Introducción: Cambio de paradigma de 'Cilindro' a 'Disco'
Cuando la gente piensa en motores eléctricos, la mayoría imagina un cilindro largo donde el estator encierra el rotor y el campo magnético se propaga radialmente. Sin embargo, un motor que desafía esta forma convencional está impulsando una nueva revolución tecnológica: el motor de flujo axial . Comprime el estator y el rotor en un disco casi plano, tan compacto como una galleta tipo sándwich.
El núcleo de esta revolución de aplanamiento radica en un cambio fundamental en la dirección de la trayectoria magnética. En un motor de flujo radial tradicional, el campo magnético se irradia hacia afuera desde el eje; En un motor de flujo axial, el campo magnético corre paralelo al eje, con el estator y el rotor uno frente al otro en una disposición de disco. Este cambio aporta sorprendentes ventajas de rendimiento: con el mismo uso de material, el par de un motor de flujo axial es proporcional al cubo del diámetro del rotor (mientras que para un motor radial tradicional es solo el cuadrado del diámetro), logrando un aumento de la densidad de par de 2 a 3 veces y una eficiencia superior al 96 %. Al mismo tiempo, su longitud axial es solo de 1/3 a 1/2 de la de un motor convencional, con un volumen reducido en más del 50 % y un peso reducido aproximadamente entre un 40 % y un 50 % con la misma potencia.
La clave para lograr una densidad de potencia y una densidad de par tan altas en motores de flujo axial radica en el ingenioso diseño de la estructura del rotor. Los diferentes escenarios de aplicación imponen requisitos de rendimiento distintos, y la selección de la estructura del circuito magnético del rotor, el material del imán permanente y la topología a menudo determina directamente si el motor puede aprovechar plenamente sus ventajas. Este artículo comienza con tres escenarios de aplicación típicos (motores de cubo, articulaciones de robots y propulsión de drones) y analiza sistemáticamente los puntos centrales de la selección del rotor.
1. Motores de cubo: compensación entre densidad de par y amplio rango de velocidades
Los motores de cubo se instalan dentro de la llanta de la rueda, donde el espacio es extremadamente limitado: esta es la principal limitación de diseño. Deben proporcionar simultáneamente una alta densidad de par (para arrancar y ascender), un amplio rango de velocidades (desde un avance lento hasta un crucero de alta velocidad) y una buena capacidad de disipación de calor.
En términos de selección de la estructura del rotor, los motores de cubo comúnmente usan tipos de radios (interiores) y de montaje en superficie , cada uno con diferentes prioridades de diseño. Los imanes permanentes montados en superficie se unen directamente a la superficie del núcleo del rotor, ofreciendo una estructura simple, una alta densidad de flujo de entrehierro e idoneidad para aplicaciones que buscan la máxima densidad de potencia. Sin embargo, la rotación a alta velocidad de un rotor de gran diámetro genera una enorme fuerza centrífuga, por lo que se requiere un manguito de retención para asegurar los imanes montados en la superficie. Esto exige materiales no magnéticos de alta resistencia y el propio manguito aumenta el entrehierro, reduciendo así la producción.
Los imanes permanentes tipo radio (interiores) están integrados dentro del rotor. A través de la concentración de flujo, mejoran significativamente la densidad de torsión y la capacidad de extensión de velocidad que debilita el flujo. Por ejemplo, el motor de cubo tipo radio STAF-PMSM diseñado por la Universidad de Jiangsu utiliza una estructura de doble rotor para aumentar el área de excitación del entrehierro, logrando una excitación por concentración de flujo. Ofrece un par máximo de 280 N·m y una potencia máxima de 15 kW, lo que lo hace apto para vehículos de nueva energía con tracción distribuida en las ruedas. Además, la estructura interior protege eficazmente los imanes permanentes de la exposición directa a altas temperaturas e impactos mecánicos, superando el riesgo de desprendimiento del imán que enfrentan los tipos montados en superficie a altas velocidades.
La gestión térmica es otro desafío fundamental para los motores de cubo. En funcionamiento a alta potencia, las pérdidas electromagnéticas se concentran y las condiciones de refrigeración son deficientes. Esto requiere un modelado térmico preciso basado en análisis de pérdidas para lograr una refrigeración eficaz. Actualmente, el motor de flujo axial de un solo rotor y doble estator (AFIR) mejora la densidad de potencia al aumentar la carga eléctrica con dos estatores, mientras que el motor de flujo axial sin yugo (YASA) elimina el yugo del estator para reducir la pérdida de hierro, lo que reduce la carga térmica y mejora la eficiencia y la densidad de torque.
