¿Entiendes realmente el diseño de los imanes permanentes de los motores de imanes permanentes?

El desarrollo de los motores de imanes permanentes está estrechamente relacionado con el desarrollo de los materiales de imanes permanentes.
El desarrollo de los motores de imanes permanentes está estrechamente ligado al desarrollo de los materiales magnéticos permanentes. Mi país fue el primero del mundo en descubrir las propiedades magnéticas de estos materiales y aplicarlas en la práctica. Hace más de dos mil años, utilizamos las propiedades magnéticas de los imanes permanentes para fabricar una brújula, que desempeñó un papel fundamental en la navegación, el ámbito militar y otros campos. Se considera uno de los cuatro grandes inventos de la antigüedad de mi país.

El primer motor del mundo, que apareció en la década de 1820, era un motor de imán permanente con un campo magnético de excitación generado por un imán permanente. Sin embargo, el material del imán permanente utilizado en aquel entonces era magnetita natural (Fe3O4), que tiene una densidad de energía magnética muy baja, y el motor fabricado con ella era voluminoso, por lo que pronto fue reemplazado por un motor de excitación eléctrica.

Con el rápido desarrollo de diversos motores y la invención de magnetizadores modernos, se ha llevado a cabo una investigación exhaustiva sobre el mecanismo, la composición y la tecnología de fabricación de materiales magnéticos permanentes. Se han descubierto sucesivamente el acero al carbono y el acero al tungsteno (con un producto energético magnético máximo de aproximadamente 2.7 kJ/m³), el acero al cobalto (con un producto energético magnético máximo de aproximadamente 7.2 kJ/m³) y otros materiales magnéticos permanentes. En particular, los imanes permanentes de AlNiCo, que aparecieron en la década de 1930 (con un producto energético magnético máximo que puede alcanzar los 85 kJ/m³), y los imanes permanentes de ferrita, que aparecieron en la década de 1950 (con un producto energético magnético máximo que actualmente alcanza los 40 kJ/m³), presentan diversas propiedades magnéticas. Gracias a estas importantes mejoras, diversos micromotores y motores pequeños utilizan la excitación por imanes permanentes. La potencia de los motores de imanes permanentes varía desde unos pocos milivatios hasta decenas de kilovatios. Su uso está muy extendido en la producción militar, industrial y agrícola, así como en la vida cotidiana, y su rendimiento ha aumentado considerablemente. En consecuencia, durante este período se lograron avances significativos en la teoría del diseño, el método de cálculo, la magnetización y la tecnología de fabricación de motores de imanes permanentes, y se consolidó un conjunto de métodos de análisis e investigación representados por el diagrama de funcionamiento de los imanes permanentes. Sin embargo, la baja coercitividad de los imanes permanentes de AlNiCo (36-160 kA/m) y la escasa densidad de remanencia de los imanes permanentes de ferrita (0.2-0.44 T) limitaban su aplicación en motores. Entre las décadas de 1960 y 1980, surgieron sucesivamente los imanes permanentes de cobalto de tierras raras y los imanes permanentes de neodimio-hierro-boro (denominados colectivamente imanes permanentes de tierras raras), caracterizados por su alta densidad de remanencia, alta coercitividad, elevado producto de energía magnética y curva de desmagnetización lineal. Las excelentes propiedades magnéticas de los motores de imanes permanentes los hacen especialmente idóneos para la fabricación de motores eléctricos, lo que marcó el inicio de una nueva etapa en el desarrollo de estos motores.

Material de imán permanente

Imanes para motores: Los materiales de imanes permanentes comúnmente utilizados en motores incluyen imanes sinterizados e imanes aglomerados; los tipos principales son AlNiCo, ferrita, samario-cobalto, NdFeB, etc.
AlNiCo: El material magnético permanente AlNiCo es uno de los primeros materiales magnéticos permanentes de uso generalizado, y su proceso de fabricación y tecnología están relativamente maduros. Actualmente, existen fábricas en Japón, Estados Unidos, Europa, Rusia y China. Entre las empresas de producción a gran escala, la de Hangzhou es la principal productora de imanes permanentes en China, con una capacidad de producción anual de 3,000 toneladas.

Material de ferrita para imanes permanentes: En la década de 1950, la ferrita comenzó a proliferar. Especialmente en la década de 1970, la ferrita de estroncio, con un mejor rendimiento en fuerza coercitiva y energía magnética, se empezó a producir en grandes cantidades, lo que impulsó rápidamente su uso en imanes permanentes. Al ser un material magnético no metálico, la ferrita no presenta las desventajas de la fácil oxidación, la baja temperatura de Curie y el alto costo de los imanes permanentes metálicos, por lo que goza de gran popularidad.

El samario-cobalto es un material magnético permanente con excelentes propiedades magnéticas que surgió a mediados de la década de 1960 y cuyo rendimiento es muy estable. Debido a sus propiedades magnéticas, el samario-cobalto es especialmente adecuado para la fabricación de motores, pero debido a su alto precio, se utiliza principalmente en la investigación y el desarrollo de motores para la aviación, la industria aeroespacial, armamento y otras aplicaciones militares, así como en motores de alto rendimiento para sectores de alta tecnología donde el precio no es un factor determinante.

