En comparación con los motores de flujo radial, los motores de flujo axial ofrecen numerosas ventajas en el diseño de vehículos eléctricos. Por ejemplo, los motores de flujo axial pueden modificar el diseño del sistema de propulsión desplazando el motor del eje al interior de las ruedas.
1. Eje de poder
Motores de flujo axialEstán recibiendo cada vez más atención (ganando impulso). Durante muchos años, este tipo de motor se ha utilizado en aplicaciones estacionarias como ascensores y maquinaria agrícola, pero en la última década, muchos desarrolladores han trabajado para mejorar esta tecnología y aplicarla a motocicletas eléctricas, cápsulas aeroportuarias, camiones de carga, vehículos eléctricos e incluso aviones.
Los motores de flujo radial tradicionales utilizan imanes permanentes o motores de inducción, que han logrado avances significativos en la optimización del peso y el coste. Sin embargo, enfrentan numerosas dificultades para seguir desarrollándose. El flujo axial, un tipo de motor completamente diferente, puede ser una buena alternativa.
En comparación con los motores radiales, la superficie magnética efectiva de los motores de imanes permanentes de flujo axial corresponde a la superficie del rotor, no al diámetro exterior. Por lo tanto, para un volumen de motor determinado, los motores de imanes permanentes de flujo axial suelen proporcionar un mayor par.
Motores de flujo axialSon más compactos. En comparación con los motores radiales, su longitud axial es mucho menor. En el caso de los motores de rueda interna, este factor suele ser crucial. La estructura compacta de los motores axiales garantiza una mayor densidad de potencia y par que la de motores radiales similares, eliminando así la necesidad de velocidades de operación extremadamente altas.
La eficiencia de los motores de flujo axial también es muy alta, superando habitualmente el 96 %. Esto se debe a su trayectoria de flujo unidimensional más corta, comparable o incluso superior en eficiencia a la de los mejores motores de flujo radial 2D del mercado.
La longitud del motor es menor, generalmente de 5 a 8 veces menor, y el peso también se reduce de 2 a 5 veces. Estos dos factores han cambiado la elección de los diseñadores de plataformas para vehículos eléctricos.
2. Tecnología de flujo axial
Hay dos topologías principales paramotores de flujo axial:máquinas de rotor doble y estator único (a veces denominadas máquinas de estilo toroide) y máquinas de rotor único y estator único.
Actualmente, la mayoría de los motores de imanes permanentes utilizan una topología de flujo radial. El circuito de flujo magnético comienza con un imán permanente en el rotor, atraviesa el primer diente del estator y luego fluye radialmente a lo largo de este. Después, atraviesa el segundo diente para alcanzar el segundo acero magnético del rotor. En una topología de flujo axial con rotor dual, el bucle de flujo comienza en el primer imán, atraviesa axialmente los dientes del estator y llega inmediatamente al segundo imán.
Esto significa que el camino del flujo es mucho más corto que el de los motores de flujo radial, lo que da como resultado volúmenes de motor más pequeños, mayor densidad de potencia y eficiencia con la misma potencia.
Un motor radial, donde el flujo magnético pasa por el primer diente y luego regresa al siguiente a través del estator, alcanzando el imán. El flujo magnético sigue una trayectoria bidimensional.
La trayectoria del flujo magnético de una máquina de flujo magnético axial es unidimensional, por lo que se puede utilizar acero eléctrico de grano orientado. Este acero facilita el paso del flujo, mejorando así la eficiencia.
Los motores de flujo radial utilizan tradicionalmente devanados distribuidos, con hasta la mitad de sus extremos sin funcionar. El voladizo de la bobina genera mayor peso, coste, resistencia eléctrica y mayor pérdida de calor, lo que obliga a los diseñadores a mejorar el diseño del devanado.
Los extremos de la bobina demotores de flujo axialSon mucho menores, y algunos diseños utilizan devanados concentrados o segmentados, que son completamente efectivos. En las máquinas radiales con estator segmentado, la ruptura del flujo magnético en el estator puede generar pérdidas adicionales, pero en los motores de flujo axial, esto no representa un problema. El diseño del devanado es clave para distinguir el nivel de los proveedores.
3. Desarrollo
Los motores de flujo axial enfrentan serios desafíos de diseño y producción. A pesar de sus ventajas tecnológicas, sus costos son mucho mayores que los de los motores radiales. El conocimiento de los motores radiales es muy amplio, y los métodos de fabricación y los equipos mecánicos también son fáciles de conseguir.