En general, la selección del rotor para motores de cubo debe equilibrar la densidad de par, la capacidad de extensión de velocidad y la confiabilidad . Para requisitos de par alto y baja velocidad, se prefieren estructuras montadas en superficie o de tipo radio, pero si se necesita un amplio rango de velocidad, el tipo de radio es más adecuado debido a su concentración de flujo y su capacidad para debilitarlo.
2. Articulaciones de robot: requisitos duales de baja inercia y control de precisión
Las articulaciones de los robots exigen características claramente diferentes a las de los motores de cubo. En articulaciones grandes, como caderas, cinturas y piernas, los requisitos básicos son un alto par de torsión y un peso extremadamente ligero; en comparación con los motores radiales tradicionales, los motores de flujo axial en estos escenarios pueden reducir la ocupación del espacio entre un 30 % y un 60 % y el peso en más de un 30 %, y algunos diseños alcanzan entre un 60 % y un 70 %. En articulaciones pequeñas, como las muñecas y los dedos, la precisión y la baja inercia se convierten en prioridades importantes.
La relación par-inercia es un parámetro de diseño clave para los motores de articulaciones de robots. Las investigaciones muestran que el par de un motor de flujo axial es proporcional al cubo del diámetro del rotor, lo que significa que se puede lograr una salida de par extremadamente alta a baja velocidad en el espacio compacto de una junta aplanada, mientras que la delgada estructura del disco se puede incrustar directamente en la junta y simplifica la disipación de calor.
Para la selección del rotor, las articulaciones del robot dan prioridad a estructuras montadas en superficie o conjuntos Halbach. La estructura montada en superficie, con su baja pérdida del rotor y su bajo momento de inercia, permite una respuesta dinámica más rápida : el tiempo de respuesta de aceleración se puede reducir de 15 ms a 5-8 ms, lo cual es crucial para los movimientos del robot que requieren arranque/parada rápidos y un posicionamiento preciso. Una matriz Halbach, a través de un patrón de dirección de magnetización específico, mejora el campo magnético en un lado y casi lo cancela en el otro, lo que permite la eliminación del núcleo del rotor y reduce aún más la inercia y las pérdidas del rotor.
El diseño del circuito magnético y la selección del material del imán permanente también requieren un control preciso. Los motores de flujo axial utilizan un diseño de imán anular, que acorta la longitud de la trayectoria magnética y aumenta la densidad de par en comparación con el diseño radial de los motores de flujo radial tradicionales. Además, debido a que las articulaciones de los robots a menudo incluyen reductores o incluso esquemas de accionamiento cuasi directo (QDD), se requiere una mayor coercitividad y estabilidad térmica. Cuando el costo lo permite, los grados de alta coercitividad con tierras raras pesadas como el disprosio y el terbio pueden prevenir eficazmente la desmagnetización de los campos magnéticos inversos durante la operación.
Para juntas en miniatura en el rango de 16 a 18 mm, los motores de flujo axial tipo PCB están mostrando ventajas únicas. Al utilizar grabado en lugar de los devanados de cobre tradicionales, ofrecen una alta consistencia de fabricación, baja pérdida de hierro y un peso extremadamente ligero.
3. Propulsión de drones: desafíos extremos de densidad de potencia y resistencia a la desmagnetización térmica
Los sistemas de propulsión de los drones se enfrentan a una contradicción fundamental: cada gramo extra de peso reduce el tiempo de vuelo y cada grado de aumento de temperatura reduce la potencia . Los datos muestran que para un motor de flujo axial con una relación empuje-peso superior a 25:1, reducir la masa en 1 kg puede aumentar el alcance en unos 10 km. Por lo tanto, el aligeramiento y la alta densidad de potencia son los principales criterios de diseño para los motores de propulsión de drones.
En términos de densidad de potencia, los motores de flujo axial muestran ventajas abrumadoras en la propulsión de drones. Su densidad de potencia volumétrica puede alcanzar los 14,9 kW/kg , superando con creces la de los motores radiales tradicionales. Las densidades de potencia medidas oscilan entre 5,8 y 21 kW/kg , con densidades de par de 15 a 25 Nm/kg . El último sistema de propulsión de flujo axial de la serie T 'Yufeng' logra una densidad de potencia continua de 10 Nm/kg y una densidad de par máxima de 20 Nm/kg, lo que lo hace muy adecuado para la propulsión directa en aviones avanzados como eVTOL tripulados y drones de ala compuesta.
