BLDC – Matías Rodríguez Arnal
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Imanes Permanentes de las Tierras RarasAplicaciones en Máquinas Eléctricas
En estas máquinas los imanes pueden estar montados superficialmente en el rotor o
en su interior. En general la fabricación de rotores con imanes en su interior es más
complicada y costosa por lo que generalmente se utiliza el método de montaje superficial. El
único inconveniente de este método es que la velocidad máxima de giro está acotada por el
adhesivo utilizado para fijar los imanes al rotor.98
Figura 14. Rotor de Imanes Permanentes, montaje superficial.99
Figura 15. Rotor de Imanes Permanentes, imanes insertos.100
98 http://www2.ing.puc.cl/power/paperspdf/dixon/tesis/Rodriguez.pdf - Estimación De Posición Y Control Simplificado De Corriente Para Motores BLDC – Matías Rodríguez Arnal99 Adaptación de un Generador Eléctrico de Imanes Permanentes y flujo radial - Santos Jaimes Alfonso y Álvaro Enrique Pinilla Sepúlveda100 http://www.hongyangmotor.com/En/ProductView.asp?id=178&class=8#
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Imanes Permanentes de las Tierras RarasAplicaciones en Máquinas Eléctricas
Estos motores tienen varias ventajas respecto a los del tipo de campo devanado. No se
necesitan las alimentaciones de energía eléctrica para excitación ni el devanado asociado.
Se mejora la confiabilidad, ya que no existen bobinas excitadoras del campo que fallen y no
hay probabilidad de que se presente una sobre velocidad debida a pérdida del campo. Se
mejoran la eficiencia y el enfriamiento por la eliminación de pérdida de potencia en un
campo excitador. Así mismo, la característica par contra corriente se aproxima más a lo
lineal. Un motor de imán permanente (PM) se puede usar en donde se requiere un motor
por completo encerrado para un ciclo de servicio de excitación continua.101
En general se puede decir que los motores eléctricos son de mayor tamaño, más
pesados y más caros que un sistema mecánico, como los motores diesel o las turbinas a gas,
sin embargo, con el advenimiento de los motores de imanes permanentes ha sido posible
disminuir estas condiciones desfavorables lo que hace pensar que su aplicación sea mayor
en el futuro.102
Servomotores brushless de imán permanente
Un Servomotor podría definirse genéricamente como un motor utilizado para obtener
una salida precisa y exacta en función del tiempo. Dicha salida esta expresada
habitualmente en términos de posición, velocidad y/o torque.103
La aplicación industrial de dichos motores esta desarrollándose significativamente por
múltiples razones entre las que podemos mencionar: nuevos y más potentes componentes
magnéticos para los motores como los imanes de tierras raras, reducción de costo de los
motores y los equipos electrónicos necesarios para el control de los mismos, incorporación
en dichos equipos electrónicos de nuevas funciones para un control preciso y confiable del
movimiento que permiten utilizarlos eficientemente e incorporar nuevas aéreas a su
dominio de aplicación.104
101 http://www.edubots.cl/motores.pdf - MOTORES, BATERIAS Y MICROPROCESADORES - Orlando Montero102 http://www.revistamarina.cl/revistas/1999/3/calvo.pdf - Motor de Imanes Permanentes como Propulsor Naval - Felipe Calvo Alvarez103 http://www.eurotechsa.com.ar/ascensores/Servomotores%20brushless%20de%20iman%20permanente.pdf - Servomotores brushless de imán permanente104 http://www.eurotechsa.com.ar/ascensores/Servomotores%20brushless%20de%20iman%20permanente.pdf – Servomotores brushless de imán permanente
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Imanes Permanentes de las Tierras RarasAplicaciones en Máquinas Eléctricas
Esencialmente un motor brushless de imán permanente es una maquina sincrónica
con la frecuencia de alimentación, capaz de desarrollar altos torques, hasta 3 o 4 veces su
torque nominal, en forma transitoria para oponerse a todo esfuerzo que trate de sacarla de
sincronismo.105
En comparación con motores asíncronos a jaula de ardillas, con el mismo torque y
velocidad en su eje, la inercia de un servomotor brushless es sustancialmente menor.
