Imanes permanentes de tierras raras

Departamento de Ingeniera Elctrica

Facultad de Ingeniera

Universidad Nacional de Mar del Plata

Monografa

Tema: Imanes Permanentes de

Tierras Raras

Alumno: FISCHER, Eric Andrs.

Matricula: 10992.

Carrera: Ingeniera Elctrica.

Plan: 2003

Fecha de entrega: 6 de junio de 2014

FISCHER, Eric Andrs Imanes Permanentes de Tierras Raras

2

ndice

IntroduccinPag. 4

Materiales Magnticos..Pag. 5

Historia de los imanes....Pag. 11

Tierras Raras

Qu son las tierras raras?........................................................................................ Pag. 16

Dnde estn las tierras raras?................................................................................. Pag. 20

Imanes permanentes de tierras raras....Pag. 23

Samario-Cobalto.....Pag. 23

Neodimio-Hierro-Boro...Pag. 25

Comparacin de propiedades de imanes permanentes.. Pag. 29

Aplicaciones...Pag. 30

Usos para imanes de neodimio en misiones espaciales..Pag. 30

Aplicaciones de NEOMAX..Pag. 31

Motores de alto rendimiento... Pag. 38

Motor de imanes permanentes como motor propulsor naval.. Pag. 39

Generadores sncronos multipolares con imanes permanentes.. Pag. 45

Generadores Elicos de la marca Alfasolar .. Pag. 48

Servomotores brushless (sin escobillas) de imn permanente... Pag. 52

Motores de imanes permanentes sin reductores....... Pag. 55

Motor de paso en aplicaciones industriales..... Pag. 58


3

Fabricantes

Hitachi-metals....Pag. 63

Dexter Magnetic Technologies. Pag. 65

IMA Ingeniera Magntica Aplicada.... Pag. 68

Artic S.A. ...... Pag. 70

Problemtica del mercado de tierras raras

La problemtica.... Pag. 71

Soluciones.. Pag. 72

Conclusin.... Pag. 73

Apndice.... Pag. 73


4

A continuacin abordare la importancia que los imanes tienen en el desarrollo de la

humanidad.

Introduccin

Los materiales han formado parte de la humanidad y su desarrollo est ntimamente

relacionado con la evolucin y la historia del hombre. En este sentido, es interesante citar a Sir

George Thomson, premio Nobel de Fsica en 1937, que denomin a nuestro siglo como la Edad de

los Materiales en clara alusin a la denominacin habitual de los perodos de la historia del

hombre: Edad de Piedra, Edad del Bronce y Edad del Hierro, que hacen mencin a los materiales

caractersticos utilizados en estas pocas en la que la humanidad comienza a desarrollarse. Dicho

desarrollo, ha estado basado entre otros aspectos en la bsqueda de nuevos materiales que han

contribuido de una manera manifiesta al desarrollo de la calidad de vida del hombre.1

Los imanes y las brjulas guiaron a Coln y a otros en la edad de la exploracin. Hace un siglo

los imanes de hierro y acero en los motores, transformadores y telfonos impulsaron la era de la

electricidad. Hoy, los imanes son mucho ms potentes y ms pequeos y, sin ser vistos, impulsan

la nueva era de la informacin.2

La energa que es capaz de almacenar un imn puede sencillamente transformarse en

informacin. Un material magntico puede acumular energa imanndose hacia arriba o hacia

abajo. Cada uno de estos dos estados puede hacerse corresponder con un 0 y un 1,

respectivamente, y generar, por tanto, un sistema binario.3

Adems de este uso, el desarrollo de nuevos imanes permanentes ha sido una pieza clave en el

desarrollo de nuevas tcnicas de deteccin biomdicas. As los imanes permanentes actualmente

son usados en infinidad de sensores y transductores, y su presencia oculta es indispensable en los

modernos aparatos de resonancia magntica, y otros equipos claves en el desarrollo de la clnica y

bioingeniera moderna. Estos ejemplos muestran que cualquier enumeracin de aplicaciones de

1 Tierras raras: materiales avanzados R. Sez Puche, C. Cascales, P. Porcher y P. Maestro. 2 Imanes y neomagnetos - James D. Livingston. 3 Imanes hoy-Antonio H. Grande.


5

los imanes permanentes va a terminar siendo incompleta, pero sirva como ejemplo cotidiano de

esta relevancia el siguiente dato: una nevera posee en torno a 70 imanes mientras que un coche

cerca de 400. Esta estrecha integracin en la vida cotidiana de la sociedad moderna hace que la

produccin mundial de imanes permanentes se haya estimado en 500.000 toneladas anuales, lo

que supone un mercado de 6000 millones de euros. Juegan a su vez un papel fundamental en el

desarrollo ecolgico de la tecnologa, como as lo demuestra su uso masivo en turbinas elicas y

coches hbridos, lo cual contribuye a que se espere en los prximos aos un crecimiento anual del

7% de dicho mercado.4

Principales caractersticas del proceso de magnetizacin de los materiales, energas

intervinientes, ciclo de histresis y curvas de desmagnetizacin.

Materiales Magnticos

Las propiedades magnticas se derivan de la naturaleza de los electrones apareados o

desapareados. Los compuestos con todos los electrones apareados son muy dbilmente repelidos

por un imn o campo magntico y se conocen como compuestos diamagnticos. Los materiales

que tienen electrones desapareados son dbilmente atrados por un campo magntico y se

conocen como paramagnticos. En los compuestos paramagnticos los espines debidos a los

electrones desapareados estn desordenados al azar debido a la agitacin trmica. Sin embargo,

cuando se enfra esos materiales suelen tener una transicin a un estado ordenado

magnticamente. Cuando los espines se ordenan de forma paralela resulta en un momento

magntico neto y estos compuestos se denominan ferromagnticos. Cuando los espines se

ordenan de forma antiparalela el momento neto es cero y los compuestos se denominan

antiferromagnticos. Hay una situacin intermedia cuando hay varios elementos con diferente

nmero de electrones desapareados. En este caso aunque se dispongan de forma antiparalela el

momento magntico resultante es diferente de cero ya que uno de los elementos tiene mayor

momento magntico que el otro, y estos compuestos se conocen como ferrimagnticos. La

4 El reto de los imanes permanentes- Adrin Quesada.


6

temperatura de transicin puede ser mayor o menor que temperatura ambiente. Para

compuestos antiferromagnticos se denomina temperatura de Neel y para ferromagnticos

temperatura de Curie. Por ejemplo, las temperaturas de Curie de hierro (Fe), cobalto (Co) y nquel

(Ni) son 770, 1123 y 358 C, respectivamente.

Dentro de un material ferromagntico hay subestructuras conocidas como dominios. Un

dominio magntico es una regin microscpica de volumen pequeo, aproximadamente 10-4 mm3,

donde todos los espines estn alineados de forma paralela mientras que el momento magntico

resultante de cada dominio est aleatoriamente orientado respecto de los restantes. Cuando un

campo magntico externo se aplica sobre un material ferromagntico desmagnetizado, los

dominios alineados en la direccin del campo crecen a expensas de los menos favorecidos, los que

no estn orientados en esa direccin. 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 energa que

la rotacin del dominio. Cuando el crecimiento del dominio acaba, si el campo aplicado aumenta

sustancialmente, sucede la rotacin del dominio, lo que requiere considerablemente ms energa.

Una vez retirado el campo magntico la muestra magnetizada permanece magnetizada, aunque

parte de la magnetizacin se pierde debido a la tendencia de los dominios de volver a la situacin

inicial.5

La estructura del dominio de un material ferromagntico est determinada por muchos tipos

de energa, de las cuales la estructura ms estable se alcanza cuando el conjunto de la energa

potencial del material es mnimo. La energa magntica total del material ferromagntico es la

suma de las siguientes contribuciones:

Energa de cambio. Es la energa potencial dentro de un dominio de un slido

ferromagntico. Es mnima cuando todos sus dipolos atmicos estn alineados en una nica

direccin, energa de cambio positiva. La energa potencial externa se incrementa por la formacin

de un campo magntico externo.

Energa magnetosttica. Es la energa potencial magntica de un material ferromagntico

producida por su campo magntico externo. Puede ser mnima por la formacin de dominios. La

5 Materiales magnticos y pticos - Ciencia de Materiales, 4 curso, 2004/2005.


7

formacin de mltiples dominios reduce la energa magnetosttica por unidad de volumen del

material.

Energa de anisotropa magnetocristalina. Es el trabajo realizado para rotar los dominios

debido a las diferentes orientaciones de los granos (anisotropa). Las curvas de magnetizacin para

un monocristal varan en funcin de la orientacin relativa del cristal frente al

campo aplicado.

Energa de la pared del dominio. La pared del dominio es el lmite entre dos dominios

cuyos momentos magnticos globales tienen diferentes orientaciones. Las fuerzas de cambio

tendern a dilatar el dominio de pared y la energa de anisotropa magnetocristalina se

incrementa cuanto ms ancha es la pared. Se alcanzar la anchura de equilibrio cuando la suma de

ambas energas sea mnima.

