Oltre le terre rare

Progettazione, prototipazione e test di motori elettrici ad alte prestazioni utilizzando magneti in nitruro di ferro privi di terre rare

Fino a pochi anni fa, il termine terre rare era praticamente sconosciuto al di fuori degli ambiti specialistici. Oggi, invece, è diventato centrale nelle discussioni globali che riguardano industria, tecnologia e geopolitica.

Gli elementi delle terre rare, in particolare gli elementi pesanti delle terre rare (HREEs), svolgono un ruolo fondamentale nella progettazione dei moderni motori elettrici.

Cinque elementi sono particolarmente importanti:

• Neodimio (Nd)
• Samario (Sm)
• Disprosio (Dy)
• Terbio (Tb)
• Olmio (Ho)

Negli ultimi quarant’anni, questi materiali sono stati determinanti nell’evoluzione dei motori elettrici ad alte prestazioni.

Dai materiali convenzionali ai magneti avanzati

Negli anni ’60, i motori elettrici venivano realizzati utilizzando materiali ampiamente disponibili come ferro, rame e alluminio, con un impiego limitato di magneti in ferrite. In quel periodo, la densità di potenza era limitata a circa 100–200 kW per tonnellata.

Il primo grande salto tecnologico arrivò con l’introduzione dei magneti al Samario Cobalto (SmCo), che offrivano una densità energetica fino a dieci volte superiore rispetto alle soluzioni precedenti.

Un secondo importante progresso seguì negli anni ’80 con lo sviluppo dei magneti al Neodimio Ferro Boro (NdFeB), che consentirono ulteriori incrementi delle prestazioni. Questa innovazione aumentò drasticamente la densità di potenza dei motori fino a diverse migliaia di kW per tonnellata, riducendo al contempo dimensioni, peso e consumo di materiali.

Il ruolo degli elementi pesanti delle terre rare

Ulteriori miglioramenti delle prestazioni furono ottenuti grazie all’aggiunta di HREEs come Disprosio, Terbio e Olmio. Questo permise di superare i 5.000 kW per tonnellata di densità di potenza, rendendo possibili sistemi estremamente compatti e potenti.

Di conseguenza, i motori sincroni a magneti permanenti (PMSM) conquistarono rapidamente quote di mercato, in particolare nei settori automotive e robotica, sostituendo progressivamente i tradizionali motori a induzione in molte applicazioni industriali.

L’approccio di Spin: soluzioni senza terre rare

Da oltre 25 anni, Spin lavora per ridurre la dipendenza dai materiali a base di terre rare.

L’azienda ha sviluppato una gamma completa di motori sincroni a riluttanza completamente privi di magneti permanenti, attualmente destinati ad applicazioni da 2 kW a 31 kW, con ulteriori sviluppi in corso fino a 100 kW.

Magneti in nitruro di ferro: un’alternativa sostenibile

Per integrare questo approccio, Spin ha collaborato con Niron Magnetics per esplorare la nuova generazione di magneti: i magneti in nitruro di ferro privi di terre rare.

I magneti in nitruro di ferro sono realizzati con materiali ampiamente disponibili e non richiedono terre rare né minerali critici.

Sebbene il loro prodotto energetico (BHmax) sia inferiore rispetto ai tradizionali magneti NdFeB a temperatura ambiente, questo parametro da solo non determina le reali prestazioni del motore.

I magneti NdFeB, infatti, subiscono un degrado significativo alle alte temperature, mentre i magneti in nitruro di ferro mantengono più stabili le proprie caratteristiche prestazionali.

Questo riduce il divario prestazionale nelle reali condizioni operative.

Strategia di progettazione, ottimizzazione, concept e validazione

Spin ha adottato una metodologia di progettazione completa focalizzata su:

• prestazioni magnetiche
• efficienza elettrica
• comportamento termico
• robustezza meccanica

L’azienda supporta l’intero processo di sviluppo, inclusi:

• valutazione e test dei magneti
• progettazione e ottimizzazione del motore
• realizzazione dei prototipi
• validazione sperimentale

Tutte le attività di test vengono svolte presso il laboratorio Spin di Ravenna, garantendo il pieno controllo della verifica delle prestazioni.

Motori elettrici con magneti in nitruro di ferro

I magneti in nitruro di ferro di Niron Magnetics rappresentano un passo promettente verso tecnologie per motori elettrici sostenibili, resilienti e ad alte prestazioni.

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