Ambas características: sobretorques importantes e inercias reducidas son características
apreciadas y útiles para el control del movimiento pues permiten rápidas aceleraciones y
deceleraciones así como control preciso de posición en altas velocidades.106
Constructivamente el servomotor brushless posee un estator parecido al de un motor
de jaula con un núcleo laminado y un bobinado trifásico uniformemente distribuido. El rotor
está constituido por un grupo de imanes permanentes fijados en el eje de rotación. La
fijación de los imanes al rotor ha sido uno de los puntos críticos en la construcción de estos
motores debido a las altas fuerzas centrifugas a las que se encuentran sometidos durante
los procesos de aceleración y frenado. Actualmente se combinan fijaciones mecánicas de
105 http://www.eurotechsa.com.ar/ascensores/Servomotores%20brushless%20de%20iman%20permanente.pdf – Servomotores brushless de imán permanente106 http://www.eurotechsa.com.ar/ascensores/Servomotores%20brushless%20de%20iman%20permanente.pdf - Servomotores brushless de imán permanente
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Imanes Permanentes de las Tierras RarasAplicaciones en Máquinas Eléctricas
diferentes tipos, atadura con fibra de vidrio, chaveteado con diferentes materiales, etc., con
pegado utilizando adhesivos especiales.107
Haciendo circular corriente alterna en las fases del bobinado de estator producimos
un campo magnético rotante en el entrehierro del motor. Si en cada instante el campo
magnético generado en el estator intersecta con el ángulo correcto al campo magnético
producido por los imanes del rotor generamos torque para lograr el movimiento del motor y
la carga acoplada a él. La utilización de un dispositivo electrónico denominado servodrive
para alimentar el estator con la tensión y frecuencia correcta, permite en cada instante,
generar un campo magnético estatórico de magnitud y posición correctamente alineada con
el campo magnético de rotor. De esta forma obtenemos el torque necesario para mantener
la velocidad y posición deseada del eje del motor.108
La utilización de servomotores se está popularizando en todas las ramas de la
industria. En el transporte vertical vemos cada vez más frecuentemente aplicaciones que
aprovechan la alta capacidad de sobretorque y la baja inercia del motor para lograr un
perfecto control del viaje y nivelación aun en muy altas velocidades en maquinas de tracción
o posicionamientos perfectos con alto control del torque en operadores de puerta. La alta
capacidad volumétrica de torque del motor permite obtener maquinas de dimensiones
reducidas en comparación con las maquinas de otras tecnologías facilitando la instalación.