Energa magnetoestrictiva. Es la energa debida a los esfuerzos mecnicos de la

magnetoestriccin, deformacin elstica reversible inducida magnticamente. El material se

expandir o se contraer en la direccin de magnetizacin.6

Todo ello resulta en las curvas de histresis de la induccin magntica (B, Tesla) creada por un

campo magntico aplicado (H, A/m), figura 1.

6 Captulo 11 - Materiales Magnticos.


8

Figura 1. Curva de histresis para un material magntico tpico.7

Cuando aumenta el campo aplicado H aumenta la induccin magntica B hasta un valor

mximo conocido como induccin de saturacin Bs. Cuando cesa el campo externo, queda un

valor de la induccin conocida como induccin remanente Br. Para eliminar la induccin

remanente se necesita aplicar un campo externo, en sentido contrario, conocido como campo

coercitivo Hc. La lnea negra de la figura 1 muestra el comportamiento del material que se conoce

como ciclo de histresis. La energa que encierra esta curva se invierte en alinear los dominios

magnticos que constituyen el material, y su rea interna es una medida de la energa perdida o

del trabajo hecho por el ciclo de magnetizacin y desmagnetizacin.8

Para desestabilizar la magnetizacin del material es necesario un campo Hci. Con un campo de

magnitud ligeramente superior, la magnetizacin cambia de sentido y los dipolos del material se

orientan en el sentido inverso. Este campo crtico se denomina coercividad intrnseca y es una

propiedad caracterstica del material, y depende nicamente de la anisotropa magnetocristalina y

la magnetizacin de saturacin. En la figura 2 se ilustra grficamente este comportamiento.

Figura 2. Curva de magnetizacin intrnseca.

7 Materiales Magnticos y Aplicaciones- Juan C Fernndez. 8 Materiales magnticos y pticos - Ciencia de Materiales, 4 curso, 2004/2005


9

El imn permanente mantiene una magnetizacin +Msat hasta que se le aplica un campo inverso de magnitud -Hci, momento en el cual la magnetizacin se vuelve inestable y salta (idealmente) a -Msat. Se requiere entonces aplicar un nuevo campo +Hci para que la magnetizacin salte nuevamente a +Msat. Resulta as una grfica que es la curva de magnetizacin intrnseca del material. El segundo cuadrante representa la regin en que el imn realiza trabajo en contra de un campo aplicado reverso, pero de valor menor que -Hci, y se conoce como curva intrnseca de desmagnetizacin.

Podemos transformar esta grfica intrnseca M vs. H en una grfica normal B vs. H usando la

relacin: B = 0 (H +M) con lo que se obtiene la grfica de la figura 3. Esta grfica es de mayor

utilidad ya que M existe solamente dentro del material magntico mientras que B existe en todo el

espacio.

Figura 3. Curva de magnetizacin normal.

Para el material ideal Br = o.Msat, pero en el caso general Br es el valor de la densidad de flujo

magntico cuando el imn no tiene fmm (Br H = 0). La remanencia es un ndice de la habilidad

del material como imn permanente.

Para el material ideal Hc = Msat, pero en el caso general es la fmm requerida para anular el

flujo magntico dentro del imn. Ntese 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 direccin de la magnetizacin del material. La coercividad es un

ndice de la habilidad del imn para soportar factores desmagnetizantes.


10

El mximo producto de energa (BxH)max es el punto sobre el segundo cuadrante de la curva B

vs. H en el que el producto BxH es mximo. Sobre la curva ideal, est exactamente a mitad de

camino sobre la recta del segundo cuadrante. El valor de (BxH)mx indica la mxima densidad de

energa que puede almacenarse en el imn.

Podemos describir ahora el comportamiento de un imn real, y nos restringiremos al segundo

cuadrante de la curva B vs. H, regin conocida como curva de desmagnetizacin. En relacin a la

curva de histresis para un caso real, ni el imn alcanza su coercividad intrnseca terica -Hci ni se

produce la inversin completa de la magnetizacin cuando se llega a este valor. La curva intrnseca

de desmagnetizacin real tiene una transicin gradual en lugar del salto abrupto de la curva ideal.

La curva de desmagnetizacin normal (B vs. H) tambin presenta un codo gradual. Las

coercividades -Hci y -Hc se definen ahora como las intersecciones de las curvas intrnseca y normal

reales con el eje H.

Figura 4. Comparacin de curvas de magnetizacin.

La curva normal de magnetizacin determina la densidad de flujo magntico B que genera el

imn de acuerdo al valor de la fuerza de desmagnetizacin H. A partir de esta descripcin

introductoria del comportamiento de un material ferromagntico, podemos decir que las

caractersticas importantes en la seleccin de un material para usar en imanes permanentes son:


11

- Alta remanencia. Cuanto mayor es la remanencia mayor es el flujo magntico que puede crear

un imn.

- Alta coercividad. Cuanto mayor es la coercividad es ms difcil que el imn se desmagnetice

por acciones mecnicas o cambios de temperatura.

- Alto producto (BxH)mx. Cuanto mayor es este valor, se requerir menos material para

producir un dado flujo magntico en un circuito.9

Resea histrica acerca de los imanes permanentes y el electromagnetismo.

Historia de los Imanes

Si bien desde el comienzo del Universo, hace ms de diez mil millones de aos, el

electromagnetismo ya estaba ah, los seres humanos hemos sabido adecuadamente de su

existencia hace relativamente poco.10 Los primeros imanes conocidos fueron, por supuesto los

imanes naturales. Las primeras evidencias registradas de haber observado fenmenos de

atraccin magntica datan del ao 2500 a.C. Al parecer, la punta metlica de los bastones de los

pastores era atrada por ciertas piedras de la antigua Magnesia. Cerca del 700 a.C.

aproximadamente el filsofo 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 ao 200 a.C. o antes, y en Europa se

conoci aparentemente cerca del ao 1200.11

Las piedras de magnetita se encuentran en todas las minas de hierro del mundo y contienen un

xido de hierro, Fe3O4. Debieron causar una gran sorpresa y asombro entre los primeros hombres

por sus extraos poderes. Cuando se logr la fusin del hierro y se extendi el uso del hierro

probablemente se extendi el conocimiento de que ste se volva un imn. Hasta hace unos 300

aos eran los nicos materiales magnticos conocidos.12

9 Materiales Magnticos y Aplicaciones- Juan C Fernndez. 10 Imanes hoy-Antonio H. Grande. 11 Cmo Funcionan las Cosas - Jos Luis Giordano. 12 Imanes y neomagnetos - James D. Livingston.


12

Las primeras agujas magnticas de las brjulas no conservaban la imantacin, Cristbal Coln

conoca estas limitaciones y frecuentemente remagnetizaba sus agujas con una piedra imn que

cuidaba con su propia vida. Si bien la magnetita tiene propiedades permanentes, el hierro

magnetizado es, en realidad, un fuerte imn temporal. Durante el siglo XVI ambos tipos de imanes,

duros y blandos, fueron combinados para producir un imn permanente ms poderoso que cada

uno de los materiales por separado. La magnetita, con aadidos de hierro, conocido como imn

armado era el ms potente de los disponibles.13

El mtodo experimental permiti 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 electromagnticas entre el fin del siglo XVIII y la

segunda mitad del siglo XIX.14

La piedra imn fue el material magntico ms potente hasta los inicios del siglo XVIII, cuando

comenzaron a fabricarse imanes de acero al carbono (hierro con 1% de carbono) en Inglaterra.15 A

partir de 1819, con los trabajos de Oersted, los imanes se empezaron a usar en forma masiva para

aplicaciones en motores, generadores, dnamos, etc. En esta primera etapa se utilizaron lo que

llamamos "aceros magnticos". Estos materiales permitieron reducir el tamao de los imanes

porque, en menor volumen, tienen igual o mayor capacidad de generar un campo magntico en el

exterior del material.16

Los adelantos en las aceras durante los siglos XIX y XX llevaron a la produccin de aleaciones

de acero con tungsteno, molibdeno, cobalto, cromo y otros elementos que daban lugar a imanes

ms potentes. Aunque su coercitividad era menor que la de la piedra imn su saturacin

magntica era mucho mayor. Los ingenieros, entonces, desarrollaron una medida sencilla para la

calidad de un imn, sta dependa de la saturacin magntica y de la coercitividad: el producto de

energa. Los aceros con cobalto y cromo de 1920 tenan productos de energa 4 veces mayores

que los aceros al carbn y casi 10 veces el de la piedra imn.17

13 Imanes y neomagnetos - James D. Livingston. 14 Imanes hoy-Antonio H. Grande. 15 Imanes y neomagnetos - James D. Livingston. 16 Magnetismo de sistemas nanoscopicos, algunas aplicaciones Rodolfo D. Sanchez, Roberto D. Zysler. 17 Imanes y neomagnetos - James D. Livingston.


13

A pesar de estos valores de producto de energa, 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 ms permanentes,

en 1930, el auricular del telfono estaba separado del micrfono ya que ste estaba formado por

un potente imn de herradura. Los imanes actuales raramente tienen esta forma, pero esta

imagen ya se ha vuelto un estereotipo para representar campos magnticos.

