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Jun 20, 2023

Ingenieros de Pitt Explorar Siguiente

Tradicionalmente, los motores de tracción eléctrica utilizan imanes permanentes fabricados con

Tradicionalmente, los motores de tracción eléctrica utilizan imanes permanentes fabricados con metales de tierras raras. Foto cortesía de BorgWarner Inc.

El uso de materiales alternativos para crear un imán permanente en lugar de metales de tierras raras haría que los vehículos eléctricos fueran más asequibles, accesibles y sostenibles. Foto cortesía de Rivian Automotive Inc.

Los imanes permanentes se utilizan en motores eléctricos porque pueden producir y mantener un fuerte campo magnético. Foto cortesía de General Motors

Este motor desarrollado en Alemania no requiere elementos de tierras raras. Foto cortesía de Mahle GmbH

El consorcio Advanced Magnetics for Power and Energy Development espera comercializar tecnología de motores eléctricos de última generación en los próximos cinco años. Foto cortesía de la Universidad de Pittsburgh

Tradicionalmente, los motores de tracción eléctrica utilizan imanes permanentes fabricados con metales de tierras raras. Sin embargo, materiales como el disprosio y el neodimio son un recurso limitado. Además de su rareza, la extracción y el procesamiento de estos materiales tiene consecuencias ambientales, ya que deja una cantidad significativa de desechos tóxicos.

Y, dado que China representa la gran mayoría de la producción de tierras raras, la logística y la volatilidad de los precios son otro desafío que enfrentan los fabricantes de vehículos eléctricos. El suministro volátil de neodimio, el principal metal de tierras raras utilizado en los motores eléctricos, significa que existe una buena posibilidad de que su precio continúe disparándose.

Por ejemplo, de febrero de 2020 a febrero de 2022, el costo del neodimio aumentó un 312 por ciento, con un costo de 1 kilogramo de más de $ 236, en comparación con $ 42 hace solo dos años. Este tipo de fluctuación extrema de precios puede dificultar que los fabricantes aumenten la producción de vehículos eléctricos.

Para hacer que los motores eléctricos sin metales de tierras raras sean más sostenibles, los ingenieros de la Universidad de Pittsburgh están trabajando con Ames Laboratory y Powdermet Inc. para explorar alternativas. La iniciativa de I+D recibió recientemente $200.000 en fondos del Departamento de Energía de EE. UU.

"Los imanes permanentes se usan en motores eléctricos porque pueden producir y mantener un fuerte campo magnético, incluso en presencia de un campo magnético opuesto, a diferencia de los electroimanes, que requieren corriente eléctrica", dice Paul Ohodnicki, Ph.D., profesor asociado de ingeniería mecánica y ciencia de los materiales en Pitt.

"El uso de materiales alternativos, como [aleaciones de manganeso y bismuto] desarrolladas en el Instituto de Materiales Críticos del Laboratorio Ames, para crear un imán permanente en lugar de metales de tierras raras como el neodimio y el disprosio haría que los vehículos eléctricos fueran más asequibles, accesibles y sostenibles, y ayudar a los EE. UU. a convertirse en un líder en el mercado de vehículos eléctricos", afirma Ohodnicki, quien también se desempeña como director del consorcio Advanced Magnetics for Power and Energy Development (AMPED).

Además de Pitt, AMPED incluye ingenieros de la Universidad Carnegie Mellon y la Universidad Estatal de Carolina del Norte que están investigando materiales magnéticos para electrónica de potencia y sistemas de conversión de potencia.

"Los metales de tierras raras tienen propiedades magnéticas únicas que los hacen extremadamente efectivos como imanes permanentes en diseños de motores de alta eficiencia y densidad de potencia", explica Ohodnicki. "Nuestra investigación no está desarrollando activamente nuevos materiales de imanes permanentes con metales de tierras raras reducidos o eliminados, pero estamos colaborando con otros grupos de investigación que están trabajando en esta área para comprender cómo se pueden usar materiales alternativos en diseños de motores optimizados.

"Además, estamos analizando nuevas ideas en el diseño de motores eléctricos avanzados que permitan reducir la necesidad de materiales de imanes permanentes basados ​​en tierras raras", señala Ohodnicki. "Una estrategia de diseño principal es explorar motores que funcionen a velocidades más altas, lo que permite reducir el tamaño de los motores optimizados con la misma potencia de salida.

"Estamos investigando procesos de fabricación avanzados de aleaciones de motores existentes, así como nuevas aleaciones de motores nanocristalinas que se utilizan en las laminaciones magnéticas blandas del rotor y el estator, para permitir su utilización en nuevos diseños de motores de alta eficiencia y alta densidad de potencia. ", dice Ohodnicki.

"Estos no son sustitutos directos de los materiales de imanes permanentes que utilizan metales de tierras raras", señala Ohodnicki. "Los avances en las nuevas aleaciones de motores son sinérgicos al permitir diseños de motores de mayor velocidad y mayor eficiencia con imanes permanentes libres de tierras raras que pueden ayudar a abordar esta dependencia crítica de la cadena de suministro.

"Las aleaciones de motor basadas en nanocristalinos, en particular, tienen pérdidas más bajas que los aceros eléctricos existentes cuando operan a altas frecuencias de conmutación eléctrica, lo que puede ser un factor clave para el éxito en el diseño y la implementación de motores de alta velocidad en la práctica", dice Ohodnicki.

Según Ohodnicki, existen numerosos desafíos para diseñar un motor eléctrico sin metales de tierras raras. "Hay muchos diseños de motores que ya están en práctica y se comercializan hoy en día que no utilizan metales de tierras raras", explica. "Sin embargo, ha resultado ser un gran desafío alcanzar la combinación de rendimiento y capacidad de fabricación que pueden lograr los motores de imanes permanentes de metales de tierras raras.

"En aplicaciones de alto rendimiento, como los vehículos eléctricos, donde la eficiencia, el tamaño y el peso son de vital importancia, los motores de imanes permanentes basados ​​en tierras raras siguen desempeñando un papel importante", dice Ohodnicki.

Reducir la necesidad de imanes permanentes basados ​​en tierras raras en los diseños de motores eléctricos requerirá una investigación continua en varias áreas, que incluyen:

"Hay avances continuos en el rendimiento de los motores eléctricos con nuevas tecnologías incorporadas en cada generación de vehículos eléctricos que comercializan los principales fabricantes de automóviles que utilizan materiales de imanes permanentes y aleaciones de motores existentes", explica Ohodnicki. "Esperamos que estas mejoras incrementales continúen.

"Paralelamente, estamos trabajando para desarrollar, demostrar y, en última instancia, comercializar con éxito la tecnología de motores eléctricos de próxima generación que explota completamente lo último en materiales magnéticos a través de una combinación de nuestros programas patrocinados por el gobierno y asociaciones industriales", agrega Ohodnicki.

"Nuestro objetivo es iniciar el proceso de calificación para motores de alta velocidad basados ​​en nuevas aleaciones nanocristalinas lo antes posible, con el objetivo de lograr la adopción comercial en los próximos cinco años", afirma Ohodnicki.