Los servodrives incorporan mayor capacidad de control de movimiento y comunicación
realizando en algunos casos funciones que eran anteriormente dominio exclusivo de la
maniobra. Los conjuntos son más eficientes desde el punto de vista rendimiento y
consumen menos energía que algunas aplicaciones tradicionales. Por lo tanto es de esperar
en un futuro cercano una mayor difusión de este tipo de soluciones acompañada por una
baja de costo, producto de la mayor cantidad de unidades manufacturadas y número de
proveedores presentes en el mercado.109
107 http://www.eurotechsa.com.ar/ascensores/Servomotores%20brushless%20de%20iman%20permanente.pdf - Servomotores brushless de imán permanente108 http://www.eurotechsa.com.ar/ascensores/Servomotores%20brushless%20de%20iman%20permanente.pdf - Servomotores brushless de imán permanente109 http://www.eurotechsa.com.ar/ascensores/Servomotores%20brushless%20de%20iman%20permanente.pdf - Servomotores brushless de imán permanente
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Imanes Permanentes de las Tierras RarasAplicaciones en Máquinas Eléctricas
Motores de Imanes Permanentes sin reductores
Utilizado durante décadas en aplicaciones en pequeña escala por su buena relación
peso-prestaciones, por ejemplo en la industria de ordenadores, el motor de imanes
permanentes ha sido perfeccionado por ABB para ofrecer gran precisión y fiabilidad a las
aplicaciones industriales que necesitan un alto par de giro y baja velocidad. Esta nueva
tecnología de imanes permanentes contribuye a que se pueda prescindir de los reductores
en numerosos sectores industriales. El primero de ellos será la industria papelera, ya que las
máquinas de papel utilizan gran número de motores de alta precisión y baja velocidad.110
El motor de imanes permanentes de ABB es un motor síncrono que, sin deslizamiento
del inducido, proporciona más precisión que los motores asíncronos normales. En un motor
asíncrono, el deslizamiento varía según la velocidad y la carga. Con un motor síncrono es
más sencillo optimizar la velocidad y la eliminación del compensador de deslizamiento
mejora las prestaciones de control dinámico del motor. La construcción de un motor
síncrono tradicional es más complicada que la del motor asíncrono y por tanto necesita más
mantenimiento. Sin embargo, los imanes permanentes utilizados en el nuevo motor de ABB
simplifican la construcción al crear un flujo constante en el entrehierro que permite
prescindir de los devanados de rotor y de las escobillas normalmente utilizados para la
excitación de los motores síncronos.111
El resultado es un motor que combina las grandes prestaciones de los motores
síncronos y el robusto diseño de los motores asíncronos de inducción. El motor es
alimentado directamente en el estator por el sistema de accionamiento de velocidad
variable. El motor síncrono también puede suministrar mayor potencia con una unidad de
menor tamaño. Los imanes permanentes son de neodimio-hierro-boro (NdFeB), la última
novedad de material magnético en el mercado.112
Después de dos exitosos proyectos piloto se instaló el primer sistema Direct Drive en
agosto de 2002 en la línea de fabricación de materiales de envasado para la industria
farmacéutica y de productos cosméticos de la empresa papelera M-Real, Finlandia.
110 http://library.abb.com/GLOBAL/SCOT/scot271.nsf/VerityDisplay/E96662F70D8988AAC1256DDD00347008/$File/22-25%20M792%20SPA.pdf - Automation technologies - Revista ABB111 http://library.abb.com/GLOBAL/SCOT/scot271.nsf/VerityDisplay/E96662F70D8988AAC1256DDD00347008/$File/22-25%20M792%20SPA.pdf - Automation technologies - Revista ABB112 http://library.abb.com/GLOBAL/SCOT/scot271.nsf/VerityDisplay/E96662F70D8988AAC1256DDD00347008/$File/22-25%20M792%20SPA.pdf - Automation technologies - Revista ABB
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Imanes Permanentes de las Tierras RarasAplicaciones en Máquinas Eléctricas
Los motores de inducción estándar, proyectados normalmente para funcionar a 750 –
3.000 rpm, no son especialmente adecuados para funcionar a baja velocidad ya que al
reducirse ésta el motor pierde rendimiento. También puede suceder que el motor no esté
en condiciones de suministrar un par motor con una variación suficientemente suave en el
intervalo de velocidades bajas.113
Configuración del accionamiento con: a) motor convencional de inducción, reductor y
eje de transmisión; b) sistema Direct Drive
Normalmente, este problema se resuelve utilizando un reductor de velocidad, un
equipo complicado, que ocupa espacio, necesita mantenimiento y consume una
