Tanto el samario-cobalto como el neodimio-hierro-boro son materiales metálicos. Debido a su excelente conductividad, su resistividad es muy baja. Esto no es ideal para maquinaria rotativa como los motores eléctricos, ya que introduce pérdidas por corrientes parásitas, lo que provoca su calentamiento, incluidos los imanes. Por lo tanto, los diseñadores de imanes y motores deben tener en cuenta las pérdidas por corrientes parásitas en maquinaria rotativa. Hoy exploraremos qué son las pérdidas por corrientes parásitas en los imanes y cómo evitarlas.
Para comprender y reducir las pérdidas por corrientes de Foucault, primero debemos comprender cómo se producen. Esto requiere introducir el concepto de efecto pelicular.
Efecto pelicular (o efecto de concentración pelicular): Cuando la corriente alterna circula por un conductor, la distribución de la densidad de corriente a lo largo de su sección transversal es desigual. A medida que aumenta la frecuencia de la corriente, esta se concentra cada vez más en la superficie conductora, mientras que la corriente en el interior del conductor disminuye. Este fenómeno se denomina efecto pelicular. Cuanto mayor sea la frecuencia, más intenso será el efecto pelicular.
La causa del efecto pelicular son las corrientes parásitas. Según la ley de inducción electromagnética, un campo eléctrico alterno genera un campo magnético alterno. Cuando la corriente alterna pasa por un conductor, se genera un campo magnético alterno dentro y alrededor del conductor, lo que induce corrientes parásitas en un patrón de vórtice en su interior.
Cuanto más cerca del centro del conductor, mayor es la fuerza electromotriz inducida (FEM) generada por el campo magnético alterno en su interior. Cuanto más intensa sea la corriente de Foucault, mayor será su oposición a la corriente original, lo que resulta en una menor densidad de corriente cerca del centro del conductor y una mayor cerca de la superficie.
Dado que la FEM inducida aumenta con la frecuencia, el efecto pelicular también se acentúa con el aumento de la frecuencia. Cuando una corriente de alta frecuencia pasa por un conductor, se puede suponer que la corriente fluye únicamente a través de una capa muy fina en su superficie. Esto equivale a una sección transversal reducida del conductor, lo que disminuye significativamente la tasa de utilización efectiva del material conductor.
Pérdida por corrientes de Foucault: Debido a la baja resistividad de los imanes permanentes de samario-cobalto y neodimio-hierro-boro, las corrientes de Foucault en campos eléctricos alternos suelen ser bastante elevadas. Debido al efecto térmico de la corriente, las corrientes de Foucault provocan el calentamiento del imán, y las temperaturas excesivamente altas pueden provocar la desmagnetización térmica.
La magnitud de las pérdidas por corrientes parásitas está relacionada con factores como la variación del campo magnético, el movimiento y la geometría del conductor, así como su permeabilidad y conductividad. En maquinaria rotatoria, una mayor velocidad de rotación (equivalente a la frecuencia) y una mayor permeabilidad, junto con una menor resistividad, resultan en una menor profundidad de la piel y mayores pérdidas. En vehículos eléctricos, ascensores y otros campos, los motores de imanes permanentes suelen controlarse mediante inversores de potencia para el control de velocidad. La presencia de armónicos de alto orden en la frecuencia portadora también aumenta las pérdidas por corrientes parásitas en el imán y provoca desmagnetización térmica.
Reducción de las pérdidas por corrientes de Foucault en imanes de NdFeB sinterizados mediante el aumento de la resistividad
Desde la perspectiva del diseño de motores, se han propuesto varios métodos técnicos para reducir las pérdidas por corrientes parásitas en maquinaria rotatoria que utiliza imanes permanentes, como pilares de protección alrededor del imán, imanes segmentados e imanes con aislamiento lateral.
Desde la perspectiva del propio imán, uno de los métodos más eficaces para reducir las pérdidas por corrientes parásitas en los motores es el uso de imanes ligados. La presencia del aglutinante y su elevada fracción volumétrica hacen que la resistividad de los imanes ligados sea de 10² a 10⁴ veces mayor que la de los imanes sinterizados. Sin embargo, esto limita significativamente la potencia y la temperatura máxima de funcionamiento del motor. Por lo tanto, el método más directo es aumentar la resistividad del propio imán sinterizado.
Existen diversos métodos para aumentar la resistividad de los imanes sinterizados, como la adición de polvos de alta resistividad (Al₂O₃, etc.) o el recubrimiento con SiO₂. Sin embargo, estos métodos afectarán en cierta medida las propiedades magnéticas del imán sinterizado. Por lo tanto, es necesario encontrar un equilibrio entre la resistividad y las propiedades magnéticas durante el desarrollo del imán.