Los imanes de acero fueron superados en 1930 por los que contienen hierro, aluminio, nquel y

cobalto con productos de energa y coercitividades mucho mayores que los de acero.18 Estas

aleaciones se conocen como alnicos, palabra formada por los smbolos de los elementos qumicos

que estn presentes en la aleacin y fueron desarrolladas en Japn. Los alnicos fueron los

primeros materiales ferromagnticos en donde se trabaj directamente sobre la microestructura

del material.19 Estos imanes redujeron el tamao de los telfonos 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. Despus de ser un

componente del radar el magnetrn pas a la vida domstica en el horno de microondas.

Los imanes de alnico an se emplean, pero estn perdiendo mercado frente a dos nuevos tipos

de magnetos permanentes: los de ferrita y los de tierras raras. Los primeros estn formados por

xidos de hierro, bario y estroncio; fueron introducidos en 1950 por la compaa holandesa

Philips. Cercanos qumicamente a la piedra imn, las ferritas tienen baja saturacin magntica; en

consecuencia, sus productos de energa son menores que los de los imanes de alnico.20

A pesar de su debilidad, las ferritas alcanzaron casi el 90% de la produccin 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 desmagnetizacin

les permite ser delgados en la direccin de la magnetizacin, lo cual es una gran ventaja para el

diseo de motores, bocinas y otros dispositivos electromagnticos. Su bajo costo les permite

tener, entre todos los materiales magnticos duros, una caracterstica ms importante que el

18

Imanes y neomagnetos - James D. Livingston. 19

Magnetismo de sistemas nanoscopicos, algunas aplicaciones Rodolfo D. Sanchez, Roberto D. Zysler. 20

Imanes y neomagnetos - James D. Livingston.


14

producto de energa: el precio por unidad de producto de energa. En este punto las ferritas son

los mejores.21 Es por ello, que casi el 55% de los imanes producidos en el mundo son de este

material.

Otra clase de imanes ms recientes son las aleaciones de elementos denominados tierras raras

y ocupan casi la otra mitad de la produccin mundial.22 En tanto que el producto de energa de los

imanes de alnico est limitado por la baja coercitividad, y el de las ferritas por las bajas

saturaciones magnticas, los imanes de tierras raras tienen valores mayores en ambos

parmetros, lo que aumenta notablemente sus productos de energa.23

A final de los setenta, las aleaciones de samario, una tierra rara, con cobalto, un metal de

transicin, mostraron tener un producto de energa 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 miniaturizacin de auriculares pequeos, de motores de pasos o de

equipos cientficos con prestaciones particulares donde el costo no es determinante para la

produccin en masa.24

En los aos ochenta se produjo un encarecimiento ms especulativo que real en el precio del

cobalto materia prima clave en la fabricacin de estos imanes, lo que oblig a las empresas

dedicadas a su fabricacin a la bsqueda de nuevos imanes permanentes en los que el cobalto no

estuviera presente y el material resultante tuviera un precio competitivo.25 En la lnea de mezclar

una tierra rara con un metal de transicin, se comenzaron a investigar aleaciones de la ms

abundante de esta familia, el neodimio, con un metal de transicin. Hay veintisiete elementos de

la tabla peridica con los que pueden hacerse aleaciones con elementos magnticos resultando en

casi 2100 aleaciones binarias y ternarias posibles. Aunque la aleacin de neodimio y hierro, los

elementos ms abundantes, no existe en la naturaleza y no puede sintetizarse, se explor agregar

otro elemento para formar una aleacin ternaria. As se encontr que aquellas que incluan boro

21





Tierras raras: materiales avanzados R. Sez Puche, C. Cascales, P. Porcher y P. Maestro.


15

presentaban valores altos del producto de energa.26 En el ao 1984 de modo simultneo la

General Motors en USA y la Sumitomo en Japn descubren un nuevo material de frmula Nd2Fe14B

que posee un valor de (Br x Hc)mx superior a 450 kJ/m3 el valor ms elevado conseguido hasta ese

momento.27 Estos nuevos materiales se comenzaron a aplicar rpidamente en aparatos

electrnicos, componentes de computadoras, en motores para los molinos de viento, en la

industria del automvil o en motores de elevadores.28 Se produjo una gran actividad en la

fabricacin de imanes que permiten almacenar energas magnticas elevadas en imanes de

pequeo volumen, lo que rpidamente dio lugar a la denominada miniaturizacin de

dispositivos.29

En el siguiente grfico, figura 5, se muestra como evolucionaron a lo largo de los aos los

imanes, notndose claramente el gran aumento del producto de energa en las ltimas dcadas.

Figura 5. Energa magntica a lo largo de los aos.30

26


Tierras raras: materiales avanzados R. Sez Puche, C. Cascales, P. Porcher y P. Maestro. 28


Tierras raras: materiales avanzados R. Sez Puche, C. Cascales, P. Porcher y P. Maestro. 30

El reto de los imanes permanentes- Adrin Quesada.


16

A continuacin tratar el tema de que son las tierras raras y donde se ubican las principales

minas de extraccin de estas tierras raras.

Qu son las Tierras Raras?

Durante la primera mitad del siglo XIX, luego de la teora atmica de Dalton y con los avances

acelerados en la Qumica, se expandi el conocimiento acerca de los elementos qumicos.

Actualmente se conocen 114 elementos, ordenados en la Tabla Peridica por sus nmeros

atmicos y agrupados por sus propiedades. Su abundancia vara ampliamente: ms del 90% de la

corteza terrestre est formada solo por 5 elementos: oxgeno 49,5%, silicio 25,7%, aluminio 7,5%,

hierro 4,7% y calcio 3,4%; mientras que en el 9,2% restante estn incluidos los otros 109

elementos (Figura 6).

Figura 6: Abundancia de los elementos en la corteza terrestre.

El qumico Lavoisier propuso que los elementos qumicos se clasificaran en metales, no metales

y metaloides (o metales de transicin); dentro de estos ltimos se encuentran los metales de

transicin interna, ms conocidos como Lantnidos y Actnidos, que en la Tabla Peridica se ubican

debajo de los metales de transicin (Figura 2). La Tabla Peridica de los elementos qumicos fue

presentada en 1869 simultneamente por el alemn Meyer y el ruso Mendeleyev; en ella los

elementos qumicos son dispuestos en orden creciente de sus respectivas masas atmicas. Se

debe tener en cuenta que en aquellos tiempos no se conoca la existencia de protones ni

electrones. La Tabla Peridica moderna clasifica los elementos en funcin de su nmero atmico.

Los Lantnidos son conocidos tambin como Tierras Raras, presentan propiedades fsicas y

qumicas muy similares entre s, por lo que se los encuentra juntos en la naturaleza. A pesar de


17

que inicialmente se consider que su abundancia absoluta en la corteza terrestre era escasa (de

ah su nombre) actualmente se sabe que su abundancia es relativamente alta, a excepcin del

Promecio (Pm) que es radiactivo y rpidamente se transforma en otros elementos qumicos

aunque sus propiedades qumicas existen y se lo puede obtener de forma sinttica en laboratorio.

Las Tierras Raras son elementos muy parecidos qumicamente entre s y ocupan un lugar

particular en la Tabla Peridica, debido a su configuracin electrnica (Figura 7). A este grupo se lo

suele dividir en dos subgrupos de acuerdo a su masa atmica, el de la Tierras Raras Livianas

(Lantano, Cerio, Praseodimio, Neodimio, Promecio, Samario, Europio) y Pesadas (Gadolinio,

Terbio, Disprosio, Holmio, Erbio, Tulio, Iterbio, Lutecio). El trmino rara data de principios del

siglo XX, debido a que eran elementos difciles de separar de los minerales que los contienen y

porque raramente se les daba una utilidad. El trmino tierra es una antigua denominacin para

los xidos y para aquellos minerales que presentaban aspecto terroso.

Aunque la calificacin Tierras Raras nos podra hacer pensar que son elementos con escasa

abundancia en la corteza terrestre, esto no es as. Algunos elementos como el Cerio, el Itrio y el

Neodimio son ms abundantes que el Plomo; el Tulio, el ms escaso de las tierras raras, es an

unas 200 veces ms abundante que el Oro o el Platino. Lo raro, en realidad, de estos elementos

raros son los depsitos minerales concentrados y de grandes dimensiones en donde los minerales

que los contengan puedan ser extrados por mtodos de minera convencional y de forma

sustentable.

Figura 7: Tabla peridica de los Elementos Qumicos.

Durante muchos aos no se le dio importancia a este grupo de elementos raros debido a que

eran muy difciles de separar unos de otros. Desde el punto de vista econmico, a estos elementos

se le suman otros dos elementos que por su estructura atmica no se consideran dentro del


18

grupo, pero s presentan propiedades fsicas y qumicas muy similares, y adems adquieren

importancia econmica; estos elementos son Escandio (Sc, 21) e Itrio (Y, 39) (Figura 8).

Figura 8: Aspecto metlico de las Tierras Raras.