considerable cantidad de aceite. La nueva solución suministra un alto par motor
directamente al sistema de accionamiento interno de la máquina de papel. Al eliminarse el
reductor, el usuario ahorra espacio y costes de instalación, necesitando únicamente
preparar la cimentación para un único elemento de accionamiento. Esto también
proporciona más libertad de diseño a la hora de estudiar la implantación de la máquina de
papel. El menor número de componentes y la mayor sencillez de la configuración reducen el
113 http://library.abb.com/GLOBAL/SCOT/scot271.nsf/VerityDisplay/E96662F70D8988AAC1256DDD00347008/$File/22-25%20M792%20SPA.pdf - Automation technologies - Revista ABB
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Imanes Permanentes de las Tierras RarasAplicaciones en Máquinas Eléctricas
tiempo de trabajo de ingeniería en la propia planta, facilitan la instalación, permiten
aprovechar mejor el espacio disponible y reducen los inventarios de piezas de repuesto.114
La sencillez de configuración también aumenta la disponibilidad de la maquinaria de
producción. La reducción del mantenimiento significa menos paradas de producción, menor
pérdida de materias primas, mejor calidad del producto final y menos desgaste de la
maquinaria de producción. Además, los trabajos de mantenimiento y de reparación son más
rápidos. La tecnología de la solución DriveIT Direct Drive mejora la controlabilidad de los
sistemas de accionamiento y permite a los motores de las máquinas de papel funcionar sin
codificador de impulsos, pues los motores sincronizados proporcionan un control muy
preciso sin necesidad de retroalimentación. La precisión es tan elevada como la conseguible
en un motor de inducción de velocidad variable que funcione con retroalimentación. Esto
significa que se puede prescindir del codificador de impulsos, lo cual reduce aún más las
necesidades de mantenimiento. Esta es una ventaja muy especial para el sector del papel,
en el cual la escasa fiabilidad de los dispositivos de retroalimentación contribuye a provocar
paradas de la producción. La solución también puede reducir la complejidad del diseño, ya
que los dispositivos de retroalimentación pueden ser difícilmente integrables en el sistema o
es necesario montarlos en puntos de difícil acceso. El nuevo accionamiento, más eficaz
desde el punto de vista eléctrico, afecta directamente al consumo de energía y el ahorro
aumenta considerablemente al reducirse la velocidad.115
114 http://library.abb.com/GLOBAL/SCOT/scot271.nsf/VerityDisplay/E96662F70D8988AAC1256DDD00347008/$File/22-25%20M792%20SPA.pdf - Automation technologies - Revista ABB115 http://library.abb.com/GLOBAL/SCOT/scot271.nsf/VerityDisplay/E96662F70D8988AAC1256DDD00347008/$File/22-25%20M792%20SPA.pdf - Automation technologies - Revista ABB
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Imanes Permanentes de las Tierras RarasAplicaciones en Máquinas Eléctricas
El motor de imanes permanentes se viene utilizando desde hace varias décadas, pero
sólo ahora se empieza a aplicar esta tecnología a los grandes motores. El pequeño tamaño y
la gran precisión de los motores de imanes permanentes han generalizado el uso de los
mismos para los relojes de pulsera y las unidades de disco duro de los ordenadores.
Actualmente, el motor más grande de imanes permanentes alcanza las siete toneladas de
peso. Estos motores se diseñan actualmente con flujo radial, con refrigeración por aire o
agua y con un rotor de imanes permanentes. La potencia varía entre 27 y 1800 kW y la
tensión del motor es típicamente de 400/690 VAC. La temperatura del rotor de imanes
permanentes permanece naturalmente baja y es posible, por tanto, alcanzar valores altos
de densidad de potencia.116
116 http://library.abb.com/GLOBAL/SCOT/scot271.nsf/VerityDisplay/E96662F70D8988AAC1256DDD00347008/$File/22-25%20M792%20SPA.pdf - Automation technologies - Revista ABB
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Imanes Permanentes de las Tierras RarasAplicaciones en Máquinas Eléctricas
Algunos Fabricantes
DEXTER Magnetic Technologies
Esta empresa es líder mundial en el suministro de soluciones comprensivas
magnéticas incluyendo el diseño, ingeniería y fabricado de circuitos magnéticos complejos,
imanes permanentes, ensamblados magnéticos, sistemas electromagnéticos, así como
productos finales que sirven necesidades específicas del mercado. No solo recomiendan que
tipo de material es mejor para cada aplicación, sino que ayudan en el diseño. La siguiente
imagen es de la página inicial de la presente empresa, www.dextermag.com.
