Laminado de acero frente a polvo magnético blando: ¿qué es mejor para el material del núcleo de su motor eléctrico?

En particular, con qué material fabricamos sus núcleos. Seleccionar el material ideal para el núcleo de un motor eléctrico es una oferta realmente importante. Puede cambiar lo bien que funciona el motor, cuánta potencia utiliza e incluso cuánto cuesta fabricarlo. Durante mucho tiempo, el laminado de acero ha sido el rey. Y ahora, hay un jugador más: el polvo magnético blando, normalmente llamado compuesto magnético blando (SMC). Analizaremos el laminado frente al polvo para el diseño de su motor. Veremos cuál puede proporcionarle una mayor eficiencia u otras ventajas. Entremos en esta elección de material convencional frente a material nuevo.

¿De qué hablamos exactamente cuando hablamos de materiales para núcleos de motores eléctricos?

Cuando hablamos de un motor eléctrico, hay una parte clave en su interior llamada núcleo. Este núcleo es extremadamente esencial porque ayuda a conducir los campos electromagnéticos. Estos campos son los que hacen que el motor gire y realice su trabajo. El material que elegimos para este núcleo marca una gran diferencia en la eficiencia del motor. Durante años, la principal opción ha sido el acero, concretamente finas láminas de acero eléctrico apiladas. Esto es lo que llamamos una pila de laminación.

Actualmente, disponemos de otras opciones. Una alternativa interesante es utilizar un polvo especial. No se trata de un polvo metálico cualquiera, sino de un polvo magnético blando. Estos polvos pertenecen a un grupo denominado productos compuestos magnéticos blandos (SMC). La elección de uno u otro material para el núcleo del motor eléctrico puede afectar a todos los aspectos, desde el tamaño del motor hasta su eficiencia. Es una decisión muy importante en el proceso de diseño.

¿Por qué es tan importante el material del núcleo del motor para su eficiencia?

Te preguntarás: "¿Por qué preocuparse tanto por este elemento?". Pues bien, el material del núcleo afecta directamente a la cantidad de energía que gasta su motor eléctrico. Cuando un motor funciona, parte de la energía se pierde en forma de calor en el núcleo. A esto lo llamamos "pérdidas en el núcleo". Un buen material para el núcleo reducirá sin duda estas pérdidas. Esto significa que una mayor parte de la energía eléctrica que entra en el motor se utiliza para realizar un trabajo real. Esto hace que el motor sea más fiable.

Una mayor eficiencia es un gran negocio. Para un vehículo eléctrico, significa muchos más kilómetros con una sola carga. Para las máquinas de fábrica, implica menores costes de energía. El mejor material puede dar lugar a un motor que funcione más frío, dure mucho más y ofrezca un rendimiento mucho mejor. Por lo tanto, elegir el mejor material de núcleo es un paso esencial para maximizar cualquier tipo de diseño de motor eléctrico. Le pedimos que compruebe las propiedades de cada material para ver en qué le ayuda.

Laminación de acero: ¿Sigue siendo este material tradicional una buena elección?

Durante muchos años, laminado de acero ha sido la necesidad de núcleos de motores eléctricos. El funcionamiento es bastante brillante. Tomamos láminas muy finas de acero eléctrico especial. Cada lámina se recubre con una fina capa aislante. Después, estampamos las formas que necesitamos para el núcleo del motor y las apilamos. Esta pila se llama pila de laminación o núcleo laminado.

La principal razón por la que utilizamos laminaciones finas es para luchar contra algo llamado pérdida por corrientes parásitas. Se trata de pequeñas corrientes eléctricas arremolinadas que pueden aparecer en el material del núcleo cuando se encuentra en un campo magnético en transformación. Estas corrientes generan calor y desperdician energía. Al hacer que las láminas de acero sean delgadas y estén protegidas unas de otras, disminuimos estas pérdidas. El acero laminado ofrece un buen rendimiento magnético y bajas pérdidas de flujo, especialmente para aplicaciones que funcionan a frecuencias más bajas, como 50 ó 60 Hz. Es un material probado que comprendemos con eficacia.