Estos elementos qumicos son importantes en el mundo actual debido a que estn

incorporados en muchos productos y tecnologas bsicas que permiten mejorar nuestra calidad de

vida; sin embargo, es poco conocido su origen, qu son o por qu son tan importantes para

nuestro futuro. Desde hace aos se les da un uso intensivo poco conocido para muchos; un

ejemplo es el Cerio, que se utiliza en aleacin con otros metales para la fabricacin de las piedritas

que generan la chispa en los encendedores.


19

El Lutecio se utiliza en las refineras de petrleo como catalizador, ya que favorece las reacciones en el craqueo cataltico fluido, que es un proceso complejo que produce rupturas en los hidrocarburos para la obtencin de naftas.

Las Tierras Raras se utilizan tambin para fabricar imanes permanentes fuertes, materiales

superconductores, lser, vidrios y cermicas especiales de alta resistencia, etc. Sin ellos las pantallas LCD, los telfonos celulares, las lmparas de bajo consumo y las unidades de disco duro de las computadoras no podran ser fabricados. Tambin forman parte de todos los automviles hbridos, turbinas de viento, telefona mvil, aleaciones especiales para la odontologa e incluso en equipos de rayos X que se utilizan a diario en medicina.

Otro caso particular es la utilizacin del Erbio y Lantano en las fibras pticas para aumentar el

ancho de banda e incrementar la transferencia de datos. El Europio es utilizado para generar el color rojo en las pantallas de LCD y junto con el Disprosio se utilizan en los reactores nucleares por su capacidad de absorcin de neutrones; el Samario es un elemento imprescindible en la fabricacin de los micrfonos de las guitarras elctricas.

Muchos especialistas coinciden que las Tierras Raras harn la diferencia en nuestra

supervivencia en el futuro, debido a que en la actualidad son componentes fundamentales de las tecnologas verdes.

Uno de los usos ms curiosos, poco conocido y cotidianos de las tierras raras, es la fabricacin de las camisas incandescentes para los soles de noche a gas. sta consiste en una malla de nylon impregnada en una solucin de nitrato de Itrio (hasta el ao 2000 se utilizaba nitrato de

Torio, pero al ser radioactivo se consider nocivo para la salud), a la cual se le agrega Cerio para aumentar el brillo de la luz emitida y Berilio para la resistencia de la camisa.


20

Desde el punto de vista econmico existen 17 elementos clasificados como Tierras Raras (La,

Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Y, Lu, Sc, Y); de stos, algunos son ms valiosos que otros. La demanda mundial de algunos de estos metales es superada por la oferta actual y la demanda ya no se mide en Kg/ao sino en Kg/mes.

En la industria se utilizan principalmente las Tierras Raras Pesadas, lo que es un efecto vinculado a su proceso de obtencin, separacin y seleccin, ya que las Tierras Raras con mayor peso atmico son las ms fciles de separar de los minerales que las contienen. Esto provoca que la mayora de las compaas se centren actualmente en la minera de las Tierras Raras Pesadas, lo que impone un nuevo reto para muchos cientficos, quienes deben abocarse a los complejos desafos que presenta la tarea de desarrollar mtodos de procesamiento mineral y metalrgico ptimos para separar tanto las Tierras Raras Pesadas como Livianas del mineral que las contiene, de una forma sencilla y econmicamente viable.31

Dnde estn las Tierras Raras? Existen diferentes tipologas de yacimientos minerales donde se pueden encontrar las Tierras

Raras, pero estos yacimientos son muy escasos. Entre los ms importantes a nivel mundial est la mina Longman, en Xunwu (China) donde los elementos de Tierras Raras se encuentran adsorbidos en arcillas, por lo que son depsitos residuales. Existe adems otros tipos de depsitos vinculados a carbonatitas, ejemplos de esta tipologa a nivel mundial son: Mt. Pass (USA), Weshan, Maoniuping (China), Mount Weld (Australia), Arax, Catalo y Barra do Itapirapu (Brasil). En Argentina tambin existen carbonatitas, en la Sierra de Rangel, en la regin de la Puna en el lmite de las provincias de Salta y Jujuy. Adems, existen tambin otro tipo de depsitos vinculados a rocas magmticas en el Batolito Las Chacras, en la provincia de San Luis.

Hay muchos sitios en el mundo en donde se encuentran disponibles las Tierras Raras, pero son muy pocos en los que se encuentran como depsitos comercialmente rentables. Actualmente China controla entre el 95%97% del suministro mundial de Tierras Raras y recientemente decidi que necesita aumentar y buscar nuevas reservas para fuentes de suministro, ya que estn al lmite de sus necesidades internas.32

31

Tierras raras elementos claves del Siglo XXI- Mauro de la Hoz. 32

Tierras raras elementos claves del Siglo XXI- Mauro de la Hoz.


21

Productores y reservas mundiales de tierras raras.33

33

Tierras raras el nuevo oro-Francisco Domnech.


22

Mapa de ubicacin geogrfica de la Sierra de Rangel.34

Vista desde el Norte de la Sierra de Rangel35

34

Tierras raras elementos claves del Siglo XXI- Mauro de la Hoz. 35

Tierras raras elementos claves del Siglo XXI- Mauro de la Hoz.


23

Se trataran los tipos de imanes de tierras raras, estructura, composicin y curvas de

desmagnitacin

Imanes permanentes de tierras raras

Los imanes de Neodimio y Samario representan la ltima generacin de los materiales

magnticos. Dichos imanes poseen propiedades muy superiores a las tradicionales. Su alta

coercitividad y su elevada remanencia nos permiten nuevos diseos. La utilizacin de estos imanes

est condicionada, sobre todo, por el factor temperatura: disponemos de una amplia gama que

abarca desde los 80 C hasta los 180 C en la calidad Neodimio (Nd) y de los 200 C hasta los 350

C en la calidad Samario (Sm).36

Samario-Cobalto

tomos de los elementos llamados tierras raras tienden a formar compuestos intermetlicos

con metales de transicin como Fe, Ni o Co, y en la primera poca del desarrollo de los imanes de

estos materiales la teora predeca que los elementos ms livianos en particular el samario se

combinara de la forma ms favorable con el cobalto para producir una alta anisotropa cristalina.

La experiencia confirm la factibilidad de varios compuestos intermetlicos, y el primer imn

prctico se construy con el compuesto SmCo5, seguido ms tarde por Sm2Co17. Los imanes de

samario-cobalto se fabrican segn las mismas lneas que las ferritas. Dado que tanto el samario

como el cobalto son elementos relativamente caros, se fabrican imanes anistropos con

propiedades preferenciales a lo largo de un eje. Los imanes de tierras raras tienen un mecanismo

de fronteras de dominio mucho ms complicado que el derivado de la pura anisotropa

magnetocristalina, lo que lleva a que las mejores propiedades magnticas se obtienen con un

tamao de grano mayor que el correspondiente a partculas mono-dominio. Esto significa que no

slo las fronteras de dominio pueden existir, sino que se mueven con relativa facilidad dentro del

grano. Mientras que esta caracterstica permite que se alcance la magnetizacin de saturacin an

con un modesto campo aplicado, una alta coercividad intrnseca depender de la habilidad del

grano para resistir la formacin de un dominio invertido cuando se aplica un campo de

desmagnetizacin. Esta propiedad vital se controla por las fronteras de grano, que estn

compuestas de desviaciones de la composicin primaria del material que proveen una fuerte

fijacin de las fronteras de dominios en estos lugares. Este mecanismo, conocido como

nucleacin, se da en imanes de SmCo5. Un grano en proceso de nucleacin se muestra en el

diagrama (a) de la figura. Sm2Co17 difiere de SmCo5 en que sus granos contienen una estructura

de pequeas celdas como se ilustra en el diagrama (b).

36

Imanes tierras raras


24

El tratamiento trmico de este compuesto promueve la formacin de estas celdas de Sm2Co17,

separadas por delgadas paredes de SmCo5 que son las que proveen la fijacin de las paredes de

dominio (en lugar de las fronteras de grano). La fijacin, en lugar de la nucleacin, es entonces el

mecanismo de control en imanes de Sm2Co17, y mientras que este mecanismo provee una mayor

coercividad intrnseca, debe aplicarse un campo mucho mayor para llevar inicialmente este

material a su magnetizacin de saturacin.

Ya sea un imn de tipo-nucleacin SmCo5 o de tipo-fijacin Sm2Co17, es decir, ya sea que las

paredes de dominio estn fijas a las fronteras de grano o de celda, se movern bastante

libremente una vez superadas estas fuerzas de fijacin, y Msat se invertir en forma abrupta al

alcanzar el campo aplicado el valor -Hci, en una forma similar al comportamiento terico derivado

de la anisotropa magnetocristalina. Como ejemplo, en la figura se muestran curvas de

desmagnetizacin para di-versos compuestos de SmCo.

Curvas de desmagnetizacin para di-versos compuestos de SmCo.37

Los imanes de SmCo son generalmente muy caros para aplicaciones masivas. Se suelen utilizar

37

Materiales Magnticos y Aplicaciones- Juan C Fernndez.