Vamos a hacer referencia a las características de los imanes de las tierras raras
fabricados por esta empresa. Las propiedades magnéticas y las composiciones químicas de
los grados comerciales de imanes de las tierras raras se presentan en la tabla a
continuación. Ya que muchas combinaciones de elementos y orientaciones son posibles,
muchos grados adicionales están disponibles de varios productores.
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Tabla 1. Propiedades Magnéticas Típicas.
Las especificaciones generales que se presentan a continuación son para las
características mecánicas e imperfecciones visuales.
- Condiciones Superficiales: Todas las superficies del imán deberán estar sin los
materiales extranjeros que tienden a sostener o recoger partículas extrañas sobre la
superficie del imán en la condición desmagnetizada.
- Otras imperfecciones físicas: Las imperfecciones como grietas menores finas,
porosidad, vacíos, y otras, comúnmente encontradas en imanes sinterizados metálicos,
serán juzgadas aceptables si las condiciones siguientes son encontradas: El imán cumple con
los criterios magnéticos mínimos de funcionamiento convenidos; Las imperfecciones no
crean partículas flojas u otras condiciones que interferirán con el funcionamiento apropiado
del dispositivo final; Las grietas serán aceptables a condición de que no se extiendan a
través de más del 50 por ciento de ninguna superficie del polo.
- Otras condiciones: Métodos no destructivos de inspección como el empleo de
penetrantes, microscopía, el análisis de partícula magnética, la inspección ultrasónica, o
rayos X no serán métodos aceptables y capaces de juzgar la calidad de imanes sinterizados
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de las tierras raras. Hay una excepción para casos donde se espera que el imán soporte
condiciones anormales o estresadas. Tales condiciones antes deben ser especificadas y una
prueba de servicio mutuamente aceptable inventada para asegurar que el imán no fallará
en las condiciones de servicio especificadas. Tales pruebas deberían duplicar condiciones de
servicio con factores de seguridad apropiados.
Las dimensiones y tolerancias permitidas por imanes sinterizados de las tierras raras
se presentan en la tabla 2, que se presenta a continuación.
Tabla 2. Tolerancias de los imanes sinterizados de tierras raras.
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Las propiedades físicas y térmicas típicas para imanes permanentes de las tierras raras
se presentan en las tablas que se encuentran seguidamente.
La mayor parte de los fabricantes usa el control de procedimiento estadístico para
supervisar parámetros claves en cada paso del proceso. Los proyectos de control son
individualmente negociados con clientes para obtener las exigencias de calidad específicas.
En ausencia de un plan de control, los imanes de las tierras raras serán inspeccionados
para todas las características específicas usando un plan de muestreo estadísticamente
válido. Tales proyectos pueden ser sacados de, la Planificación de Calidad y el Análisis: De
Desarrollo de Producto Por Empleo, J.M. Juran y F. M. Gryna, 3a Edición, McGraw Colina
(1993), el Capítulo 19. ISBN 0-07-033183-9.
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SAMARIO COBALTO (SmCo)
SmCo es un material excelente para usos que requieren alto rendimiento en
ambientes de trabajo con altas temperaturas. SmCo expone características térmicas
excelentes con varios grados diseñados expresamente para usos hasta 300°C (570°F). Los
productos de energía para materiales SmCo se extienden de 16 a 32 MGOe.
Las propiedades de este material se presentan en la siguiente tabla:
Y las curvas de desmagnetización en esta gráfica:
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NEODIMIO HIERRO BORO (NeFeB)
Es el material a elegir para usos de alto rendimiento y es el material con mayor
energía actualmente disponible. Los productos de energía para estos imanes se extienden
de 26 a 48 MGOe. Mientras NdFeB es menos frágil que algunos materiales magnéticos, este
no debería ser usado como un componente estructural. Es sensible para calentarse y no
debería ser usado en los ambientes que exceden 150°C (300°F).