Polvo de compuesto magnético blando (SMC): ¿de qué va este novato?

Hablemos ahora del compuesto magnético blando, o SMC. Existen varios medios para fabricar el núcleo de un motor. En lugar de apilar láminas de acero, utilizamos un polvo metálico único. Cada trocito de este polvo se cubre con un aislante eléctrico. Después, este polvo se empuja hasta darle la forma exacta necesaria para el elemento del motor mediante un proceso llamado pulvimetalurgia. Esto puede suponer una gran ventaja.

Los SMR tienen una propiedad especial: son magnéticamente isótropos. Esto sugiere que pueden llevar el flujo magnético igual de bien en las tres dimensiones. Las laminaciones típicas son fantásticas para campos magnéticos que fluyen principalmente en dos dimensiones, a lo largo del plano de la laminación. Sin embargo, para diseños de motor complicados en los que los campos magnéticos deben fluir en todas direcciones, el material SMC puede ser mucho más adecuado. Esta capacidad abre nuevas posibilidades para el diseño de motores eléctricos y puede ayudar a reducir el peso total del motor.

¿Cómo cambia el proceso de diseño con la laminación frente al polvo?

El proceso de diseño de un motor eléctrico varía en función de si se elige acero laminado o polvo SMC. Con los laminados, el diseño se ve limitado en cierta medida por el hecho de que se están apilando formas 2D. Debe pensar exactamente cómo estampar estas formas con muy poco desperdicio de la chapa de acero y cómo se ensamblará la pila de laminación. El diseño interno debe tener en cuenta la dirección del flujo magnético.

Con el material SMC, se tiene mucha más libertad para desarrollar formas 3D complejas. Esto se debe al hecho de que básicamente se moldea el polvo para darle la forma final. Esto puede dar lugar a diseños de motores más compactos y, a menudo, a la integración de numerosas piezas en una sola pieza de SMC. Esto puede agilizar el montaje y reducir el número de piezas del sistema. Sin embargo, el diseño debe tener en cuenta además las características mecánicas y magnéticas detalladas del material SMC elegido. Se trata de un método diferente para considerar cómo funcionarán los imanes en el motor.

¿Pueden los SMC ayudar realmente a reducir las pérdidas en un sistema de motor eléctrico?

Una gran pregunta que recibo a menudo tiene que ver con la reducción de pérdidas. ¿Pueden los SMC contribuir realmente a aumentar la eficiencia de un motor eléctrico? La respuesta es: depende de la aplicación y de la frecuencia de funcionamiento. A bajas frecuencias, como los 60 Hz de muchos electrodomésticos, el acero laminado de alta calidad suele tener menos pérdidas en el núcleo que los SMC. Este es un factor importante para numerosos tipos de motores convencionales.

Sin embargo, a medida que los motores eléctricos se ven obligados a funcionar a velocidades y frecuencias más altas, especialmente en motores de tracción de vehículos eléctricos o husillos de alta velocidad, los SMC pueden empezar a revelar sus ventajas. Las pequeñas partículas de polvo protegidas de un material SMC son excelentes para reducir las pérdidas por corrientes parásitas a estas frecuencias más altas. Así pues, para determinadas aplicaciones de alta frecuencia, un diseño de SMC podría alcanzar una mayor eficiencia y rendimiento generales que un diseño de laminado tradicional. La investigación sigue avanzando en el campo de los SMC.

¿Es la pulvimetalurgia el camino hacia mejores elementos de motor?

La pulvimetalurgia (PM) es el proceso de fabricación que se utiliza para desarrollar piezas a partir de polvos metálicos, como las piezas SMC. Creo que la PM ofrece algunas oportunidades interesantes para fabricar componentes de motor mucho mejores. Una gran ventaja es la reducción de residuos. Cuando se estampan láminas a partir de una chapa de acero, suele sobrar mucho material. Con la pulvimetalurgia, se utiliza casi todo el material porque se empuja el polvo hasta darle la forma deseada. Esto puede reducir los costes.

