Amorfo

Materiales amorfos en aplicaciones de motores: desde la reducción de pérdidas de hierro hasta sistemas de accionamiento eléctrico de alta eficiencia

En la industria automovilística actual, ya sea para motores de tracción de vehículos de nueva energía, motores de frecuencia variable para almacenamiento de energía o servosistemas conjuntos en robots humanoides, las tendencias generales giran inevitablemente en torno a dos objetivos clave: superar los límites de la eficiencia y la densidad de potencia. Los materiales, en particular los materiales magnéticos blandos, se han convertido en factores limitantes que determinan estos límites. Entre los diversos materiales magnéticos nuevos, las aleaciones amorfas están evolucionando progresivamente desde componentes magnéticos hasta convertirse en el propio núcleo del motor, lo que desempeña un papel crucial a la hora de reducir las pérdidas de hierro y mejorar la eficiencia en las altas frecuencias. Especialmente en situaciones en las que el acero al silicio tradicional (Si-Fe, Si-Fe-Co) tiene dificultades para satisfacer las demandas de alta frecuencia, los materiales amorfos demuestran un valor práctico significativo.

Las aleaciones amorfas son esencialmente cintas de aleación con una disposición atómica desordenada y sin límites de grano. Esta estructura les confiere varias características magnéticas muy valiosas para los motores:

• Coercitividad extremadamente baja:Lo que significa que la magnetización y la desmagnetización se producen más fácilmente y requieren menos energía.
• Pérdidas de hierro excepcionalmente bajas:Especialmente en rangos de alta frecuencia. Mientras que el acero al silicio tradicional experimenta un fuerte aumento en la pérdida de hierro por encima de 1 kHz, los materiales amorfos mantienen niveles de pérdida bajos.
• Alta resistividad:Suprime eficazmente las pérdidas por corrientes parásitas, lo que los hace más adecuados para motores de alta velocidad o variadores de alta frecuencia.

Estas propiedades llevaron a la aplicación a gran escala de materiales amorfos por primera vez en el sector de los transformadores, como los transformadores de metales amorfos (AMT). En los últimos años, a medida que la tecnología de motores tiende a aumentar las frecuencias y velocidades y a la miniaturización, la industria del motor ha empezado a adoptar genuinamente los núcleos amorfos.

Direcciones de aplicación de materiales amorfos en motores

1. Motores de alta velocidad (bombas de alta velocidad, compresores, accionamientos de vehículos)

Los motores de alta velocidad suelen funcionar entre 20 000 rpm y 120 000 rpm, o incluso más. En estas estructuras de alta velocidad, los campos magnéticos de alta frecuencia hacen que la pérdida de hierro sea la principal fuente de calor. El uso de materiales amorfos para el núcleo puede reducir significativamente el aumento de temperatura y mejorar la eficiencia operativa, lo que permite una mayor densidad de potencia, una mayor eficiencia y un peso más ligero. Se están probando aplicaciones en áreas como las bombas de aviación de alta velocidad y los extensores de alcance para vehículos eléctricos.

2. Servomotores robóticos/robots humanoides

Los robots humanoides imponen algunos de los requisitos más estrictos a los sistemas de accionamiento. La densidad de par debe ser alta, los motores deben ser pequeños y el espacio de refrigeración es limitado. Los variadores PWM de alta frecuencia generan pérdidas significativas. El acero al silicio tradicional presenta una pérdida de hierro considerablemente mayor a frecuencias de conmutación en el rango de los kHz, mientras que los núcleos amorfos/nanocristalinos pueden mejorar notablemente este problema. Esto se traduce en una salida de alto par más estable a bajas velocidades, un menor aumento de temperatura en los variadores de alta frecuencia y una posible reducción del volumen del motor entre un 10 y un 30%. Incluso un aumento de eficiencia del 1 al 3% es especialmente valioso para los servosistemas. Algunos fabricantes están validando núcleos amorfos combinados con estructuras de refrigeración avanzadas en pequeños lotes.

3. La supresión de la pérdida de hierro en la tendencia hacia los motores síncronos de imanes permanentes de alta frecuencia

Los accionamientos de tracción de los vehículos de nueva energía suelen funcionar con frecuencias de conmutación entre 6 kHz y 20 kHz. El acero al silicio tradicional presenta pérdidas significativas en estas altas frecuencias, agravadas por la existencia de armónicos de alta frecuencia procedentes de estructuras como los diseños de reluctancia sincrónica, las bobinas en forma de horquilla y las estrategias avanzadas de debilitamiento del campo. Esto impulsa la exploración de combinaciones de materiales avanzadas, como las laminaciones compuestas de acero amorfo y silicio, el uso localizado de material amorfo en barreras o puentes magnéticos de rotores y el uso de materiales nanocristalinos para amortiguar los componentes. Si bien el costo sigue siendo un factor limitante, la dirección del rendimiento es clara.

4. Motores de levitación magnética, accionamientos de bajo ruido, equipos industriales de alta gama

Las aplicaciones como los motores de levitación magnética, las bombas de vacío y los equipos de procesamiento de semiconductores son muy sensibles al ruido del motor, las interferencias electromagnéticas y el aumento de temperatura. Las propiedades de baja pérdida y alta resistividad de los materiales amorfos pueden mejorar el ruido magnético de alta frecuencia, la ondulación del par y las fuentes de vibración.

Desafíos de ingeniería en aplicaciones de motores

Las cintas amorfas suelen ser muy delgadas, lo que supone un desafío para el estampado convencional, que puede provocar fácilmente grietas. Con frecuencia, se necesitan herramientas personalizadas, cortes por láser y laminación adherida, lo que aumenta los costos. Además, si bien los materiales amorfos poseen una alta permeabilidad, su densidad de flujo de saturación es generalmente inferior a la del acero al silicio de alta calidad, lo que requiere concesiones de diseño. Sin embargo, a medida que aumente la producción de polvos amorfos y otras formas, se espera que los costos de los materiales disminuyan, lo que fomentará una aplicación más amplia.

¿Se generalizarán los materiales amorfos para los motores?

A corto plazo, es poco probable que los materiales amorfos sustituyan por completo al acero al silicio, ya que encuentran un uso principal en aplicaciones de alta gama, alta frecuencia y alta velocidad. A medio y largo plazo, a medida que tecnologías como los sistemas de polvo, los compuestos magnéticos blandos y la laminación amorfa de gran tamaño maduren, se espera que los materiales amorfos se adopten a gran escala en los motores de tracción de alta velocidad, los actuadores de robots humanoides, los servos industriales de alta eficiencia, las microbombas de alta velocidad y los accionamientos de tracción de alta frecuencia de próxima generación para vehículos de nueva energía.

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