La tabla a continuación muestra las propiedades de este material:
Sus curvas de desmagnetización son de la siguiente forma:
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Sura Magnets
Ha sido un fabricante principalmente de imanes permanentes durante más de 50
años. Hoy se ha especializado en la fabricación de imanes de precisión moldeados y
compactados de Ferrita, NdFeB y SmCo. Otros productos son enchufes magnéticos para la
industria automotor y varias clases de sistemas magnéticos. Suministran prácticamente
todos los tipos de imanes permanentes, y pueden ofrecer el material óptimo para los
distintos usos magnéticos solicitados por los clientes. A continuación vemos la página
principal de Sura Magnets, www.suramagnets.se.
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Imanes Permanentes de las Tierras RarasAplicaciones en Máquinas Eléctricas
IBS Magnet
Se especializan en la fabricación y el suministro de imanes permanentes de cualquier
material magnético, en particular de los materiales magnéticos de gran energía NdFeB y
SmCo. Su extensa gama de dimensiones estándar disponibles también incluyen las
abrazaderas magnéticas de todas las clases, las películas magnéticas, imanes para la
separación de hierro, así como sistemas de imán innovadores como la pelota de imán y
uniones de enchufe, abrazaderas hidrófugas magnéticas de mar y abrazaderas magnéticas
en miniatura. Estos imanes pueden ser comprados en línea. En la imagen se muestra el sitio
web de esta empresa, www.ibsmagnet.com.
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BOMATEC AG
Es una empresa de venta y consulta, ubicada en Suiza ofrece tres gamas de producto:
sensores, unidades de disco e imanes permanentes. Realizan los proyectos de los clientes,
obteniendo así imanes hechos a medida, recibiendo la calidad suiza en precios
internacionalmente competitivos. A continuación se muestra la página de internet de esta
empresa, www.bomatec.ch.
Producen imanes innovadores, por ejemplo, para plantas eólicas. Producen imanes de
calidad, por ejemplo, para bombeadores de diálisis. Producen imanes modernos, por
ejemplo, en autos. Ofrecen en tecnología magnética: imanes AlNiCo, Imanes duros de
Ferritas, Imanes de Tierras Raras e Imanes Plastic-Bounded. Los imanes de las tierras raras
son presionados en un campo magnético, sinterizados y luego cortados o moldeados en la
forma final.
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IDEMAG, Imanes y Desarrollos Magnéticos
Es una empresa dedicada a la comercialización de todo tipo de imanes y aplicaciones
magnéticas, con oficinas y centro de producción situados muy cerca del núcleo urbano de
Barcelona. Produce 5 tipos principales de materiales magnéticos: imanes cerámicos, imanes
metálicos, imanes de tierras raras, imanes flexofer-II e imanes flexofer-III. Y sus servicios se
centran básicamente en: venta de piezas magnéticas prediseñadas de forma estándar y
diseño a medida de sistemas magnéticos para necesidades no estándar. La siguiente imagen
es de la página de internet de ésta empresa, www.idemag.com.
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El compuesto de Neodimio (Nd) - Hierro (Fe) - Boro (B) presenta excelentes valores
magnéticos con relación a su masa y es apropiado para montajes que requieren
miniaturización. Tienen escasa resistencia a temperaturas elevadas, pero buen precio con
relación a sus prestaciones.
Según el proceso de fabricación pueden ser sinterizados o bonded. El compuesto de
Cobalto (Co) - Samario (Sm) posee importantes valores magnéticos aunque sensiblemente
inferiores al Neodimio, y es sinterizado en cuanto a la calidad. Es muy estable a alta
temperatura (250 °C), pero las materias primas están sujetas a fluctuaciones de valor al ser
consideradas estratégicas.