Uno de los principales desafíos de los motores de flujo axial es mantener un entrehierro uniforme entre el rotor y el estator, ya que la fuerza magnética es mucho mayor que la de los motores radiales, lo que dificulta mantenerlo. El motor de flujo axial de doble rotor también presenta problemas de disipación de calor, ya que el devanado se encuentra en las profundidades del estator y entre los dos discos del rotor, lo que dificulta enormemente la disipación del calor.
Los motores de flujo axial también son difíciles de fabricar por diversas razones. La máquina de doble rotor con topología de yugos (es decir, eliminando el yugo de hierro del estator, pero conservando los dientes de hierro) soluciona algunos de estos problemas sin ampliar el diámetro ni el imán del motor.
Sin embargo, la retirada del yugo conlleva nuevos desafíos, como la fijación y la posición de los dientes individuales sin una conexión mecánica. El enfriamiento también supone un reto mayor.
También es difícil fabricar el rotor y mantener el entrehierro, ya que el disco del rotor atrae al rotor. La ventaja es que los discos del rotor están conectados directamente mediante un anillo de eje, por lo que las fuerzas se compensan entre sí. Esto significa que el rodamiento interno no soporta estas fuerzas, y su única función es mantener el estator en la posición intermedia entre los dos discos del rotor.
Los motores de rotor único con doble estator no presentan los mismos desafíos que los motores circulares, pero el diseño del estator es mucho más complejo y difícil de automatizar, además de los altos costos asociados. A diferencia de cualquier motor de flujo radial tradicional, los procesos de fabricación de motores axiales y los equipos mecánicos son de reciente aparición.
4. Aplicación de vehículos eléctricos
La confiabilidad es crucial en la industria automotriz y demostrar la confiabilidad y robustez de diferentesmotores de flujo axialConvencer a los fabricantes de la idoneidad de estos motores para la producción en masa siempre ha sido un reto. Esto ha llevado a los proveedores de motores axiales a implementar exhaustivos programas de validación por su cuenta, demostrando cada uno que la fiabilidad de sus motores no difiere de la de los motores de flujo radial tradicionales.
El único componente que puede desgastarse en unmotor de flujo axialSon los cojinetes. La longitud del flujo magnético axial es relativamente corta y la posición de los cojinetes es más cercana, generalmente diseñada para ser ligeramente sobredimensionada. Afortunadamente, el motor de flujo axial tiene una masa de rotor menor y puede soportar cargas dinámicas de eje inferiores. Por lo tanto, la fuerza real aplicada a los cojinetes es mucho menor que la del motor de flujo radial.
El eje electrónico es una de las primeras aplicaciones de los motores axiales. Su menor anchura permite encapsular el motor y la caja de cambios en el eje. En aplicaciones híbridas, la menor longitud axial del motor reduce la longitud total del sistema de transmisión.
El siguiente paso es instalar el motor axial en la rueda. De esta forma, la potencia se transmite directamente del motor a las ruedas, mejorando así su eficiencia. Gracias a la eliminación de transmisiones, diferenciales y ejes de transmisión, también se ha reducido la complejidad del sistema.
Sin embargo, parece que aún no existen configuraciones estándar. Cada fabricante de equipos originales está investigando configuraciones específicas, ya que los diferentes tamaños y formas de los motores axiales pueden alterar el diseño de los vehículos eléctricos. En comparación con los motores radiales, los motores axiales tienen una mayor densidad de potencia, lo que permite utilizar motores axiales más pequeños. Esto ofrece nuevas opciones de diseño para las plataformas de vehículos, como la ubicación de los paquetes de baterías.
4.1 Armadura segmentada
La topología de motor YASA (sin yugo y armadura segmentada) es un ejemplo de topología de rotor doble y estator único, que reduce la complejidad de fabricación y es adecuada para la producción en masa automatizada. Estos motores tienen una densidad de potencia de hasta 10 kW/kg a velocidades de 2000 a 9000 rpm.
Mediante un controlador dedicado, puede suministrar una corriente de 200 kVA al motor. El controlador tiene un volumen aproximado de 5 litros y pesa 5,8 kg. Incluye gestión térmica con refrigeración por aceite dieléctrico, ideal para motores de flujo axial, así como para motores de inducción y de flujo radial.
Esto permite a los fabricantes de equipos originales de vehículos eléctricos y a los desarrolladores de primer nivel elegir con flexibilidad el motor adecuado según la aplicación y el espacio disponible. Su menor tamaño y peso hacen que el vehículo sea más ligero y cuente con más baterías, lo que aumenta la autonomía.