Material NdFeB: El material magnético NdFeB es una aleación de neodimio, óxido de hierro, etc., también conocido como acero magnético. Posee un producto energético magnético y una fuerza coercitiva extremadamente altos, y su elevada densidad energética hace que los imanes permanentes de NdFeB se utilicen ampliamente en la industria moderna y la tecnología electrónica. Permite reducir su tamaño, peso y grosor. Debido a su alto contenido en neodimio y hierro, es propenso a la corrosión. La pasivación química superficial es una de las mejores soluciones disponibles actualmente.

La relación entre el rendimiento del acero magnético y el rendimiento del motor

1. Influencia del magnetismo residual

En los motores de CC, bajo los mismos parámetros de bobinado y condiciones de prueba, a mayor remanencia, menor velocidad y corriente en vacío; a mayor par máximo, mayor eficiencia en el punto de máxima eficiencia. En la práctica, la velocidad en vacío y el par máximo se utilizan generalmente para determinar la remanencia del acero magnético.

Para los mismos parámetros de bobinado y eléctricos, la razón por la que a mayor remanencia, menor es la velocidad y la corriente en vacío, se debe a que el motor en funcionamiento genera suficiente inductancia inversa a una velocidad relativamente baja. Esto genera una tensión que provoca la disminución de la suma algebraica de la fuerza electromotriz aplicada al bobinado.

2. La influencia de la coerción

Durante el funcionamiento de un motor, la temperatura y la desmagnetización inversa son factores constantes. Desde la perspectiva del diseño, a mayor fuerza coercitiva, menor espesor del acero magnético puede requerirse, y viceversa. Sin embargo, si el acero magnético supera cierto valor de fuerza coercitiva, su uso resulta inútil, ya que otros componentes del motor no pueden funcionar de forma estable a esa temperatura. La coercitividad solo debe cumplir con los requisitos establecidos, y el estándar consiste en cumplirlos bajo las condiciones experimentales recomendadas, evitando así el desperdicio de recursos.

3. El efecto de la cuadratura

La cuadratura solo afecta la rectitud de la curva de eficiencia de la prueba de rendimiento del motor. Si bien la rectitud de la curva de eficiencia del motor no se considera un estándar de índice importante, es crucial para la autonomía del motor integrado en la rueda en condiciones de carretera reales. Debido a las variaciones en las condiciones de la carretera, el motor no siempre puede operar en el punto de máxima eficiencia, lo cual explica en parte por qué la eficiencia máxima de algunos motores no es alta y la autonomía es larga. Un buen motor integrado en la rueda no solo debe tener una alta eficiencia máxima, sino que también la curva de eficiencia debe ser lo más plana posible; cuanto menor sea la pendiente de la disminución de la eficiencia, mejor. Esto se convertirá gradualmente en un estándar importante a medida que el mercado, la tecnología y los estándares de los motores integrados en la rueda maduren.

4. El impacto de la consistencia en el desempeño

Remanencia inconsistente: No es deseable, incluso si existen unidades individuales con un rendimiento particularmente alto. Debido a la inconsistencia del flujo magnético en cada segmento de campo magnético unidireccional, el par es asimétrico y se produce vibración.

Fuerza coercitiva inconsistente: En particular, la fuerza coercitiva de algunos productos es demasiado baja, lo que provoca una desmagnetización inversa, resultando en un flujo magnético inconsistente en cada imán de acero y causando vibraciones en el motor. Este efecto es más pronunciado en los motores sin escobillas.

Influencia de la forma y la tolerancia del imán en el rendimiento del motor

1. La influencia del espesor del acero magnético

Cuando el circuito magnético interno o externo es fijo, al aumentar el espesor, el entrehierro disminuye y el flujo magnético efectivo aumenta. Esto se traduce en una disminución de la velocidad y la corriente en vacío para el mismo magnetismo residual, lo que reduce la eficiencia máxima del motor. Sin embargo, también presenta inconvenientes, como un aumento de la vibración de conmutación y una curva de eficiencia relativamente más pronunciada. Por lo tanto, el espesor de los imanes del motor debe ser lo más uniforme posible para minimizar la vibración.

2. La influencia del ancho del acero magnético

Para los imanes de motores sin escobillas de alta densidad, la separación total acumulada no debe superar los 0.5 mm. Si es demasiado pequeña, no se podrá instalar. Si es demasiado grande, provocará vibraciones en el motor y una menor eficiencia. Esto se debe a que la posición de los imanes no coincide con la posición real del acero, por lo que debe garantizarse la uniformidad del ancho; de lo contrario, el motor tendrá una baja eficiencia y vibrará en exceso.

En los motores con escobillas, existe una separación entre los imanes, reservada para la zona de transición de la conmutación mecánica. A pesar de esta separación, la mayoría de los fabricantes aplican procedimientos estrictos de instalación de los imanes para garantizar la precisión del montaje y, por consiguiente, la correcta posición de los imanes del motor. Si la separación excede el ancho permitido, no se instalará; si es demasiado pequeña, la separación será incorrecta, lo que aumentará la vibración del motor y disminuirá su eficiencia.