Las principales características que presentan éstos compuestos son: una alta inducción
y fuerza coercitiva, dificultad de mecanizado por su fragilidad, baja resistencia a la
oxidación, y a causa de sus altos valores magnéticos, pueden ser de muy reducidas
dimensiones, lo cual les da utilidad en aplicaciones imposibles para otros materiales
magnéticos. Bajo demanda se pueden suministrar diferentes dimensiones.
Sus principales aplicaciones son en filtros magnéticos, instrumental de precisión,
motores, sensores, micrófonos, altavoces. La siguiente tabla muestra las propiedades
magnéticas de los compuestos fabricados por IDEMAG.
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ОАО NPO “Magneton”
Es una empresa rusa, fundada en 1969 para proveer imanes permanentes de alta
energía para equipos específicos. Produce una amplia variedad de imanes, como los de
tierras raras (NdFeB, SmCo), aleaciones (AlNiCo, FeCoCr), y ferritas (SrFe). Es la única
empresa del mundo en fabricar imanes de monocristal, y produce ensamblados y
separadores magnéticos de varios tipos para diferentes industrias. A continuación se
presenta una imagen del sitio web, www.tdmagneton.ru.
Los imanes permanentes de las tierras raras que produce esta empresa son
recomendados para máquinas eléctricas miniatura, computadoras, sistemas acústicos, entre
otros. Las ventajas son la posibilidad de generar altos campos magnéticos en pequeños
tamaños, y sus altos parámetros magnéticos.
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ACM ENGINEERING S.P.A
Es una compañía ubicada cerca del Lago Maggiore en Italia y hace varios años que
opera en el campo de la automatización industrial. Es líder en diseñar y producir
servomotroes AC con imanes de tierras raras, motores Brushless AC, motores DC de imanes
permanentes y DC field winded motors. La siguiente imagen muestra la página web de esta
empresa italiana, www.acmengineering.it.
Las características de los servomotres AC son: muy bajo mantenimiento, alta
protección a la contaminación externa, altas aceleraciones con altas performances
dinámicas, y alta velocidad y resistencia a las sobrecargas. Producen desde motores
pequeños de 0,3 Nm hasta 150 Nm de torque. También producen motores de baja
velocidad con alto torque de 24 polos, en versiones de ejes normales o huecos.
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D.E.E. M.S.E.: Research and realization of rotating electric machines
Es una oficina de ingeniería y unidad de producción dedicada a cumplir con las
necesidades de los clientes: investigación, diseño y producción de máquinas eléctricas
rotativas especiales: alternadores, convertidores, motores. Podemos observar la pagina
inicial de internet de esta empresa en la imagen, www.deemse.com.
El proceso consta de tres partes: investigación y mediciones, capacidad de producción
y pruebas y mediciones con prototipos. En la primera instancia se utiliza un software de
cálculo para optimizar los fenómenos magnéticos, térmicos, eléctricos y mecánicos, así
como los costos de producción. Luego, la capacidad se ajusta a la realización de la máquina
rotativa: potencia hasta 1MW, voltaje hasta 1kV, frecuencia hasta 2kHz, rotación hasta
24000rpm, peso hasta 1500kg. Y por último, el sistema de medición para obtener un
proceso exacto de fabricación incluye: resistencias, inductancias, capacitores, cargas de
impacto, armónicos, vibraciones, temperaturas con cámara IR, entre otras.
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DYNEO - Permanent Magnet Solutions (LEROY SOMER)
LEROY SOMER es una empresa con una fuerte presencia comercial en todos los
mercados internacionales y dedicada a producir motores eléctricos: alternadores, motores
sincrónicos de imanes permanentes, motores asincrónicos, motores de corriente continua,
motores de freno asincrónicos, motores electromecánicos con engranajes, variadores de
velocidad y bombas. El motor de imanes permanentes es presentado como una solución
magnética que permite el ahorro de energía y que tiene niveles de eficiencia inigualables. En
la página dyneo.leroy-somer.com se presenta de manera elegante las ventajas de este
motor.