25

en instrumental de laboratorio o especiales debido a sus excelentes propiedades de directividad.

Aspecto fsico de los imanes de samario-cobalto38

Neodimio-hierro-boro

Luego del exitoso desarrollo de imanes de samario-cobalto, se trat de desarrollar imanes de

tierras raras de menor costo. El hierro es un metal de transicin mucho ms barato que el cobalto,

y el neodimio es una tierra rara liviana mucho ms abundante que el samario. Diversas tierras

raras X se combinaron con hierro en compuestos X2Fe17, pero todos presentaron temperaturas

de operacin muy bajas para propsitos prcticos. Una mejora significativa ocurri con el

descubrimiento de que el agregado de boro formaba un compuesto ternario con fuerte

anisotropa magnetocristalina uniaxial, y una mayor temperatura de operacin. Un compuesto de

neodimio-hierro-boro de frmula aproximada a Nd2Fe14B present la mejor combinacin de

propiedades magnticas y trmicas. La estructura de la celda unitaria de este material se muestra

en la figura9 y consiste de 68 tomos. 56 son de Fe, que ocupan sitios cristalogrficamente no

equivalentes denominados 16k1, 16k2, 8j1, 8j2, 4e y 4c.

Figura9

Los imanes comerciales de Nd-Fe-B vienen en muchas combinaciones de proporciones de Nd y

Fe, lo que produce un amplio rango de propiedades disponibles.

38

Imanes tierras raras


26

Sinterizado: Hay diferentes mtodos de produccin de imanes de Nd-Fe-B. El sinterizado es

similar a los ya vistos. El polvo se moldea en una estructura compacta anistropa mediante

compactacin y sinterizado en un campo orientador. Este proceso produce un imn de

tiponucleacin en el que las fronteras de grano se componen de desviaciones ricas en Nd de la

composicin primaria Nd2Fe14B, proveyendo la fijacin de las fronteras de dominio. Uno de los

problemas de este mtodo es que los granos de Nd-Fe-B son muy susceptibles de oxidarse en su

superficie, lo que limita seriamente el tamao de grano que puede obtenerse y hace muy difcil

obtener en la prctica imanes tiles.

La oxidacin de un material comienza en su superficie, y si no se usa ningn recubrimiento de

proteccin, el oxgeno del ambiente se difundir hacia dentro del material produciendo reacciones

qumicas y alterando sus propiedades magnticas. Este proceso de difusin aumenta fuertemente

con la temperatura. Otros fenmenos de corrosin involucran otros agentes que se difunden y

producen reacciones qumicas destructivas dentro del material. Desde el comienzo de la

utilizacin tcnica de los imanes, cuando el hierro era el material fundamental, se ha utilizado la

pintura como recubrimiento protector.

Se ha encontrado en los compuestos de Sa-Co que el cobalto dificulta el proceso de difusin del

oxgeno y que el producto fundamental del proceso de oxidacin es Sm3O3. Por lo tanto se suele

agregar cobalto en exceso de la cantidad estequiomtrica del compuesto para mejorar el

comportamiento frente a la oxidacin.

En el caso de los imanes de Nd-Fe-B la oxidacin progresa selectivamente a lo largo de las

fronteras de grano ricas en Nd. El compuesto ms importante de este proceso es Nd2O3. Se ha

hallado que el agregado de Co al compuesto mejora la situacin ya que el Co migra a las fronteras

de grano y reduce la proporcin de Nd pasible de oxidacin.

Templado rpido: Un proceso completamente diferente involucra el templado rpido de la

aleacin fundida de Nd-Fe-B, usando una tcnica de melt-spinning para producir una cinta que

luego es convertida en polvo. Mientras que una cinta obtenida por conformacin mecnica

produce partculas de polvo en forma de grandes placas, el templado rpido lleva a una

microestructura extremadamente fina como la que se ilustra en la figura (c), nuevamente con

fronteras de grano que se desvan de la composicin primaria Nd2Fe14B, aunque en mucha menor

medida que en el proceso de sinterizado. Sin embargo, este no es un imn de tipo-nucleacin,


27

porque el polvo tiene una microestructura muy pequea que se adecua al modelo de dominio

nico de las ferritas cermicas. Este proceso de fabricacin produce imanes cuyo magnetismo

permanente se basa en la anisotropa magnetocristalina, y requieren un fuerte campo aplicado

para llevar inicialmente los granos del material a la magnetizacin de saturacin. Como sugiere el

diagrama (c), no es prctico moler el material a tamao de mono-dominio, de forma que el polvo

es inherentemente istropo. Sin embargo, puede consolidarse en un imn compacto y anistropo

por la deformacin plstica que ocurre en la compactacin en caliente. La proteccin natural que

esta la microestructura aporta a las fronteras de grano por la disminucin de la cantidad no

estequiomtrica de Nd hace que el polvo sea muy estable respecto de la oxidacin, de manera que

es fcil fabricar imanes de cualquier forma por moldeo.

HDDR: Hemos mencionado el problema de la oxidacin en la preparacin de polvo de Nd-Fe-B,

de modo que tambin puede predecirse que absorbe hidrgeno con facilidad, lo que convierte al

material en un polvo muy frgil y quebradizo. Esta caracterstica facilita la conversin del material

en polvo, y se ha convertido en la base del proceso llamado HDDR (por Hidrogenacin,

Desproporcionacin, Desorpcin y Recombinacin, un proceso metalrgico muy complejo para

detallar aqu). Este proceso tambin da al polvo de Nd-Fe-B una estructura ultrafina con granos de

tamao cercano al mono-dominio, y pueden obtenerse partculas de polvo de este tamao. El

polvo de Nd-Fe-B preparado con la tcnica HDDR es inherentemente istropo, pero los imanes

fabricados por compactacin en caliente o moldeo son generalmente anistropos debido a las

condiciones de procesamiento y el agregado de aditivos que inducen un mayor grado de textura

en la aleacin. Los imanes de Nd-Fe-B fabricados con el proceso HDDR exhiben curvas

caractersticas de desmagnetizacin con codos bien definidos de inversin de la magnetizacin. En

las figuras siguientes se muestran curvas de desmagnetizacin para diversos compuestos de Nd-

Fe-B.39

39



28

Curvas desmagnetizacin imanes Nd-Fe-B obtenidos por sinterizado.40

Curvas desmagnetizacin imanes Neoform obtenidos por moldeo cermico.41

40



29

Aspecto fsico de los imanes de neodimio-hierro-boro42

Comparacin de propiedades de imanes permanentes

Existen mltiples tipos de materiales para sintetizar los imanes siendo los ms importantes los

siguientes:

Alnico: Estos imanes estn fabricados por fundicin o sinterizacin. Poseen el mejor

comportamiento a temperaturas elevadas. Tienen una elevada remanencia, pero su

coercitividad es bastante baja.

Ferrita: Este tipo de imanes se obtienen sobre todo por sinterizacin. Son los ms

utilizados por su relacin calidad/precio. Existen muchas calidades diferentes.

Presentan buena resistencia a la desimantacin.

Neodimio-Hierro-Boro: Son los imanes con las mejores caractersticas magnticas

existentes en la actualidad. Su comportamiento en funcin de la temperatura ha

mejorado bastante. Se pueden utilizar para aplicaciones de hasta 150C.

Samario-Cobalto: Estos imanes estn fabricados a partir de elementos de la familia de

las tierras raras. Sus caractersticas magnticas permiten reducir sus medidas. Su

producto de energa es considerablemente elevado Tienen un comportamiento muy

bueno a temperaturas elevadas.43

41

Materiales Magnticos y Aplicaciones- Juan C Fernndez. 42

Imanes tierras raras 43Sistema de generacin elctrica para aerogeneradores


30

Comparacin de Propiedades de Compuestos comerciales.44

Algunas aplicaciones de los imanes de tierras raras, en mquinas elctricas y dispositivos

electrnicos.

Aplicaciones

Usos para los imanes de neodimio en misiones espaciales.

Recogedor de polvo espacial en marte. La NASA utiliza imanes de neodimio en cada uno de los

Mars Exploration Rovers. Los imanes son utilizados para recoger polvo espacial para su

examinacin durante la misin. En la imagen se muestra tres juegos de imanes del Rover. Un

conjunto de dos imanes se monta en la parte frontal del Rover en un ngulo tal que las partculas

no magnticas tienden a caerse. Estos imanes son accesibles para el anlisis de varios

instrumentos. Un segundo imn est montado en la parte superior del Rover en la vista de la

cmara panormica. Este iman es lo suficientemente fuerte para desviar el polvo magntico

llevado por el viento. Un tercer conjunto de imanes es llevado por la herramienta de abrasin de

rocas (RAT por sus siglas en ingles). A medida que el RAT es incrustado en las rocas marcianas, los

cientficos tienen la oportunidad de estudiar las propiedades del polvo estas rocas superficiales.45

44 Sistema de generacin elctrica para aerogeneradores

45 K&J Magnetics - Uses for Neodymium Magnets.pdf


31

Aplicaciones de NEOMAX (imanes permanentes de Nd-Fe-B).

