01 ¿Qué es un motor de flujo axial?
Según la dirección del flujo magnético, el motor se divide en motor de flujo axial y motor de flujo radial. Si bien las direcciones del flujo magnético difieren, sus principios de funcionamiento se basan en las leyes básicas del electromagnetismo.
Es decir, el controlador del motor controla la intensidad y la dirección del campo magnético de la bobina (rotor) modificando la dirección y la magnitud de la corriente que la atraviesa. Dado que los polos magnéticos del estator son fijos, cuando la dirección y la intensidad del campo magnético del rotor cambian, este interactúa para generar la fuerza de Lorentz, impulsando así la rotación del rotor.
Diagrama esquemático de la dirección de la trayectoria del flujo magnético
Los polos magnéticos del estator del motor de flujo axial están dispuestos a lo largo del eje. El rotor suele tener una estructura cilíndrica. El flujo magnético pasa por su eje central. Cuando la corriente circula por el devanado del estator, el campo magnético generado recorre el rotor a lo largo del eje. Según la ley de fuerza de Lorentz, este campo magnético genera par en el rotor, impulsándolo a girar.
El entrehierro del motor de flujo axial es plano, la longitud axial es corta y tiene forma de disco delgado, por lo que también se le llama motor de disco.
Diagrama esquemático de estructuras de motores de flujo axial y de flujo radial
La estructura topológica de los motores de flujo axial es flexible y puede combinarse según las aplicaciones reales. Según la estructura de combinación estator-rotor, los motores de flujo axial se pueden dividir en las siguientes cuatro estructuras:
Estructura de un solo estator/un solo rotor: 1 rotor + 1 estator, estructura simple y compacta, pero gran atracción magnética unilateral, gran carga de cojinete, gran vibración y ruido, y el riesgo de fricción estator-rotor, lo que reduce la vida útil del motor;
Estructura de estator único/rotor doble: 2 estatores externos + 1 rotor interno, alta densidad de potencia, más adecuado para sistemas de tracción, aeroespacial y otros campos;
Estructura de estator dual/rotor único: 2 rotores externos + 1 estator interno, con buena simetría, atracción magnética unilateral relativamente pequeña, más adecuado para sistemas de generación de energía eólica;
Estructura de múltiples estatores/múltiples rotores: múltiples estatores + múltiples rotores, adecuado para escenarios de gran torque, como sistemas de propulsión de barcos, generación de energía eólica a gran escala y generadores hidroeléctricos.
02 Ventajas y limitaciones de los motores de flujo axial
Ventajas de los motores de flujo axial
Tamaño compacto y peso ligero: El volumen y la masa de los motores de flujo axial son de 5 L y 24 kg, respectivamente, mientras que el de los motores de flujo radial convencionales para automóviles son de 10 L y 50 kg, respectivamente. Los motores de flujo axial se ajustan a la tendencia de los automóviles ligeros. Además, presentan una estructura compacta, una longitud radial menor y una gran flexibilidad de instalación.
| Parámetro | Motor de flujo axial | Motor de flujo radial |
| Volumen (L) | 5 | 10 |
| Peso (kg) | 24 | 50 |
| Par de torsión (Nm) | 800 | 400 |
| Potencia (kW) | 358 | 186 |
| Densidad de par (Nm/L) | 160 | 40 |
| Densidad de potencia (kW/kg) | 14.9 | 3.7 |
Alta densidad de torque y densidad de potencia: el área de superficie magnética efectiva de los motores de imán permanente de flujo axial se encuentra en la superficie del rotor del motor, no en el diámetro exterior, por lo que generalmente pueden proporcionar más torque dentro de un cierto volumen, mejorando así la densidad de torque y la densidad de potencia.
Alta eficiencia: Gracias a la trayectoria de flujo unidimensional más corta, la eficiencia de los motores de flujo axial es muy alta, generalmente superior al 96%, comparable o incluso mejor que la de los mejores motores de flujo radial bidimensional del mercado. Los motores de flujo axial ahorran entre un 15% y un 25% de energía en comparación con los motores radiales convencionales en todos los niveles de potencia y pueden mantener la potencia máxima de salida durante más tiempo.
Estructura del motor de flujo axial
Bajo nivel de ruido y vibración: debido a la distribución uniforme del campo magnético, el motor de flujo axial genera bajo nivel de ruido y vibración durante el funcionamiento, lo que es particularmente adecuado para escenarios de aplicación con requisitos estrictos de ruido y vibración.
Ahorro de energía y reducción de carbono: Las ventajas de volumen y peso del motor de flujo axial permiten reducir el consumo de cobre, hierro, imanes permanentes y otros materiales en el proceso de producción y fabricación en aproximadamente un 50 % en comparación con los motores radiales de imanes permanentes. Si se considera la tecnología de estator PCB sin núcleo, el consumo de cobre del motor axial puede reducirse hasta un 34 % con respecto al del motor radial.
Al mismo tiempo, presenta un menor peso propio y una mayor eficiencia. En la aplicación, el motor consume menos energía y tiene una mayor capacidad de conducción, lo que favorece el ahorro de energía y la reducción de emisiones de carbono.
Limitaciones de los motores de flujo axial
Problemas de costo: Los motores de flujo axial requieren materiales y procesos de fabricación especiales, por lo que su costo suele ser mayor que el de los motores de flujo radial tradicionales. Por ejemplo, el uso de una topología sin yugo y un diseño especial de estator-rotor incrementará los costos.
Complejidad de diseño y producción: El diseño y la producción de motores de flujo axial suelen ser más complejos. Por ejemplo, el entrehierro entre el rotor y el estator debe mantenerse uniforme. La fuerza axial durante el funcionamiento puede causar una tensión considerable en el eje del motor. El proceso de fabricación y los equipos mecánicos no son tan avanzados como los de los motores radiales. Todo esto limita la capacidad de producción en masa.
Sección transversal de un motor de flujo axial
Problemas de disipación de calor: Dado que los devanados de un motor de flujo axial se encuentran en el interior del estator y entre los dos discos del rotor, la disipación de calor es muy difícil. Se producirán problemas de sobrecalentamiento cuando el motor funcione bajo carga elevada, lo que afectará su rendimiento y vida útil.