Más allá de la densidad de potencia, los motores de propulsión de drones también enfrentan el riesgo de desmagnetización en entornos de alta temperatura. Durante el vuelo, los motores funcionan a alta potencia durante períodos prolongados, lo que provoca un rápido aumento de temperatura en los devanados y los imanes permanentes. Si las misiones se llevan a cabo en zonas desérticas o en el calor del verano, la combinación de temperatura ambiente y autocalentamiento crea graves desafíos de desmagnetización para los imanes permanentes.
La selección del material del imán permanente afecta directamente la confiabilidad de los motores de drones a altas temperaturas. Entre los materiales de imanes permanentes comunes, el neodimio-hierro-boro (NdFeB) ofrece el rendimiento magnético más alto, pero los grados estándar (serie N) tienen una temperatura de funcionamiento máxima de solo 80-100 °C y pueden producirse pérdidas magnéticas irreversibles por encima de 200 °C. Los grados de NdFeB de alta coercitividad (series SH, UH, EH, AH) pueden funcionar hasta 150-240 °C, pero su estabilidad a altas temperaturas sigue siendo inferior a la del samario-cobalto (SmCo). Los imanes de SmCo pueden funcionar de manera estable por encima de los 300 °C , con una temperatura de Curie superior a los 720 °C, y sus propiedades magnéticas varían sólo entre 1/4 y 1/3 tanto como las del NdFeB con la temperatura. Las desventajas son un producto de energía magnética ligeramente menor y un mayor costo. Para los drones de consumo, el NdFeB de alto rendimiento es suficiente para la mayoría de las necesidades; pero para los drones industriales y los eVTOL tripulados en condiciones de alta temperatura y alta potencia, SmCo, a pesar de su costo, es una opción necesaria para la confiabilidad.
4. Descripción rápida de los tipos de rotores: comparación entre los de montaje en superficie y los de interior
Según el análisis anterior, los principales tipos de estructuras de rotor para motores de flujo axial se resumen en la siguiente tabla:
Tipo |
Característica estructural |
Ventajas |
Limitaciones |
Escenarios aplicables |
Montado en superficie |
Imanes unidos a la superficie del núcleo del rotor. |
Alta densidad de flujo en el entrehierro, alta densidad de par, fabricación sencilla, bajas pérdidas |
Requiere manguito de retención a alta velocidad; Imanes expuestos directamente a calor y desmagnetización de campo inverso. |
Articulaciones robóticas, motores de cubo de baja velocidad, accionamientos de precisión que exigen una respuesta dinámica |
Interior (radio) |
Imanes integrados dentro del rotor. |
La concentración de flujo aumenta el torque; buen debilitamiento del flujo para un amplio rango de velocidades; imanes protegidos; mejor resistencia a la temperatura |
Control ligeramente más complejo debido al par de reluctancia; más material del núcleo del rotor; mayor inercia |
Motores de cubo que requieren un amplio rango de velocidades y accionamientos industriales de alta potencia |
conjunto de halbach |
Imanes dispuestos en orientaciones alternas. |
Elimina el núcleo del rotor (aligeramiento extremo), calidad sinusoidal de alto flujo, pérdidas extremadamente bajas |
Fabricación y montaje de imanes complejos, coste elevado |
Propulsión de drones, propulsores aeroespaciales y otras aplicaciones de alta gama que buscan la máxima ligereza y eficiencia |
5. SDM: un factor clave para los rotores de motores de flujo axial montados en superficie
Después de analizar los puntos clave de selección del rotor para los tres escenarios principales, llegamos a un elemento central: la capacidad de ingeniería para imanes permanentes de alto rendimiento y estructuras de rotor montadas en superficie . Precisamente aquí residen las ventajas técnicas del SDM.
SDM es una empresa nacional de alta tecnología enfocada en imanes y soluciones magnéticas, con 16 años de experiencia en la producción profesional de imanes. La empresa mantiene una cooperación estratégica con China Aluminium, la empresa minera de tierras raras más grande de China, lo que garantiza un suministro estable y seguro de materias primas de tierras raras. Al mismo tiempo, SDM lleva a cabo investigaciones colaborativas en profundidad con la Academia de Ciencias de China y trabaja con clientes en análisis de elementos finitos (FEA), brindando soporte de simulación preciso desde el comienzo del diseño de circuitos magnéticos, acortando así los ciclos de desarrollo y reduciendo los costos de prueba y error.
En el campo de los rotores de motores de flujo axial montados en superficie, SDM ofrece ventajas sistemáticas de fabricación y diseño:
En primer lugar, un sistema de producción completo y con certificaciones de alto nivel. La empresa posee IATF 16949 (sistema de gestión de calidad automotriz), ha mantenido un récord de cero defectos (0 PPM) como proveedor de nivel 2 de General Motors desde 2010 y también posee las certificaciones ISO 9001, ISO 14001, ISO 45001, huella de carbono y BSCI. Sus productos cumplen con los requisitos de prueba de RoHS, REACH y SGS. Esto significa que cada lote de imanes permanentes se somete a un riguroso control de calidad, desde la trazabilidad de la materia prima hasta el envío del producto terminado.