3. La influencia del tamaño del chaflán y la ausencia de chaflán en el acero magnético

Si el ángulo no está achaflanado, la tasa de cambio del campo magnético en el borde del campo magnético del motor es elevada, lo que provoca vibraciones pulsantes. Cuanto mayor sea el ángulo de achaflanado, menor será la vibración. Sin embargo, el achaflanado generalmente conlleva cierta pérdida de flujo magnético. Para algunas especificaciones, cuando el achaflanado alcanza 0.8, la pérdida de flujo magnético es del 0.5 al 1.5 %. Cuando la remanencia del motor con escobillas es baja, reducir adecuadamente el tamaño del achaflanado ayuda a compensar la remanencia, pero aumenta la vibración pulsante del motor. En general, cuando la remanencia es baja, se puede aumentar la tolerancia longitudinal, lo que mejora el flujo magnético efectivo hasta cierto punto y prácticamente no altera el rendimiento del motor.

Precauciones para motores de imanes permanentes

1. Estructura del circuito magnético y cálculo del diseño.

Para aprovechar al máximo las propiedades magnéticas de diversos materiales de imanes permanentes, en especial las excelentes propiedades magnéticas de los imanes permanentes de tierras raras, y para fabricar motores de imanes permanentes rentables, no se pueden aplicar directamente los métodos de cálculo de estructura y diseño de los motores de imanes permanentes tradicionales o de excitación eléctrica. Es necesario establecer un nuevo concepto de diseño y reanalizar y mejorar la estructura del circuito magnético. Gracias al rápido desarrollo de la tecnología de hardware y software, así como a la mejora continua de métodos de diseño modernos como el cálculo numérico de campos electromagnéticos, el diseño de optimización y la tecnología de simulación, y mediante el esfuerzo conjunto de la academia y la ingeniería de motores eléctricos, se ha logrado un amplio uso de estas tecnologías en la teoría del diseño. Se han conseguido avances significativos en métodos de cálculo, tecnología estructural y tecnología de control, entre otros, y se ha desarrollado un conjunto de métodos de análisis e investigación, así como software de análisis y diseño asistido por ordenador que combina el cálculo numérico de campos electromagnéticos y la solución analítica del circuito magnético equivalente, y que se encuentra en constante mejora.

2. Problemas de control

El motor de imanes permanentes puede mantener su campo magnético sin energía externa, pero esto dificulta enormemente su ajuste y control desde el exterior. Resulta difícil para el generador de imanes permanentes ajustar su voltaje de salida y factor de potencia externamente, y el motor de CC de imanes permanentes ya no puede ajustar su velocidad mediante el cambio del método de excitación. Estas limitaciones restringen el rango de aplicaciones de los motores de imanes permanentes. Sin embargo, gracias al rápido desarrollo de los dispositivos electrónicos de potencia y las tecnologías de control, como los MOSFET y los IGBT, la mayoría de los motores de imanes permanentes pueden funcionar sin control de campo, únicamente con control de armadura. En su diseño, es necesario combinar tres nuevas tecnologías: materiales de imanes permanentes de tierras raras, dispositivos electrónicos de potencia y control por microcomputadora, para que el motor de imanes permanentes pueda operar bajo nuevas condiciones de funcionamiento.

3. El problema de la desmagnetización irreversible

Si el diseño o el uso son inadecuados, el motor de imanes permanentes estará sujeto a la reacción del inducido causada por la corriente de arranque cuando la temperatura sea demasiado alta (imán permanente de NdFeB) o demasiado baja (imán permanente de ferrita), o cuando existan vibraciones mecánicas severas. Esto puede provocar una desmagnetización irreversible o pérdida de magnetización, lo que reducirá el rendimiento del motor e incluso lo inutilizará. Por lo tanto, es necesario investigar y desarrollar métodos y dispositivos para verificar la estabilidad térmica de los materiales de imanes permanentes adecuados para los fabricantes de motores, y analizar las capacidades antidesmagnetización de diversas formas estructurales, con el fin de tomar las medidas correspondientes para garantizar que, durante el diseño y la fabricación, los motores de imanes permanentes no pierdan su magnetismo.

4. Cuestiones de costes

Los motores de imanes permanentes de ferrita, especialmente los minimotores de CC con imanes permanentes, se han popularizado gracias a su estructura y fabricación sencillas, su peso reducido y, en general, su menor coste total en comparación con los motores de excitación eléctrica. Dado que los imanes permanentes de tierras raras siguen siendo relativamente caros, el coste de estos motores suele ser superior al de los motores de excitación eléctrica, lo cual se compensa con su alto rendimiento y el ahorro en costes operativos. En algunos casos, como en los motores de bobina móvil de las unidades de disco duro, se mejora el rendimiento de los imanes permanentes de NdFeB, se reduce significativamente el volumen y la masa, y disminuye el coste total. En el diseño, es necesario comparar el rendimiento y el precio según las aplicaciones y requisitos específicos para tomar la decisión más adecuada, además de innovar en el proceso estructural y optimizar el diseño para reducir costes.