¡Estamos hablando de motores de flujo axial! Esta nueva tecnología es cada vez más importante en el sector de la movilidad eléctrica. ¿Quieres saber más al respecto? En este artículo explicaremos cómo funciona, cuáles son sus aplicaciones, quién los fabrica y mucho más. ¡No te pierdas esta información!
¿Qué es un motor de flujo axial?
Los motores son mecanismos que transforman energía motriz en energía mecánica. Están divididos en dos categorías en función de la dirección del campo magnético, que se genera con bobinados e imanes: los motores de flujo axial y los motores de flujo radial. Los motores de flujo axial tienen el rotor y el estator separados y el flujo magnético entre ambos es paralelo al eje de rotación. Estos motores se han usado en muchas aplicaciones como ascensores, maquinaria agrícola, motocicletas eléctricas, vagones de aeropuerto, furgonetas, coches eléctricos e incluso aviones. Los motores de flujo radial han sido objeto de desarrollo para mejorar su peso y coste, pero cambiar a un tipo de máquina completamente diferente como los de flujo axial también puede ser una buena opción.
Los motores de imanes permanentes de flujo axial generalmente ofrecen una mayor relación entre potencia del motor y par que los motores radiales, ya que la superficie del imán activo es la superficie del rotor del motor, no el diámetro exterior. Esto hace que el rotor axial sea más compacto, con una longitud axial considerablemente menor, lo que suele ser un factor importante para su uso como motor con ruedas acopladas. Esta estructura delgada y ligera proporciona un motor con mayor densidad de potencia y par que los motores radiales sin requerir velocidades extremadamente altas.
Además, los motores de flujo axial pueden ser muy eficientes, con rendimientos que suelen superar el 96%. Esto se traduce en trayectorias de flujo unidimensionales más cortas, comparables o mejores que las mejores máquinas de flujo radial 2D del mercado. Estos motores son más cortos, generalmente de 5 a 8 veces, y pueden ser de 2 a 5 veces más ligeros. Estos dos factores afectan las opciones para los diseñadores de plataformas de vehículos eléctricos. Existen dos tecnologías principales de motores de flujo axial, la de doble rotor y estator simple, a veces denominada máquina de tipo toroide, y la de rotor simple y estator doble. El circuito de flujo magnético comienza en el imán permanente del rotor, viaja a través del primer diente del estator y luego se extiende radialmente a lo largo del estator.
Motor radial vs motor axial
Para los motores de flujo axial, el recorrido de la corriente es mucho más corto que en los motores de flujo radial, lo que permite la construcción de motores más pequeños con la misma potencia y mayor densidad de potencia y eficiencia. El acero eléctrico de grano orientado se usa en estas máquinas para facilitar el paso del fundente, lo que mejora la eficacia. Sin embargo, existen algunos desafíos en el diseño, desarrollo y fabricación de los motores de flujo axial, lo que hace que sean significativamente más caros que sus contrapartes radiales. Los motores radiales tienen una ventaja en este sentido, ya que se conocen bien y los métodos de producción y las máquinas están fácilmente disponibles.
Los motores axiales presentan un desafío mayor que los motores radiales al tener que mantener un entrehierro uniforme entre el rotor y el estator, debido a las mayores fuerzas magnéticas. Estos motores también presentan problemas térmicos, ya que los devanados se encuentran en la profundidad del estator y entre los dos discos del rotor. Esto dificulta la disipación del calor. La fabricación del motor axial también es complicada porque eliminar el yugo significa medir el diámetro y el magnetismo de la máquina, además de ajustar y colocar cada diente. La eliminación de calor también es un reto mayor.
Además, la fabricación del rotor y el mantenimiento de las tolerancias requeridas en el entrehierro son difíciles debido a las fuerzas de tracción entre los discos del rotor. Los motores de doble estator de un solo rotor no tienen los mismos desafíos, pero tienen diseños de estatores mucho más complejos y difíciles de automatizar. La fabricación y las máquinas para construir este tipo de motores también estaban ausentes. El control estricto de las tolerancias de fabricación de los principales componentes es difícil y da lugar a un diseño de estator más complejo, disminuyendo la producción automatizada y volumétrica, aumentando los costos de fabricación del motor.
¿Quién fabrica los motores de flujo axial y qué pasa con la eficiencia del flujo?
JASA es un fabricante británico de motores eléctricos y controles de motor especializado en motores de flujo axial. Fue fundada en 2009 por el Dr. Tim Wilmer, director de tecnología, que tiene varias patentes relacionadas con la propulsión. En 2021, JASA se convirtió en una filial de Mercedes-Benz y suministra motores eléctricos para AMG. Para una mayor eficiencia, el acero orientado al grano no puede usarse con motores de flujo radial, ya que el flujo sigue una trayectoria no lineal en 2D. Sin embargo, con la topología de flujo axial sin yugo, el grano del acero está orientado en la misma dirección que la trayectoria del flujo, permitiendo un acero eléctrico de grano más eficiente para el núcleo. Para mejorar aún más el rendimiento del motor axial, se pueden apilar varios motores en un contenedor refrigerado por agua, lo que proporciona flexibilidad en el diseño de las aplicaciones y técnicas de producción estandarizadas.
Los motores de accionamiento directo sin engranajes son una parte importante de las aplicaciones de movilidad electrónica. Estos motores son similares a un motor axial, que genera un par a 0 rpm. El diseño de las ruedas está optimizado para velocidades más bajas, por lo general entre 400 y 2.000 rpm. Esto significa que solo los componentes activos, como el estator y los dos rotores, deben ser integrados en los diseños de IEM. Al mismo tiempo, una menor potencia del motor permite un diseño de cadena cinemática compacto para vehículos eléctricos como autos y bicicletas.
Los motores axiales también se utilizan en aplicaciones híbridas por su menor longitud axial. Estos motores permiten transmitir la potencia directamente de los motores a las ruedas, aumentando la eficiencia del motor. Además, la densidad de potencia de los motores axiales es mayor, por lo que pueden utilizarse motores más pequeños que los radiales. Esto ofrece nuevas opciones de diseño para la plataforma del vehículo, como la ubicación de la batería. Los diseños de motores axiales de corriente alterna también se desarrollaron para motocicletas y cuatriciclos eléctricos, y se construyeron desde cero para la producción en serie.
En la transición de corriente directa (corriente continua) a corriente alterna, las bobinas estacionarias y los rotores dobles con imanes permanentes sin válvulas giratorias se han incorporado en el diseño. Esto elimina la necesidad de un desplazamiento mecánico. El control trifásico estándar para el motor radial se puede usar en la versión axial, lo que ayuda a reducir los costes. El controlador funciona mejor con una frecuencia de al menos 12 kHz, que es la frecuencia básica del dispositivo.
El reto de cargar una motocicleta eléctrica de forma rápida y sencilla se puede solucionar con el motor de flujo axial, que se puede integrar con la batería en el basculante y atornillar al cuadro de la moto para facilitar el mantenimiento y la sustitución. Las variantes sin yugo de este motor de flujo axial pueden tener una mayor cuota de mercado en el futuro. Empresas como Traxial están trabajando para mostrar los beneficios de esta tecnología y prepararla para la producción en masa. Debido a sus claras ventajas, la lógica comercial de esta tecnología es más sólida que la de los motores de flujo radial tradicionales.