Aplicaciones en Automviles

En la actualidad los vehculos son equipados con motores y actuadores elctricos los cuales

brindan mayor confort, seguridad y estos adems ahorran combustible. Un automvil de lujo

Japons contiene ms de 100 motores en su interior. La mayor parte de estos motores elctricos

son de corriente continua con carbones e imanes permanentes de ferrita. Como estos motores de

automviles requieren alta eficiencia y potencia, el uso de NEOMAX est en aumento. Las dos

principales aplicaciones de NEOMAX son las de motor/generador de vehculos elctricos hbridos

y direccin asistida elctrica. NEOMAX es usado tambin en otros motores, actuadores, sensores

y parlantes como se muestra en la figura siguiente.


32

Los automviles hbridos Japoneses recorren con la misma cantidad de combustible cerca de un 80% ms distancia que el mejor automvil no hibrido.


33

El costo y la fiabilidad son factores claves para los motores de automviles. Motores de imanes permanentes son utilizados generalmente en vehculos hbridos como en motores de los compresores en aires acondicionados. La alta coercitividad de NEOMAX se utiliza para alcanzar la mayor resistencia a la temperatura. Cerca de 0,5 millones de automviles hbridos fueron vendidos en 2007. Esto es solo el 0,7% de todos los vehculos comercializados ese ao. La demanda de este tipo de vehculos est en aumento.

Los vehculos elctricos a batera (del tipo plig-in) tambin utilizan imanes de Neodimio, y se espera que sean comercializados en un futuro cercano.


34

La direccin asistida elctrica es usada para mejorar la eficiencia de combustible de 2 a 5%. 20 millones de vehculos fueron equipados con direccin asistida elctrica en 2007 y su nmero va en aumento.46

Motor elctrico de bajo consumo Japon depende de fuente de energas externas. Luego de la crisis petrolera de 1970, se realizaron una gran cantidad de esfuerzos para ahorrar energa. Una reglamentacin gubernamental denominada Top Runner permiti grandes avances en la eficiencia de los aparatos de aire acondicionado. Los principales factores son el control del inversor y los motores de alta eficiencia llamados motor de interior de imn permanente (interior permanent magnet motor o IPM motor). El motor IPM no solo utiliza el par magntico sino tambin el par de reluctancia. Los motores IPM contienen lminas de NEOMAX en el interior del rotor. La eficiencia del motor IPM es de un 10 a 20% mayor que la de un motor de induccin.47

46

Hitachi Metals_Products_NEOMAX_Applications of NEOMAX_Automotive applications.pdf 47

Hitachi Metals_Products_NEOMAX_Applications of NEOMAX_Energy-saving motor.pdf


35

Servomotores y automatizacin de fbricas Nuestros investigadores fueron exitosos en el aumento de la coercitividad para ampliar el campo de aplicacin de NEOMAX. Desde finales de 1980, la mejora de NEOMAX ha sido aplicada servomotores sin escobillas, servomotores lineales y sus aplicaciones tales como robots industriales. NEOMAX contribuy a alcanzar motores compactos de alta potencia de muy preciso control. Estos son la base de la automatizacin moderna. A estos servomotores se los puede ver en las lneas de produccin de automviles, centros de mecanizado, mquinas de transporte, mquinas de envasado, equipos semiconductores, lnea de produccin de paneles fotovoltaicos y en muchas otras mquinas autnomas de lneas de producciones automatizadas.48

48

Hitachi Metals_Products_NEOMAX_Applications of NEOMAX_Servomotor and factory automation (FA).pdf


36

Voice coil motor (VCM)

La aplicacin de VCM para la unidad de disco regido (HDD) fue la primer aplicacin importante de

NEOMAX. NEOMAX fue aplicado a los discos rgidos en 1986, 4 aos despus de su invencin.

Ms de tres mil millones de VCM se han fabricado con NEOMAX y con licencias de imanes de Nd-

Fe-B hasta el ao 2007. Antes de que NEOMAX fuese inventado, se utilizaban imanes de Samario-

Cobalto. Debido al costo de los imanes de Samario-Cobalto la revolucin en tecnologa de la

informacin no hubiera podido ser sin los suministros abundantes y costo accesible de

NEOMAX.49

49

Hitachi Metals_Products_NEOMAX_Applications of NEOMAX_Voice coil motor.pdf


37

Otras aplicaciones

Existen otras aplicaciones de NEOMAX, como telefona celular, generadores de energa elicos,

equipos mdicos y cientficos.50

50

Hitachi Metals_Products_NEOMAX_Applications of NEOMAX_Other applications.pdf


38

Motores de alto rendimiento

En los motores elctricos, el uso de imanes de tierras raras permite un mayor rendimiento,

obtenido a travs de motores ms pequeos y ligeros. Es evidente el atractivo de esto en

vehculos elctricos, en los que un motor ms liviano y eficiente reduce la cantidad de energa que

debe ser transportada en forma de combustible fsil, hidrogeno o almacenada en bateras; segn

Rare Earth Metals Inc, el automvil elctrico hibrido Toyota Prius contiene alrededor de 30 Kg de

componentes de tierras raras, utilizados en los motores, bateras, vidrios, catalizadores y

equipamiento electrnico.


39

En aplicaciones industriales los beneficios de los imanes de tierras raras estn relacionados a

mayor rendimiento a partir de un motor del mismo tamao o motores ms livianos para equipos

mviles.51

Motor de imanes permanentes como motor propulsor naval

Actualmente la propulsin elctrica est tomando importancia tanto en buques de guerra como

en buques mercantes. Esta alternativa de propulsin no debe ser descartada frente a otras

alternativas puesto que representa ventajas comparativas importantes frente al vapor, gas o el

mismo motor diesel.

Ejemplos recientes de la aplicacin de motores PM en la propulsin de buques son:

Submarino Scorpene, Francia-Espaa.

Submarino "U-212, Alemania.

Destructor "DD-21" (En estudio), perteneciente a la marina de los Estados Unidos.

En general se puede decir que los motores elctricos son de mayor tamao, ms pesados y ms

caros que un sistema mecnico, como los motores diesel o las turbinas a gas, sin embargo, con el

advenimiento de los motores de PM ha sido posible disminuir estas condiciones desfavorables lo

que hace pensar que su aplicacin sea mayor en el futuro.

La seleccin y diseo de una planta elctrica de propulsin naval debe satisfacer ciertos

requerimientos especficos con respecto a las demandas propias del proyecto. En general los

proyectos exitosos han redundado en el desarrollo de conceptos tales como:

Bajo nivel de ruido mecnico producto de la conversin electromecnica de energa.

51

High-performance motors dispense with expensive rare-earth magnets _ Engineer Live1


40

Alta eficiencia general del sistema.

Alta resistencia al schock mecnico.

Alta versatilidad y redundancia.

Equipamiento de bajo peso y volumen.

Buena capacidad de refrigeracin y dispositivos asociados.

Alta capacidad para controlar los niveles permitidos de temperatura y humedad.

Requerimientos Planta Propulsin Elctrica.

Algunas de las ventajas del motor elctrico frente a otras alternativas son las siguientes:

1. Flexibilidad.

El sistema elctrico es mucho ms flexible ya que permite instalar al conjunto motor-generador en

un lugar distinto al sistema propulsor. Esto quiere decir, que se puede optimizar en todos aquellos

conceptos estructurales como lo son el eje, descansos, dimetro del casco presin para

submarinos, etc. Es notable destacar que una disminucin de la cantidad de componentes de los

anteriormente sealados hacen disminuir las posibilidades de falla. La flexibilidad se traduce en un

ahorro substancial y comprobado de combustible, lo que permite considerar al sistema en su

globalidad.

2. Menor ruido.

Este aspecto es muy importante sobre todo para los buques de guerra que deben mantener una

tasa de discrecin bastante alta y que aumenta en el caso de los submarinos. En este sentido la

mayora de los motores elctricos poseen excelentes niveles de ruido frente a otras alternativas

como la propulsin con turbinas a vapor, gas o diesel. Prueba de lo anterior, ha sido el desarrollo

de fragatas antisubmarinas como es el caso de la fragata tipo 23 de la Real Armada Britnica. Sin

embargo, los motores de excitacin alterna son an ms silenciosos que los motores de corriente

continua, hasta ahora los ms populares.

3. Altas cargas auxiliares.

Este concepto va a depender de la naturaleza del buque, es decir, de su propsito. Las cargas

pueden ser como: winches, gras, hlices de empuje lateral, etc. La carga auxiliar del buque en

determinadas situaciones es posible que alcance la misma potencia que la requerida por la

propulsin. De aqu que sea necesario explotar el hecho de que cuando la mxima carga auxiliar se

produce, el sistema de control distribuya eficientemente el poder elctrico. Lo ltimo se logra al

tener integrado el sistema elctrico de servicio con el de propulsin del buque.