Además, la pulvimetalurgia permite fabricar formas realmente complejas que sin duda serían difíciles o imposibles de realizar estampando y apilando laminaciones. Esto puede dar lugar a diseños de motor más optimizados, posiblemente motores más pequeños y ligeros con circuitos magnéticos distintos. Aunque la resistencia mecánica y la permeabilidad magnética (o menor densidad/mayor porosidad) de algunos productos SMC en comparación con el acero macizo, el avance de la tecnología PM y el crecimiento de los materiales SMC está cerrando ese espacio para numerosas aplicaciones, concretamente en el campo de la automoción para piezas de motores eléctricos.

Comparación del rendimiento magnético: Acero laminado frente a SMC: ¿quién gana?

Cuando comparamos el rendimiento magnético puro del acero de laminación frente a los SMC, no es fácil responder "uno es siempre mucho mejor". El acero de laminación ofrece normalmente una mayor permeabilidad magnética. Esto implica que puede transportar el flujo magnético más fácilmente que numerosos productos SMC. También suele tener una mayor inducción de saturación, lo que significa que puede soportar campos magnéticos más potentes antes de "saturarse". Esta es una gran ventaja para varios diseños de motor que necesitan un par elevado.

Sin embargo, los SMC destacan por su capacidad de transporte de flujo en 3D y su rendimiento a altas frecuencias. Aunque su permeabilidad puede ser menor, la capacidad de diseñar trayectorias de flujo complejas y la menor pérdida por corrientes parásitas a alta frecuencia pueden convertirlos en la mejor opción para determinadas aplicaciones de motores eléctricos. El rendimiento relativo depende en gran medida de los problemas de funcionamiento del motor y de los objetivos de diseño. Hay que tener en cuenta los datos de cada material y aplicación en particular.

¿Cómo podemos optimizar una pila de laminación de motores?

Incluso con el auge de los SMC, la tecnología tradicional de laminado de motores no se está estancando. Hay varias formas de optimizar una pila de laminación para mejorar el rendimiento de un motor eléctrico. Un aspecto esencial es la elección del acero de laminación. Existen numerosos grados de acero eléctricocada uno con propiedades y costes diferentes. La selección de la calidad adecuada para cada aplicación puede reducir considerablemente las pérdidas en el núcleo.

Otro factor es el grosor de las láminas. Las laminaciones más finas suelen reducir las pérdidas por corrientes de Foucault, pero también aumentan el coste de estampación y montaje, ya que se necesitan más. El diseño de la propia forma de la laminación también es fundamental para guiar el flujo magnético con eficacia y minimizar los entrehierros indeseables o las fugas de flujo. También hay que tener en cuenta el factor de apilamiento, es decir, lo apretadas que se cargan las láminas, y la calidad del aislamiento entre cada una de ellas. Todos estos detalles ayudan a obtener el máximo rendimiento de un diseño de motor basado en laminación.

Coste y fabricación: ¿Cuál es la ventaja de cada proceso material?

Por último, hablemos de costes y fabricación. Para la fabricación de grandes volúmenes de formas de motor sencillas, el laminado por estampación puede ser un proceso muy rentable, a pesar de tener algunos desperdicios de material. El material de acero en sí es relativamente barato, y el proceso de estampación es rápido. El montaje de la pila de laminación contribuye al coste, por supuesto. Se trata de una vía de fabricación fiable con muchas instalaciones existentes.

Los componentes SMC, utilizados mediante pulvimetalurgia, pueden ofrecer ahorros de costes de otras maneras. El material SMC en sí puede ser más caro por kilogramo que el acero laminado. Sin embargo, el proceso de PM puede generar piezas de forma neta o casi neta, lo que significa que se desperdicia muy poco material y se requieren menos pasos de acabado. En el caso de diseños complejos, el SMC puede reducir el número de componentes y agilizar el montaje, lo que se traduce en un menor coste global del sistema. El equipo necesario para compactar el polvo de SMC y el coste de las herramientas también son factores críticos. La mejor opción suele depender del diseño específico del motor, el volumen de producción y la aplicación prevista. La necesidad de este tipo de material es cada vez mayor.