Cinco tecnologías clave del motor de flujo axial

Los motores de flujo axial pueden alcanzar un par de salida mayor

Los motores de flujo axial, también conocidos como “motores de disco,”, se diferencian de los motores de flujo radial convencionales en que su trayectoria de flujo magnético es plana, con la dirección del campo magnético del entrehierro paralela al eje del motor.

La principal ventaja técnica de los motores de flujo axial radica en su estructura, en la que el rotor giratorio se sitúa en el lateral del estator (y no en su interior). Esto permite un mayor diámetro del rotor. Dado que el par es igual a la fuerza multiplicada por el radio, se puede alcanzar un mayor par de salida aplicando la misma fuerza.

Esto significa que, con la misma cantidad de imanes permanentes y alambre de cobre, los motores de flujo axial pueden alcanzar un par de salida mayor. A diferencia de los motores de flujo radial tradicionales, los motores de flujo axial incorporan principalmente cinco tecnologías clave.

1. Investigación sobre la configuración topológica

En función del número de estatores y rotores, sus posiciones relativas y la trayectoria magnética principal, las estructuras topológicas básicas pueden clasificarse en cuatro tipos: un solo estator y un solo rotor, dos estatores y un solo rotor, un solo estator y dos rotores, y estructuras multidisco. La elección de una topología estructural adecuada debe evaluarse en función de los escenarios de aplicación específicos, los procesos de fabricación y los factores de coste. Actualmente, en el sector de la propulsión eléctrica para automóviles, se lleva a cabo un análisis exhaustivo del rendimiento, la viabilidad del proceso y el coste de diversos tipos de motores de flujo axial, centrándose en la adopción de las estructuras de doble estator y un rotor, y de un estator y dos rotores.

2. Nuevo diseño de rendimiento 3D del motor

Los motores de flujo radial tradicionales siguen una trayectoria de flujo magnético bidimensional no lineal, mientras que los nuevos motores de flujo axial tienen una trayectoria de flujo magnético tridimensional. Por lo tanto, a la hora de realizar el diseño de simulación del rendimiento, es fundamental tener en cuenta las diferencias entre ambos y crear modelos que mejoren la precisión en función de sus respectivas características.

Para el nuevo tipo de motor de flujo axial, se puede emplear una simulación 3D multifísica de la unión de campos, junto con un diseño de optimización integral del esquema electromagnético orientado a múltiples objetivos. Se debe mejorar continuamente la eficiencia computacional del diseño del motor de flujo axial y potenciar la precisión de las capacidades de simulación virtual, tal y como se ilustra en el diseño de rendimiento en 3D del motor de flujo axial.

3. Tecnología para el desarrollo de aplicaciones de nuevos materiales

Para el desarrollo de los bastidores del estator se utilizan materiales de poliéterétercetona (PEEK) de alta resistencia y alto aislamiento;

Para la disipación del calor y la refrigeración, se han desarrollado materiales de encapsulación y relleno de resina epoxi de alta resistencia y alta conductividad térmica, con el fin de mejorar la capacidad de disipación del calor del cuerpo del motor y evitar la desmagnetización de los imanes permanentes a altas temperaturas. Como se muestra a continuación, los devanados del estator del motor de flujo axial están encapsulados con resina epoxi;

Para el desarrollo de núcleos laminados tanto para el estator como para el rotor, se utilizan materiales compuestos con alta permeabilidad magnética y bajas pérdidas, como el compuesto de moldeo en láminas (SMC), las aleaciones amorfas y el acero al silicio orientado. El material SMC se caracteriza por su fácil moldeado y su sencillo proceso de tratamiento térmico, lo que lo hace adecuado para la producción en serie. Al mismo tiempo, gracias a su fácil moldeabilidad, también puede utilizarse en la tecnología de impresión 3D para que el diseño innovador de los motores sea más flexible y variado. Para cumplir con los requisitos de alta resistencia del estator y el rotor, se ha desarrollado un proceso de fijación y refuerzo del bobinado con fibra de carbono, con el fin de contrarrestar las propiedades físicas de los imanes permanentes, que presentan una baja resistencia a la tracción.

4. Investigación sobre procesos de fabricación avanzados

Para el desarrollo de los devanados, se utilizan conductores de cobre de sección rectangular, devanados concentrados helicoidales y procesos de devanado continuo multipolar. Para el desarrollo de imanes permanentes, se aplican procesos de instalación segmentada de fijación de bajas pérdidas y de protección contra la desmagnetización del yugo de los polos magnéticos. Para el desarrollo de los núcleos del estator, se han desarrollado procesos de empalme de armaduras segmentadas sin yugo y de fabricación mediante metalurgia de polvos con fijación sin pernos, que se integran con las tapas de los extremos. Para satisfacer las exigencias de la producción en serie, se ha desarrollado tecnología de montaje automatizado para estatores y rotores, que incluye la producción automatizada de bobinas formadas con conductores planos y procesos flexibles de línea de producción automatizada.

5. Investigación sobre estrategias de control del par y de campos magnéticos débiles

Investigar los modelos matemáticos de los sistemas de coordenadas del estator y del rotor, construir un modelo de simulación del sistema y estudiar nuevas estrategias de control predictivo del par mediante un modelo de doble vector para reducir la ondulación del par y mejorar el rendimiento del control del par. Centrándose en la estructura de montaje en superficie de los imanes permanentes del motor de flujo axial —donde las inductancias de cuadratura y del eje directo del motor son numéricamente muy pequeñas, lo que dificulta el control vectorial y hace que el circuito magnético sea propenso a la saturación—, desarrollar estrategias de control para mejorar el rendimiento magnético en condiciones de campo débil.

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