5. Aplicación de las motocicletas eléctricas
Para motocicletas y vehículos todoterreno eléctricos, algunas empresas han desarrollado motores de flujo axial de CA. El diseño más común para este tipo de vehículo es el de flujo axial con escobillas de CC, mientras que el nuevo producto es un diseño de CA sin escobillas, totalmente sellado.
Las bobinas de los motores de CC y CA permanecen estacionarias, pero los rotores dobles utilizan imanes permanentes en lugar de armaduras giratorias. La ventaja de este método es que no requiere inversión mecánica.
El diseño axial de CA también permite utilizar controladores de motores de CA trifásicos estándar para motores radiales. Esto ayuda a reducir costos, ya que el controlador controla la corriente de par, no la velocidad. El controlador requiere una frecuencia de 12 kHz o superior, que es la frecuencia principal de estos dispositivos.
La mayor frecuencia se debe a la menor inductancia del devanado, de 20 µH. Esta frecuencia permite controlar la corriente para minimizar la ondulación y garantizar una señal sinusoidal lo más uniforme posible. Desde una perspectiva dinámica, esta es una excelente manera de lograr un control más uniforme del motor, permitiendo cambios rápidos de par.
Este diseño adopta un devanado de doble capa distribuido, por lo que el flujo magnético fluye desde un rotor a otro rotor a través del estator, con un recorrido muy corto y una mayor eficiencia.
La clave de este diseño reside en su capacidad para operar a un voltaje máximo de 60 V y no es apto para sistemas de mayor voltaje. Por lo tanto, puede utilizarse en motocicletas eléctricas y vehículos de cuatro ruedas de clase L7e, como el Renault Twizy.
La tensión máxima de 60 V permite integrar el motor en sistemas eléctricos convencionales de 48 V y simplifica los trabajos de mantenimiento.
Las especificaciones de la motocicleta de cuatro ruedas L7e, según el Reglamento Marco Europeo 2002/24/CE, estipulan que el peso de los vehículos utilizados para el transporte de mercancías no debe superar los 600 kilogramos, sin incluir el peso de las baterías. Estos vehículos pueden transportar un máximo de 200 kilogramos de pasajeros, 1000 kilogramos de carga y una potencia del motor de 15 kilovatios. El sistema de bobinado distribuido puede proporcionar un par motor de 75-100 Nm, con una potencia máxima de 20-25 kW y una potencia continua de 15 kW.
El desafío del flujo axial radica en cómo los devanados de cobre disipan el calor, lo cual es difícil porque el calor debe pasar a través del rotor. El devanado distribuido es clave para resolver este problema, ya que cuenta con un gran número de ranuras polares. De esta manera, se crea una mayor superficie entre el cobre y la carcasa, y el calor puede transferirse al exterior y descargarse mediante un sistema de refrigeración líquida estándar.
Los polos magnéticos múltiples son clave para utilizar formas de onda sinusoidales, lo que ayuda a reducir los armónicos. Estos armónicos se manifiestan mediante el calentamiento de los imanes y el núcleo, mientras que los componentes de cobre no pueden disipar el calor. Cuando el calor se acumula en los imanes y núcleos de hierro, la eficiencia disminuye, por lo que optimizar la forma de onda y la trayectoria del calor es crucial para el rendimiento del motor.
El diseño del motor se ha optimizado para reducir costos y lograr una producción en masa automatizada. Un anillo de carcasa extruido no requiere un procesamiento mecánico complejo y puede reducir los costos de material. La bobina se puede bobinar directamente y se utiliza un proceso de unión durante el bobinado para mantener la forma correcta del conjunto.
El punto clave es que la bobina está hecha de alambre estándar disponible comercialmente, mientras que el núcleo de hierro está laminado con acero para transformadores estándar, que simplemente requiere cortarse. Otros diseños de motores requieren el uso de materiales magnéticos blandos en la laminación del núcleo, lo cual puede resultar más costoso.
El uso de devanados distribuidos significa que el acero magnético no necesita segmentarse; puede tener formas más simples y ser más fácil de fabricar. Reducir el tamaño del acero magnético y asegurar su facilidad de fabricación tiene un impacto significativo en la reducción de costos.
El diseño de este motor de flujo axial también se puede personalizar según las necesidades del cliente. Los clientes disponen de versiones personalizadas desarrolladas a partir del diseño básico. Posteriormente, se fabrican en una línea de producción de prueba para una verificación temprana de la producción, que puede replicarse en otras fábricas.
La personalización se debe principalmente a que el rendimiento del vehículo depende no solo del diseño del motor de flujo magnético axial, sino también de la calidad de la estructura del vehículo, la batería y el BMS.
Hora de publicación: 28 de septiembre de 2023