En segundo lugar, tecnología de proceso integrada madura para estructuras de rotor montadas en superficie. En un motor de flujo axial, un disco de rotor de imán permanente montado en superficie debe resolver simultáneamente tres dificultades de ingeniería principales: fijación de imanes de alta resistencia, estabilidad en funcionamiento a alta velocidad y capacidad de fabricación/ensamblaje . SDM ofrece varias opciones de materiales magnéticos, incluidos grados NdFeB de alta coercitividad y series SmCo. Utiliza una combinación de placas de prensa/marcos de fijación de polímero de alta resistencia y baja pérdida, hierros traseros del rotor y manguitos de retención de fibra de carbono para garantizar un posicionamiento confiable del imán en operaciones de alta velocidad, al tiempo que minimiza las pérdidas por corrientes parásitas del rotor. Esta solución ha demostrado sus amplias ventajas de baja pérdida del rotor, alta resistencia estructural y buena procesabilidad del ensamblaje.
En tercer lugar, un equipo técnico de primer nivel que respalda la personalización de alto nivel. El equipo técnico, formado por expertos en materiales magnéticos de la Academia de Ciencias de China , incluye 2 doctores, 5 titulares de maestrías, 8 ingenieros superiores y más de 80 ingenieros y personal técnico. La empresa ha creado un centro municipal de I+D y una estación de trabajo postdoctoral. Por lo tanto, SDM no solo puede producir imanes convencionales, sino que también puede proporcionar soluciones técnicas de proceso completo para requisitos reales de circuitos magnéticos en diferentes condiciones de trabajo (motores de cubo, articulaciones de robots, propulsión de drones), incluida la selección del grado del imán (grados NdFeB N/M/UH de coercitividad ultra alta, series SmCo5/Sm-Co-₇), cálculo del margen de temperatura de desmagnetización y simulación de elementos finitos.
En cuarto lugar, la colaboración entre la industria, la universidad y la investigación y una amplia cartera de productos. SDM mantiene relaciones de cooperación con el Instituto de Tecnología e Ingeniería de Materiales (CAS) de Ningbo y la Universidad Southwest Jiaotong, rastreando continuamente los avances en materiales magnéticos. Su gama de productos cubre estatores y rotores de micromotores, motores Maglev, sensores, resolutores, aisladores ópticos, imanes permanentes y componentes magnéticos blandos, proporcionando soporte integral de materiales magnéticos para diseños de motores en diferentes industrias.
Conclusión
Con su estructura aplanada y su densidad de potencia transformadora, el motor de flujo axial está redefiniendo la arquitectura energética de los vehículos eléctricos, los robots humanoides y los aviones de baja altitud. En esta carrera tecnológica centrada en la 'densidad de par' y el 'aligeramiento', el diseño de la estructura del rotor y la calidad de los materiales de los imanes permanentes establecen el límite inferior, mientras que la estructura montada en superficie, con su diseño simple, respuesta dinámica rápida y alta densidad de par , ocupa una posición insustituible en articulaciones de robots, transmisiones de bujes de alto par y baja velocidad y otras aplicaciones que exigen alta eficiencia y baja inercia.
Desde la optimización precisa de la topología del circuito magnético hasta el diseño de estabilidad a alta temperatura de materiales magnéticos permanentes, sólo dominando la cadena completa de la tecnología de materiales del núcleo y los procesos de fabricación del rotor se puede establecer un verdadero foso en la feroz competencia del mercado. SDM, con sus credenciales como empresa nacional de alta tecnología, 16 años de experiencia acumulada en imanes permanentes, soporte técnico de un equipo de expertos creado por CAS y un sistema sistemático de gestión de calidad, proporciona una base sólida para la alta confiabilidad y el alto rendimiento de los rotores de motores de flujo axial montados en superficie. Ya sea el desafío del amplio rango de velocidades de los motores de cubo, las demandas de control de precisión de baja inercia de las articulaciones de los robots o los requisitos extremos de densidad de potencia y resistencia a la desmagnetización en la propulsión de drones, SDM ofrece soluciones de ingeniería de proceso completo, desde materiales hasta simulación, precisamente la fuerza motriz indispensable que mueve los motores de flujo axial desde el laboratorio hasta la aplicación a gran escala.
