La reducción del uso de tierras raras en los imanes permanentes que necesitan para su funcionamiento los motores de la mayoría de los coches eléctricos es objeto en la actualidad de varias investigaciones. Su escasez y, por lo tanto, su coste de adquisición, encarece el precio de producción de los motores eléctricos. Con el objetivo de mejorar el rendimiento de los motores y abaratarlos, un equipo de investigación del Laboratorio Nacional de Argonne, perteneciente al Departamento de Energía de Estado Unidos (ANE, por sus siglas en inglés) ha desarrollado una nueva tecnología de superimanes denominada HyMag. Esta tiene la particularidad que emplea imanes que consumen entre un 60 y un 90 por ciento menos de tierras raras, y por lo tanto los hace mucho más económicos, además de más respetuosos con el medio ambiente.
Los motores eléctricos síncronos sin excitación externa necesitan incorporar imanes permanentes para generar el campo magnético que hace girar el rotor en el interior del estator. La densidad de flujo es una propiedad de estos imanes que se aprovecha para la generación de energía. Esta nueva tecnología la aumenta entre un 10 y un 30 por ciento, logrando elevar de forma significativa la eficiencia energética de un motor eléctrico.
Según los profesores Kaizhong Gao y Yuepeng Zhang, responsables de la investigación, "esta eficiencia adicional se traduce en una mayor reducción de las pérdidas energética en el proceso de generación de electricidad de los campos magnéticos del motor, lo que incremente la energía producida".
Yuepeng Zhang y Kaizhong Gaodel equipo HyMag Magnets. Fuente: Laboratorio Nacional de Argonne
Los imanes permanentes se usan hoy en día en la mayoría de los coches eléctricos, con motores síncronos sin excitación externa que se generalizaron industrialmente en la década de 1990. Sus ventajas son, sobre todo, su compacidad y sencillez, al no necesitar los componentes eléctricos para generar el campo magnético en el estator. Este tipo de imanes están compuestos por tierras raras, como el disprosio, el gadolinio o el neodimio, elementos en su mayoría importados de China, escasos, caros y difíciles de reciclar. Los motores de los vehículos eléctricos e híbridos contienen aproximadamente cien gramos de disprosio por motor. Su principal característica es que, tras haber sido magnetizados, retienen sus líneas de flujo, de forma similar a las baterías en las que se mueven las cargas eléctricas.
El uso de estos imanes ha provocado que estos motores hayan llegado a su tope de rendimiento desde hace 15 o 20 años, según afirma Zhang. Diversas investigaciones han estudiado diferentes formas de mejorar la composición, las microestructuras y los procesos de otros materiales magnéticos existentes. Cada uno podría llevar a una pequeña mejora de la producción energética del imán. Por otro lado, el flujo magnético de un imán decae rápidamente con la distancia, lo que hace que para determinados usos el flujo magnético sea insuficiente.
La tecnología HyMag combina varias capas híbridas de estos materiales, reduciendo la fuga de flujo magnético, aumentando la densidad de flujo del imán permanente. Además, permite adaptarlas para diseñar el imán para una aplicación específica. HyMag puede aplicarse a cualquier máquina eléctrica, como por ejemplo los generadores eléctricos que utilizan los aerogeneradores eólicos. Así, mientras en los motores de los coches eléctricos la temperatura máxima permitida de sería de alrededor de 150ºC, en las turbinas eólicas la temperatura máxima puede ser de hasta 300ºC, lo que requiere un diseño de imán más resistente a las altas temperaturas. Otra de sus ventajas es que para algunas de sus aplicaciones puede requerir hasta un 90% menos de tierras raras en comparación con un imán actual que tenga un rendimiento similar.
Premios R&D 2018 en Orlando, Florida.
En 2018, HyMag recibió un premio en la conferencia R&D 100 que, patrocinados por la revista R&D, reconoce las 100 tecnologías más innovadoras del año. El proyecto ha recibido asistencia para su desarrollo por parte de la oficina de Tecnología de Energía Eólica y Fabricación Avanzada del Departamento de Energía de EE.UU. La investigación está ahora abierta a la colaboración de la industria para para desarrollar más esta tecnología.