4. Control.

Los sistemas de control en el mbito elctrico tienen un mayor desarrollo tecnolgico que el resto

de los sistemas asociados a la propulsin y adems permite actualizar el sistema de control a un

menor costo. Las mquinas elctricas proveen control rpido de velocidad y/o torque sobre todo


41

en el rango de velocidad/potencia de diseo. Queda por lo dicho, que los motores elctricos

presentan excelentes condiciones para aquellas aplicaciones donde se requiere un gran control

posicional. Por esta razn los accionamientos elctricos son elegidos para buques oceanogrficos

de investigacin, cazaminas, de rescate, antrticos y remolcadores.

Aplicacin Naval de los Motores PM.

Quizs dentro de las aplicaciones actuales y posibles de un motor PM es su utilizacin como motor

de propulsin de unidades submarinas con potencias instaladas que bordean como lmite superior

los 5MW. En la aplicacin submarina, los sistemas de propulsin deben cumplir con dos

importantes funciones, estas son:

Proveer la propulsin.

Proveer la fuente de potencia para el resto del submarino.

Estudiando las caractersticas actuales de los submarinos convencionales, se debe observar los

siguientes aspectos al momento de elegir un determinado sistema propulsor:

Hlice nica acoplada directamente al sistema propulsor.

Motores elctricos de propulsin con sistemas auxiliares.

Sistemas diesel para la generacin y recarga de los bancos de bateras principales,

ocupando aire mediante el snorkel.

Sistemas de transmisin de potencia elctrica.

Control y monitoreo.

Posibilidad de implementacin de sistemas modernos AIP (Air Independence Propulsion).

Las ventajas comparativas de los motores PM sern en definitiva la mejor defensa frente a otros

sistemas de propulsin. Actualmente es posible desarrollar motores PM de potencias elctricas

que satisfacen plenamente los requerimientos de potencia para submarinos convencionales, tal es

el caso del submarino francs Scorpene. Otras aplicaciones del mbito naval pueden ser

generadores de energa elctrica, que a iguales potencias reducen notablemente el volumen de

los generadores actuales.

Motores PM como Motor Propulsor.

Ventajas de su empleo.

No son necesarios los devanados del rotor, puesto que el flujo es creado por imanes.

La eficiencia del motor es mayor que en un motor sincrnico, de induccin o de corriente

continua a igual potencia, puesto que las prdidas del rotor vienen a ser muy bajas al no

contar con devanado de campo.

La refrigeracin del motor se simplifica, puesto que no se requiere de enfriamiento del

rotor. El rango de operacin del estator puede ser aumentado debido a la reduccin de las

prdidas totales y al aumento de la eficiencia del agua de refrigeracin.


42

Es posible construir motores con dimetros mayores que permitan desarrollar torques

altos a bajas RPM sin considerar un aumento de peso, situacin inversa a lo que sucedera

en una mquina sincrnica convencional con devanado de campo. La obtencin de bajas

RPM es especialmente importante para aquellas donde se quiera disminuir los efectos de

la cavitacin de la hlice.

Desventajas.

El motor alimentado de una fuente DC, requiere imperiosamente de un dispositivo inversor,

ya que su operacin sincrnica requiere de excitacin alterna. Esto hace que se dependa de

una gran cantidad de componentes de electrnica de potencia, los que deben cumplir con los

requerimientos de potencia exigidos. Un alto nmero de elementos aumenta

significativamente la tasa de fallas.

La inversin de corriente continua a alterna implica necesariamente la introduccin de un alto

contenido armnico en la seal elctrica de excitacin, las que por su naturaleza no son

deseables y altamente perjudiciales en la conversin de energa, eficiencia y calidad de

servicio. Las armnicas generan torques parsitos y ruidos perfectamente detectables y

audibles. Por lo anterior se debe establecer las tcnicas de control, objeto minimizar los

efectos perjudiciales.

La prdida del flujo de los imanes es algo factible. Se debe guardar especial atencin con las

temperaturas de servicio del motor, como tambin determinar los puntos de operacin en las

caractersticas B-H para los imanes para evitar la desmagnetizacin que de ocurrir sera

irreversible.

Debe contar con dispositivos sensores de realimentacin y de proteccin tanto para la

operacin normal como para las eventuales fallas a las que podra enfrentar, especialmente la

falla de cortocircuito de una fase.

Criterios Bsicos Motor PM.

Los criterios a usar en el diseo de un motor PM se pueden resumir en:

1. Simetra Electromagntica.

Con el objeto de no proporcionar modulaciones en las inductancias de los devanados del

estator debido a la posicin angular del rotor, de tal manera de minimizar las posibles

pulsaciones del torque de salida. En otras palabras se debe construir un rotor lo ms

cercano al diseo terico perfecto.

2. Gran Nmero de Polos.

Tiene relacin con la reduccin de peso y tamao del motor.


43

3. Alto Nmero de Fases.

Interesa tener un gran nmero de fases por dos razones, estas son:

Fuerte reduccin de las armnicas espaciales debido a las formas de ondas y la

conversin de potencia, y su correspondiente consecuencia en las vibraciones del

motor.

Reduccin de la potencia de cada fase, optimizando el funcionamiento de los

inversores, utilizacin de una alta frecuencia de conmutacin reduciendo el

contenido armnico, ruido y vibraciones.

Ventajas motor PM versus motor DC.

Las ventajas comparativas entre un motor PM versus un motor DC pueden ser resumidas en los

siguientes aspectos:

Gran ajustabilidad sobre el 100% de la velocidad nominal, tanto avante como dando atrs.

No existe ningn cambio en la configuracin de los bancos de bateras como es en el caso

de los motores DC, evitando el ruido de los contactores que esto implica.

Mayor eficiencia.

Menor peso y tamao para una misma potencia instalada (alrededor de un 50%).

Alta redundancia interna.

Sistemas de control de conmutacin que pueden ser alojados en reas pequeas.

Mejoramiento de la maniobrabilidad.

Menor mantenimiento.

Reduccin de peaks de torque.

Sistemas simplificados de operacin.

Facilidad para remover el calor generado por las prdidas debido a las corrientes del

estator.

El punto ms notable en cuanto a la eficiencia del motor PM son las prdidas debido a la

excitacin de campo y el enfriamiento, que en comparacin con el resto de los motores

actualmente usados en la propulsin de buques. Adems debe observarse que el peso y tamao

de los motores PM es sustancialmente menor por lo que las ventajas de este tipo de motor en

estos aspectos es algo relevante y categrico.

Experiencias navales actuales de Motor PM como Motor Propulsor.

Son tres las aplicaciones navales ms recientes de motores PM como motores utilizados en la

propulsin principal de buques, tanto de superficie como submarinos. Los pases que llevan la

delantera son principalmente Francia, Alemania y tambin Estados Unidos. Quizs esta sea una de

las mejores evidencias de que el motor PM si tendr en el futuro mayor aplicacin.

1. Buque armada alemana Schwedeneck.


44

Actualmente se encuentra en servicio un motor sincrnico de imanes permanentes a bordo del

buque multipropsito de la Armada alemana Schwedeneck. El sistema de propulsin del

Schwedeneck est constituido por el motor "Permasyn" de la empresa Siemens, el cual est

alimentado por un sistema de potencia a bordo de 1.1 MW a 230 RPM desde 660 V, 60 Hz. Son

dos los convertidores independientes de 6 pulsos que alimentan a dos circuitos independientes de

corriente continua. El devanado del estator consiste en 6 fases las cuales son alimentadas

independientemente por un inversor modulador de ancho de pulso (PWM). La mayor ventaja de

este concepto de propulsin y las positivas experiencias obtenidas a bordo del Schwedeneck, han

tenido por consecuencia que la Marina alemana decida la incorporacin de este tipo de motor

como sistema de propulsin en los desarrollos de sus nuevas unidades submarinas.

2. Destructor "DD-21" Armada de Estados Unidos.

La Armada de Estados Unidos se encuentra en un perodo de reestructuracin de la flota de

superficie y submarina. Las alternativas tecnolgicas han permitido la incorporacin de nuevos

dispositivos competitivos, como por ejemplo, la elctrica. En los ltimos aos se ha venido

terminando la fase de diseo de un nuevo tipo de destructor de flota que se ha denominado como

DD- 21. Las caractersticas del nuevo destructor son las siguientes:

Reduccin de costos en combustible por aproximadamente 100 millones de dlares a lo

largo de la vida de cada buque.

Reduccin en un 24% del volumen de la maquinaria.

Gran aumento de los rangos de operacin.

Incorporacin de tecnologa Stealth.

La clave del xito de este destructor consiste en la disminucin de los costos de operacin del

buque, adems de una avanzada tecnologa, logrndose sistemas modulares. Los motores PM

ofrecen una alta densidad de potencia, peso ms ligero, menor costo de mantenimiento y de

operacin. Los dispositivos de electrnica de potencia hacen posible el uso militar de los motores

PM, lo que justifica plenamente su incorporacin como alternativa real de solucin para el

problema de propulsin de las futuras unidades de superficie como tambin de las submarinas. La

eficiencia de los sistemas de propulsin elctricas son comparables a los sistemas mecnicos, sin

embargo la ventaja del primero radica en los bajos costos de mantencin y en la versatilidad que

presenta un sistema elctrico frente a uno de propulsin mecnico.