Estos motores LSRPM en la gama DYNEO tienen considerablemente mejor eficacia que
los motores de inducción de eficacia alta para una misma velocidad nominal. Esta diferencia
en la eficacia se hace aún más significativa manejando debajo de esta velocidad nominal,
que es por definición el caso en usos de velocidad variables. Es diseñado para girar más
rápido que un motor de inducción. Esto permite que la velocidad del motor se adapte a la
de la máquina conducida, eliminando dispositivos de transmisión como cajas de cambio y
mejorando el funcionamiento de la máquina conducida, aumentando su velocidad. Como
consecuencia, la eficiencia total de la máquina se incrementa notablemente. La siguiente
gráfica permite comparar los niveles de eficiencia con los de un motor de inducción.
Por otro lado el LSRPM, con una gama de potencia disponible hasta 400 kW en un
marco de aluminio, es considerablemente más pequeño y más liviano comparado con un
motor de inducción convencional de la misma potencia. Esta solución mucho más compacta
tiene un número de ventajas: la reducción del tamaño de los bastidores que apoyan el
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motor y de ahí la máquina que recibe el cliente, la facilidad de instalar el motor sobre el
lugar requerido, la simplificación de levantar el equipo, la reducción de gastos, entre otros.
El siguiente grafico permite observar la diferencia en la relación potencia/peso entre ambas
máquinas.
Al reducir las pérdidas del rotor, la tecnología patentada del rotor radial de imán
mejora enormemente la eficacia del manejo y la potencia de salida específica. Los motores
sincrónicos de imanes permanentes tienen tantos campos de aplicación como aquellos para
motores de inducción: bombeo, ventilación, compresión, transporte, protuberancia, control
de procedimiento, generadores, etc. La siguiente figura desglosa el motor permitiendo ver
el rotor de imanes permanentes en su interior.
La página de internet de la empresa LEROY SOMER es www.leroysomer.com.
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Índice
INTRODUCCIÓN........................................................................................................2
MATERIALES MAGNÉTICOS..................................................................................3
HISTORIA DE LOS IMANES....................................................................................9
LOS ELEMENTOS DE LAS TIERRAS RARAS....................................................14
Estado natural y métodos de obtención..................................................................15Métodos de separación y purificación......................................................................16Propiedades..........................................................................................................................18
COMPARACIÓN DE IMANES PERMANENTES.................................................20
MATERIALES MAGNÉTICOS FABRICADOS.....................................................23
Samario - Cobalto...............................................................................................................24Neodimio - Hierro - Boro................................................................................................27
GENERACIÓN EÓLICA...........................................................................................31
Generador conectado directamente a la turbina eólica....................................32Generadores síncronos multipolares con imanes permanentes..................35
MOTORES DE IMANES PERMANENTES...........................................................38
Servomotores brushless de imán permanente.....................................................41Motores de imanes permanentes sin reductores................................................44
ALGUNOS FABRICANTES.....................................................................................48
DEXTER Magnetic Technologies.................................................................................48Sura Magnets........................................................................................................................54IBS Magnet............................................................................................................................55BOMATEC AG.......................................................................................................................56IDEMAG, Imanes y Desarrollos Magnéticos...........................................................57
ОАО NPO “Magneton”....................................................................................................59ACM ENGINEERING S.P.A...............................................................................................60D.E.E. M.S.E. : Research and realization of rotating electric machines.......61DYNEO - Permanent Magnet Solutions (LEROY SOMER)................................62
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117 http://www.bizkaia.net/Home2/Archivos/DPTO8/Temas/Pdf/Ekin_Cas_2005/63-2005.pdf - Control De Convertidores De Potencia Avanzados Para Generado Eólicos - Martin González