Motores síncronos de imanes permanentes de flujo axial

Axial-flux motors están surgiendo como una de las tecnologías de motor eléctrico más importantes para vehículos eléctricos de alto rendimiento. En comparación con los motores convencionales de flujo radial, pueden ofrecer un par y una potencia muy elevados en un conjunto mucho más delgado. Esto los hace especialmente atractivos para coches deportivos y vehículos eléctricos de prestaciones, donde el espacio, el peso, la estabilidad térmica y la aceleración repetida importan tanto como la potencia máxima.

Un motor de imanes permanentes de flujo axial, a menudo abreviado como motor AFPM, utiliza el mismo principio electromagnético básico que un motor síncrono de imanes permanentes (PMSM), pero dispone el circuito magnético de forma diferente. En lugar de construir el motor como un cilindro largo, un motor de flujo axial tiene una forma más parecida a un disco delgado.

Una forma sencilla de imaginar la diferencia es esta: un motor de flujo radial funciona como un cilindro, mientras que un motor de flujo axial funciona como un par de discos magnéticos enfrentados entre sí.

Cómo funciona

En un motor síncrono de imanes permanentes (PMSM) convencional, la trayectoria principal del flujo magnético discurre perpendicular al eje de rotación. En un motor de flujo axial, la trayectoria principal del flujo discurre en paralelo al eje. El resultado es un motor con forma de disco delgado en lugar de un cilindro largo.

Disposición del rotor y el estator: Los componentes principales de un motor AFPM son discos planos. La disposición más común en uso automovilístico de alto rendimiento es la configuración en H, también llamada topología yoke-less and segmented-armature (YASA). Dos discos de rotor con imanes permanentes se sitúan a ambos lados de un disco de estator central, aprisionándolo entre izquierda y derecha.

Circuito magnético: Los imanes permanentes de los dos discos de rotor miran al estator por ambos lados al mismo tiempo. El flujo magnético pasa directamente de un rotor, a través del devanado del estator, y hacia el rotor opuesto. Esto crea una trayectoria magnética corta y con bajas pérdidas. No hay un hierro de retorno convencional detrás de los imanes, por lo que esta topología se denomina "yokeless".

Devanado del estator: El estator consta de segmentos devanados individualmente dispuestos en un anillo alrededor del eje. Cada segmento es una bobina independiente. Esto simplifica el bobinado, la refrigeración y el ensamblaje en comparación con un estator radial continuo, pero también requiere una fabricación precisa y control de tolerancias.

Conmutación y control: Como cualquier motor síncrono, un motor AFPM requiere conmutación electrónica. Un inversor de alto rendimiento suministra corriente alterna trifásica a las bobinas del estator. La información de posición de un resolver o codificador permite el control orientado al campo para mantener alineado el campo del estator con los imanes del rotor.

Producción de par: Como ambas caras del rotor contribuyen al par simultáneamente y los imanes se sitúan cerca del diámetro exterior del disco, el brazo de palanca efectivo es grande para una masa de motor dada. Esta es la principal razón por la que los motores AFPM pueden lograr una densidad de par muy alta.

Por qué es importante en los vehículos eléctricos

Para los fabricantes de vehículos eléctricos, el principal atractivo de los motores de flujo axial no es solo la alta potencia máxima. La forma delgada del motor puede facilitar el empaquetado de todo el sistema de propulsión, especialmente en coches de prestaciones con varios motores. También permite a los ingenieros situar más material magnético activo lejos del eje de rotación, aumentando el par sin alargar el motor.

Para los conductores, el beneficio se percibe como una fuerte capacidad de salida, una rápida respuesta de par y una mejor repetibilidad durante la conducción exigente. Por ello, es probable que la tecnología aparezca primero en vehículos eléctricos de prestaciones caros antes de hacerse común en modelos generalistas.

Los motores de flujo axial son especialmente útiles cuando un fabricante quiere combinar una alta potencia con un empaquetado compacto. Por eso la tecnología resulta atractiva para vehículos eléctricos de prestaciones, coches deportivos eléctricos, hiperdeportivos híbridos y aplicaciones donde la longitud del sistema de propulsión está limitada.

Motores de flujo axial frente a motores de flujo radial

Ventajas

Alta densidad de par y potencia: Un motor AFPM puede entregar más par por kilogramo y por litro que un PMSM de flujo radial con potencia comparable. La trayectoria corta del flujo y el gran diámetro activo permiten al motor producir un par elevado en un conjunto muy compacto. En el Mercedes-AMG GT 4-Door Coupé, los motores de flujo axial miden solo unos pocos centímetros de ancho, pero cada motor puede entregar varios cientos de kilovatios según la aplicación.

Alto potencial de potencia continua: Con el diseño de refrigeración directa adecuado, un motor AFPM puede sostener una alta fracción de su potencia máxima durante más tiempo que muchas máquinas compactas de flujo radial. Esto hace que la tecnología sea muy adecuada para aplicaciones que exigen aceleraciones repetidas a plena carga, como la conducción en circuito, donde un motor convencional puede tener que reducir su entrega a medida que aumentan las temperaturas.

Empaquetado compacto: El formato de disco delgado libera espacio a lo largo del eje de transmisión. Esto es útil para sistemas de propulsión en los que dos motores comparten un eje común, o cuando el motor debe encajar entre el paquete de baterías y las ruedas sin alargar la distancia entre ejes.