3. Submarino Scorpene.

Sin duda alguna que este tipo de motores sern en el futuro una alternativa eficiente y razonable

para la solucin del problema de la propulsin tanto de buques de superficie como submarinos. El

motor del submarino Scorpene ha sido desarrollado por la empresa francesa Jeumont-Schneider,


45

la que tiene una vasta experiencia en fabricacin y diseo de motores y dispositivos elctricos. Si

bien es cierto an no se ha construido el motor definitivo para el submarino, se ha logrado

desarrollar un prototipo de 1,8 KW, siendo catalogadas las pruebas iniciales como exitosas y muy

alentadoras. El motor del submarino Scorpene tiene un alto desarrollo tecnolgico, aplicando

todas las alternativas actuales de electrnica de potencia.52

Generadores sncronos multipolares con imanes

permanentes.

Otra aplicacin relacionada son los generadores elicos, en el que el aumento de la eficiencia a

largo plazo hace que sea redituable la instalacin de generadores de alto rendimiento de mayor

costo.53

Durante la ltima dcada la tecnologa asociada a la industria elica ha evolucionado

enormemente mejorando la calidad de la energa elctrica entregada a las redes interconectadas,

aumentando la confiabilidad de los sistemas de generacin, y reduciendo el costo de cada kWh. El

parque elico mundial instalado ha crecido a una tasa promedio del 27% anual durante los ltimos

10 anos. Muchos pases ya tienen importantes industrias elicas que producen y exportan

equipamiento, prestan servicios o generan electricidad a partir del viento.

En lo que respecta a los generadores impulsados por turbinas elicas, las mquinas de imanes

permanentes estn siendo utilizadas cada vez en mayor medida y para potencias ms grandes.

Esto es debido principalmente al desarrollo reciente de imanes de alta energa, como por ejemplo

los de Neodimio-Hierro-Boro (Nd-Fe-B) o Samario-Cobalto (Sm-Co).

Las Maquinas Sincrnicas de Imanes Permanentes (MSIP) poseen, en general, un alto rendimiento

y una alta densidad de potencia. Estas mquinas pueden construirse con un elevado nmero de

polos para trabajar a baja velocidad, en sistemas donde es necesario el acoplamiento directo (sin

caja reductora) para operar a velocidades reducidas. Por estas razones, este tipo de mquinas es

altamente utilizado en sistemas de generacin elica de pequea potencia54

En aerogeneradores de pequea potencia (hasta 12 kW) se utilizan mayormente generadores

sncronos 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 est utilizando cada vez ms en aerogeneradores de gran potencia debido a lo

reducido de su peso y volumen al utilizar imanes de alto magnetismo

52

Motor de imanes permanentes como propulsor naval 53

High-performance motors dispense with expensive rare-earth magnets _ Engineer Live1 54

Estrategias de control de torque en generadores de imanes permanentes para turbinas elicas


46

En ste tipo de generadores la tensin de salida depende nicamente de la velocidad de giro del

rotor, al no poder variar la corriente de excitacin del circuito inductor. Para una determinada

velocidad de rotacin el generador se saturar. Ver caracterstica de vaco.

Caracterstica voltaje-Velocidad de rotacin de un generador de imanes permanentes de 24 voltios

(caracterstica de vaco).

Existen distintas topologas de generadores de imanes permanentes. La mayor diferencia estriba

en el camino de flujo magntico. Este puede ser radial (normalmente en generadores de pequea

potencia) o axial.


47

Los imanes giraran frente a las bobinas que componen los distintos polos e inducirn una fuerza

electromotriz de frecuencia variable. El imn tender a alinearse con el polo, evitando cualquier

variacin de posicin.

El cambio de alineacin entre el polo y el imn provocara un par senoidal que depender de la

geometra y de las propiedades del material. Este par, denominado de reluctancia no es deseado.

Generadores de imanes permanentes de flujo radial

Aerogenerador con generador sncrono de imanes permanentes de flujo radial de 660 kW de

potencia (GENESYS) y axial de 750 kW (JEUMON J48)

Es tpico ver generadores de imanes permanentes de dos, de tres y de hasta seis o ms fases.

Sin embargo el nmero de imanes es mucho ms flexible, desde 2 a 30 en generadores de

pequea potencia, debido a su geometra y de hasta 90 imanes en generadores de gran

potencia. Hay que tener en cuenta que un mayor nmero de imanes ofrece un mayor par para


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el mismo nivel de corriente. Por otro lado, un mayor nmero de imanes implica un menor sitio

para implementarlo. El nmero ideal de imanes depender de la geometra del generador y de

las propiedades de los materiales utilizados.

Se puede establecer una relacin entre el par de un generador de imanes permanentes y la

geometra de ste a travs de la siguiente frmula:

T = k D2L

Siendo:

T: Par [Nm], k : Constante, D: Dimetro del rotor [m], L: Longitud axial del rotor [m]55

Generadores Elicos de la marca Alfasolar (Uruguay)

Generadores Elicos de 600 watts de potencia. Modelo GEH-600-DR desconectado de la red.

Ventajas de este producto:

Equipado con rulemanes sellados de marcas reconocidas.

A prueba de agua.

Eficiente diseo aerodinmico.

Alta resistencia, aleacin de aluminio resistente a la corrosin.

Imn permanente de material de Neodimio- Hierro-Boro.

Bajo nivel de ruido.

55

Sistemas de generacin elctrica para aerogeneradores


49

Calidad garantida

Dos aos de garanta.

Las ms altas normas de calidad (ISO9001).

Amplio rango de tolerancia de temperatura (-20C a 65C)

Alta resistencia a la salinidad, polvo y arena.

Gran resistencia al viento y alta velocidad de supervivencia.

Materiales y componentes de alta durabilidad

Caractersticas principales

Baja velocidad de viento para el arranque. Solamente 3 m/s.

Gran rango de utilizacin de velocidad del viento: 3m/s a 20m/s.

Valor Cp de 0,43.

Sistema totalmente automtico

Configuracin del sistema

Solamente en sistemas autnomos desconectados de la red elctrica.

Elico puro.

Hbrido solar y elico.

Especificaciones Tcnicas y curva de respuesta56

Generador Elico de 5 kW. Modelo GEH-5000.

56

Catalogo Alfasolar


50

Ventajas de este producto:

Equipado con rulemanes sellados SKF-6208 suecos o NSK japoneses.

A prueba de agua.

Eficiente diseo aerodinmico.

Alta resistencia, aleacin de aluminio resistente a la corrosin.

Imn permanente de material de Neodimio- Hierro-Boro.

Bajo nivel de ruido.

Dos modelos, una o dos colas.

Calidad garantida:

Dos aos de garanta.

Las ms altas normas de calidad (ISO9001).

Amplio rango de tolerancia de temperatura (-20C a 65C).

Alta resistencia a la salinidad, polvo y arena.

Gran resistencia al viento y alta velocidad de supervivencia.

Materiales y componentes de alta durabilidad.

Caractersticas principales:

Baja velocidad de viento para el arranque. Solamente 3 m/s.

Gran rango de utilizacin de velocidad del viento: 3m/s a 20m/s.

Valor Cp de 0,43.

Sistema totalmente automtico.


51

Especificaciones tcnicas y curva de respuesta57

Servomotores brushless de imn permanente

Un Servomotor podra definirse genricamente como un motor utilizado para obtener una

salida precisa y exacta en funcin del tiempo. Dicha salida esta expresada habitualmente en

trminos de posicin, velocidad y/o torque. Si bien existen diferentes tecnologas de motores que

pueden ser utilizadas como servomotor, trataremos solo los servomotores brushless a imn

permanente.

La aplicacin industrial de dichos motores est desarrollndose significativamente por

mltiples razones entre las que podemos mencionar: nuevos y ms potentes componentes

magnticos para los motores como los imanes de tierras raras, reduccin de costo de los motores

y los equipos electrnicos necesarios para el control de los mismos, incorporacin en dichos

equipos electrnicos de nuevas funciones para un control preciso y confiable del movimiento que

permiten utilizarlos eficientemente e incorporar nuevas reas a su dominio de aplicacin.

57

Catalogo Alfasolar


52

Esencialmente un motor brushless a imn permanente es una maquina sincrnica con la

frecuencia de alimentacin, 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.

La denominacin brushless deviene del hecho de que no posee escobillas y es una forma de

diferenciarlo de sus predecesores los servomotores a imn permanente alimentados con corriente

continua. En comparacin con motores asncronos a jaula de ardillas (que eroguen el mismo

torque /velocidad en su eje) la inercia de un servomotor brushless es sustancialmente menor.

Ambas caractersticas: sobre torques importantes e inercias reducidas son caractersticas

apreciadas y tiles para el control del movimiento pues permiten rpidas aceleraciones y

deceleraciones as como control preciso de posicin en altas velocidades.

Constructivamente el servomotor brushless posee un estator parecido al de un motor de

jaula con un ncleo laminado y un bobinado trifsico uniformemente distribuido. El rotor est

constituido por un g

Imanes permanentes de tierras raras

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