Motor de flujo axial

Un motor de flujo axial ( motor de espacio axial o motor de panqueque ) es una geometría de construcción de motor eléctrico donde el espacio entre el rotor y el estator, y por lo tanto la dirección del flujo magnético entre los dos, está alineada en paralelo con el eje de rotación, en lugar de radialmente como con la geometría cilíndrica concéntrica del motor de flujo radial más común . ^{[1] [2]} Con la geometría de flujo axial, el par aumenta con el cubo del diámetro del rotor, mientras que en un flujo radial el aumento es solo cuadrático. Los motores de flujo axial tienen una superficie magnética y un área de superficie general (para enfriamiento) más grandes que los motores de flujo radial para un volumen dado. ^[3]

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• Se puede construir un motor sobre cualquier estructura plana, como una PCB, agregando bobinas y un cojinete.
• El proceso de bobinado y el proceso de unión de la bobina y el núcleo pueden ser más simples.
• Como las bobinas son planas, se pueden utilizar más fácilmente tiras de cobre rectangulares, lo que simplifica los devanados de alta corriente.
• A menudo es posible hacer que el rotor sea significativamente más ligero.
• Longitud de trayectoria magnética potencialmente más corta.
• La mayoría de los componentes estructurales son planos y pueden producirse sin necesidad de fundición ni herramientas especializadas.
• Dado que la trayectoria magnética a través de los devanados es recta, se puede utilizar fácilmente acero eléctrico de grano orientado , lo que ofrece mayor permeabilidad y menores pérdidas en el núcleo. ^[4]
• El rotor suele ser mucho más ancho, lo que provoca una mayor inercia rotacional , y las mayores fuerzas centrífugas pueden reducir la velocidad rotacional máxima.
• Distribución desigual del flujo debido a segmentos en forma de cuña.
• Los segmentos se estrechan hacia el centro, dejando menos espacio para disponer bobinados y conexiones.

Los AFM pueden utilizar rotores simples o dobles o estatores simples o dobles. El diseño de estator doble/rotor simple es más común en aplicaciones de alta potencia, aunque requiere un yugo (carcasa) con las pérdidas de hierro que lo acompañan. Los diseños de estator simple/rotor doble pueden prescindir del yugo, ahorrando su peso y aumentando la eficiencia. En este último, los rotores y sus placas de hierro que cierran el flujo se mueven en la misma dirección/velocidad que el campo magnético. ^[5]

En un ejemplo, se utilizó acero de grano orientado (30Q120) para fabricar el diente del estator de un motor de inducción. Se utilizaron 18 dientes entre los dos rotores. Cada diente del estator se enrolló con bobinas conectadas en serie, 6 para cada fase. El potencial magnético suma el potencial magnético del entrehierro, el potencial magnético del diente del estator y el potencial magnético del yugo del rotor y del diente. ^{[6] [3]}

Algunos AFM se pueden apilar fácilmente para proporcionar una mayor potencia de salida de manera modular. ^[3] El motor 750 R apilable de 37 kg de YASA ofrece >5kw/kg con una longitud axial de 98 mm (3,9 pulgadas). ^[7]

Aunque esta geometría se ha utilizado desde que se desarrollaron los primeros motores electromagnéticos, su uso fue poco común hasta la disponibilidad generalizada de imanes permanentes potentes y el desarrollo de motores de corriente continua sin escobillas , que podían explotar mejor las ventajas de esta geometría.

La geometría axial se puede aplicar a casi cualquier principio operativo (por ejemplo, CC con escobillas , inducción , motor paso a paso , reluctancia ) que se pueda utilizar en un motor radial. Incluso dentro del mismo principio operativo eléctrico, diferentes consideraciones de aplicación y diseño pueden hacer que una geometría sea más adecuada que la otra. Las geometrías axiales permiten algunas topologías magnéticas que no serían prácticas en una geometría radial. Los motores axiales suelen ser más cortos y anchos que un motor radial equivalente.

Los motores axiales se han utilizado comúnmente para aplicaciones de baja potencia, especialmente en electrónica estrechamente integrada, ya que el motor se puede construir directamente sobre una placa de circuito impreso (PCB) y puede usar trazas de PCB como devanados del estator. Los motores axiales sin escobillas de alta potencia son más recientes, pero están comenzando a usarse en algunos vehículos eléctricos. ^[8] Uno de los motores axiales de producción más prolongada es el motor Lynch de CC con escobillas , donde el rotor está compuesto casi en su totalidad de tiras de cobre planas con pequeños núcleos de hierro insertados, lo que permite un funcionamiento con alta densidad de potencia.

La filial de Mercedes-Benz, YASA (Yokeless and Segmented Armature), fabrica AFM que han impulsado varios conceptos ( Jaguar C-X75 ), prototipos y vehículos de carreras. También se utilizó en el Koenigsegg Regera , el Ferrari SF90 Stradale y S96GTB , el híbrido Lamborghini Revuelto y el Lola-Drayson. ^[9] La empresa está investigando el potencial de colocar motores dentro de las ruedas, dado que la baja masa del AFM no aumenta excesivamente la masa no suspendida de un vehículo . ^[10] YASA apunta a motores que entregan 220 kw en un paquete de 7 kg, o 31 kW/kg. Por el contrario, el motor EV de última generación de Lucid Motors ofrece un motor de 500 kW, 31,4 kg o 16 kW/kg. ^[11]

El Rolls-Royce ACCEL , actual poseedor del récord mundial de velocidad para un avión eléctrico, utiliza tres motores de flujo axial. ^[12]

YASA fabrica motores de avión para el Rolls Royce Spirit of Innovation de tres motores. Su objetivo son motores de avión que proporcionen 50 vatios/kg, para permitir las reducciones de peso sustanciales necesarias para permitir el vuelo con propulsión eléctrica. ^[11]

Emrax fabrica una línea de motores de flujo axial: el Emrax 228 (densidad de potencia 4,58 kw/kg), el Emrax 268 (5,02 kw/kg) y el Emrax 348 (4,87 kw/kg). ^[13]

Siemens ofrece un motor de 5kw/kg. ^[14]

• Huang, Pinglin; Li, Hang; Yang, Chen (febrero de 2021). "Un motor de inducción de flujo axial sin yugo para vehículos eléctricos basado en acero al silicio de grano orientado". Journal of Physics: Conference Series . 1815 (1): 012042. Bibcode :2021JPhCS1815a2042H. doi : 10.1088/1742-6596/1815/1/012042 . ISSN  1742-6596.
• Taran, Narges; Heins, Greg; Rallabandi, Vandana; Patterson, Dean; Ionel, Dan M. (septiembre de 2019). "Comparación sistemática de dos topologías de máquinas de imanes permanentes de flujo axial: sin yugo y con armadura segmentada frente a una sola cara". Congreso y exposición de conversión de energía del IEEE (ECCE) de 2019. IEEE. págs. 4477–4482. doi :10.1109/ECCE.2019.8913104. ISBN. 978-1-7281-0395-2. {{cite book}}: |journal=ignorado ( ayuda )