Menor inercia del rotor: Un rotor con forma de disco puede tener menor inercia rotacional que un rotor cilíndrico largo. El motor puede responder rápidamente a las órdenes de par, contribuyendo a una respuesta del acelerador muy precisa y a una entrega de potencia exacta.

Eficiencia potencialmente alta: La trayectoria corta del flujo magnético puede reducir algunas pérdidas, y la disposición compacta del devanado puede ayudar a reducir el uso de cobre. Sin embargo, la eficiencia en el mundo real depende del diseño completo del motor, del inversor, del sistema de refrigeración y del punto de funcionamiento. Los motores de flujo axial no son automáticamente más eficientes en todas las situaciones de conducción.

Limitaciones

Materiales de tierras raras: Como la mayoría de los motores de imanes permanentes de alto rendimiento, un motor AFPM utiliza imanes de tierras raras como neodimio-hierro-boro (NdFeB) o samario-cobalto (SmCo). Estos imanes son caros, y la cadena de suministro está concentrada en un número limitado de países.

Complejidad mecánica: La configuración de doble rotor en H aplica grandes fuerzas axiales al estator desde ambos lados. La carcasa del motor debe absorber estas fuerzas sin permitir que cambie el entrehierro entre rotor y estator. Esto eleva las exigencias de diseño de rodamientos, rigidez de la carcasa, precisión de montaje y tolerancias de fabricación.

Ruta térmica a través del disco del estator: Un motor de flujo radial puede refrigerar su estator mediante una camisa de agua alrededor del exterior de la carcasa. En un motor AFPM, el estator está aprisionado entre dos rotores, por lo que la refrigeración debe llegar directamente a las bobinas del estator. Los diseños de alto rendimiento suelen usar refrigeración directa por aceite pulverizado sobre o a través de las bobinas segmentadas, lo que añade tuberías, bombas, requisitos de sellado y complejidad de gestión térmica.

Coste y escalabilidad: Los motores AFPM siguen estando menos maduros en producción en serie que los motores convencionales de flujo radial. El estator segmentado, el control preciso del entrehierro, la colocación de imanes y el sistema de refrigeración directa pueden aumentar el coste, especialmente antes de que los volúmenes de producción crezcan.

Nuevos procesos de fabricación: Estampar los discos del rotor, alinear los imanes, bobinar el estator segmentado y controlar los espacios de aire muy pequeños requieren técnicas de producción que tradicionalmente no formaban parte de la fabricación general de motores eléctricos. Mercedes-Benz ha informado de que alrededor de 65 de los aproximadamente 100 pasos de producción utilizados para construir sus motores de flujo axial en la planta de Berlin-Marienfelde son nuevos, y muchos se describen como primicias mundiales.

Resistencia al rodar libremente: Como todos los motores de imanes permanentes, un motor AFPM puede producir resistencia cuando el rotor gira sin energía, porque los imanes siguen induciendo voltaje en las bobinas del estator. Algunos vehículos eléctricos reducen esta pérdida desconectando mecánicamente el motor cuando no se necesita, especialmente en un eje secundario.

Uso en vehículos eléctricos de producción

El Mercedes-AMG GT 4-Door Coupé es uno de los primeros coches de producción en serie eléctricos de batería en usar motores de flujo axial como sus motores de tracción principales. El coche utiliza tres motores de flujo axial desarrollados por YASA: uno en el eje delantero y dos en el eje trasero, integrados en una unidad trasera High-Performance Electric Drive Unit y una unidad motriz delantera. En la variante GT 63, la potencia máxima del sistema es de hasta 860 kW.

YASA es una empresa británica especializada en motores eléctricos adquirida por Mercedes-Benz en julio de 2021. Su tecnología de flujo axial se ha desarrollado para futuros vehículos eléctricos de prestaciones de Mercedes-AMG, donde la alta densidad de potencia, el empaquetado compacto y el rendimiento repetible son objetivos de diseño centrales.

Otros fabricantes de alto rendimiento también han mostrado interés en diseños de flujo axial. Ferrari ha señalado la tecnología de motor de flujo axial para su programa Elettrica, mientras que Koenigsegg utiliza el compacto motor Quark de flujo axial en el Gemera. Estas aplicaciones muestran dónde tiene más sentido la tecnología en la actualidad: vehículos caros y centrados en las prestaciones, donde el tamaño compacto y la alta potencia justifican la complejidad adicional.

Resumen

Los motores de flujo axial ofrecen una forma diferente de empaquetar un motor de tracción eléctrica. Al disponer el flujo magnético a lo largo del eje de rotación en lugar de atravesarlo, pueden ofrecer un par y una potencia muy elevados en un conjunto delgado con forma de disco.

La tecnología no es un sustituto universal de los motores de flujo radial. Presenta retos en refrigeración, fabricación, coste, control del entrehierro y uso de imanes de tierras raras. Sin embargo, para los vehículos eléctricos de alto rendimiento, las ventajas son importantes. Los motores de flujo axial permiten a los ingenieros empaquetar más potencia en menos espacio, mejorar la respuesta de par y soportar conducción repetida a alta carga.

Por esta razón, es probable que los motores de flujo axial se conviertan en una tecnología importante en la próxima generación de coches eléctricos de prestaciones antes de extenderse gradualmente a segmentos más amplios de vehículos eléctricos a medida que la producción aumente y los costes bajen.

Más información

Mira este vídeo de Munro Live para ver en mayor profundidad el diseño y la fabricación de motores de flujo axial.