Imanes Permanentes de las Tierras Raras

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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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

http://www.izt.uam.mx/contactos/n43ne/Imanes.pdf

http://dialnet.unirioja.es/servlet/articulo?codigo=866718

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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

http://webdeptos.uma.es/qicm/Doc_docencia/Tema9_CM.pdf%20-%20Tema%209

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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



http://www.profisica.cl/comofuncionan/como.php?id=21

http://www.rac.es/ficheros/doc/00430.pdf

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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



http://cabrem4.cnea.gov.ar/rm/Sanchez-Zysler.pdf


http://www.rac.es/ficheros/doc/00430.pdf

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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

http://www.dextermag.com/uploadedfiles/Reference_Design_Manual.pdf



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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

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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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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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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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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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

http://www.ute.com.uy/empresa/entorno/Energias_Renovables/eolica/Actividad_2002/Eolica_Generadores.pdf



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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

http://www.revistamarina.cl/revistas/1999/3/calvo.pdf

http://www2.ing.puc.cl/power/paperspdf/dixon/tesis/Rodriguez.pdf

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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


http://www.ima.es/upload/documentos/es/1180771926Tierras_Raras.pdf





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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

http://www.dextermag.com/uploadedFiles/Design_and_Tech_MMPA-0100-00.pdf


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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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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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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


31


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


31


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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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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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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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

http://usuarios.lycos.es/arquinstal03/publicaciones/otras/bib809_nuevas_tecnologias_en_sistemas_eolicos.pdf

http://www.bizkaia.net/Home2/Archivos/DPTO8/Temas/Pdf/Ekin_Cas_2005/63-2005.pdf

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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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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




31


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




31


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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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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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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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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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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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#

http://www.hongyangmotor.com/En/ProductView.asp?id=178&class=8#


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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

http://www.eurotechsa.com.ar/ascensores/Servomotores%20brushless%20de%20iman%20permanente.pdf



http://www.edubots.cl/motores.pdf

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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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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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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

http://library.abb.com/GLOBAL/SCOT/scot271.nsf/VerityDisplay/E96662F70D8988AAC1256DDD00347008/$File/22-25%20M792%20SPA.pdf






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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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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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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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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.

http://www.dextermag.com/

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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

31


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.

31


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.

http://www.suramagnets.se/

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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.

http://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.

http://www.bomatec.ch/

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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.

http://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.

http://www.tdmagneton.ru/

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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.

http://www.acmengineering.it/

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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.

http://www.deemse.com/

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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

http://dyneo.leroy-somer.com/

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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.

http://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

http://www.bizkaia.net/Home2/Archivos/DPTO8/Temas/Pdf/Ekin_Cas_2005/63-2005.pdf

Imanes Permanentes de las Tierras Raras

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