Los motores de flujo axial (AFM) han pasado de los laboratorios de investigación a convertirse en productos reales, desde la robótica y la movilidad eléctrica hasta el sector aeroespacial y la generación distribuida. Su geometría en forma de disco concentra un elevado par en una longitud axial reducida, lo que permite fabricar máquinas delgadas, con forma de tortita, que encajan donde los motores cilíndricos tradicionales («de flujo radial») tienen dificultades.

¿Qué es un motor de flujo axial?

En una máquina de flujo axial, el flujo magnético se desplaza en paralelo al eje (axialmente) a través de un entrehierro plano entre un disco de rotor con imanes permanentes (o un campo bobinado) y un disco de estator plano con bobinados. Por el contrario, las máquinas de flujo radial guían el flujo radialmente, a través de un entrehierro cilíndrico entre un rotor interior y un estator exterior. La configuración axial crea un gran brazo de palanca efectivo (radio medio), por lo que, para una tensión de cizallamiento dada en el entrehierro, el par varía aproximadamente con el cubo del radio y solo linealmente con la longitud axial. Por eso los AFM suelen ofrecer una excelente densidad de par para una masa dada y, especialmente, para espacios axiales limitados.

Topologías comunes de las AFM

• Estator único, rotor único (SS-SR): La construcción más sencilla; las fuerzas magnéticas axiales desequilibradas deben gestionarse estructuralmente.
• Doble rotor, estator único (DR-SS): Los rotores a ambos lados de un estator equilibran las fuerzas axiales y duplican el área activa para el mismo diámetro.
• Doble estator, rotor único (DS-SR): un rotor central intercalado entre dos estatores; también equilibra las fuerzas axiales y duplica el cobre activo.
• Inducido sin yugo y segmentado (tipo YASA): Los módulos de dientes segmentados sin una chapa de fondo continua reducen la masa de hierro y las pérdidas por corrientes parásitas, mejorando así la densidad de par.
• Estator sin núcleo (de núcleo de aire): Elimina los dientes de hierro para suprimir prácticamente el efecto de cogging y las pérdidas en el hierro; ideal para la suavidad y la eficiencia a carga parcial, pero con menor densidad de flujo y mayor masa de cobre.
• Estator de PCB (potencia muy baja): trazas de cobre en espiral sobre FR-4 o poliimida; excepcional delgadez y precisión para ventiladores/microaccionamientos a bajo par.

¿Por qué elegir (o no elegir) un AFM?

Puntos fuertes

• Alta densidad de par con un diámetro modesto; diseño delgado tipo «pancake» con una longitud axial corta.
• Bajo potencial de cogging (especialmente con diseños sin núcleo o sin yugo), lo que proporciona un movimiento suave y un bajo nivel de ruido acústico.
• Escalabilidad en el área del disco: generadores/motores de accionamiento directo de gran diámetro y baja velocidad (p. ej., eólicos, volantes de inercia, bancos de pruebas).
• Las espiras finales cortas con bobinados concentrados (en muchos AFM) reducen las pérdidas por cobre.

Limitaciones

• Se requiere un control más estricto del entrehierro: las caras planas deben permanecer paralelas bajo carga y temperatura.
• Las vías térmicas pueden ser complicadas: los discos grandes y delgados requieren una extracción de calor bien planificada para evitar puntos calientes.
• Un mayor número de polos conduce a una mayor frecuencia eléctrica a un número determinado de rpm (lo que afecta al inversor y a las pérdidas).
• Complejidad de fabricación de los estatores segmentados, los soportes de los imanes y el flejado del rotor, especialmente a altas revoluciones.

Rangos de rendimiento típicos (orientativos)

El rendimiento real depende de los materiales, la refrigeración, el control, el ciclo de trabajo y los márgenes de seguridad. Los siguientes rangos son conservadores, pero útiles para una selección inicial:

• Densidad de flujo máxima en el entrehierro (NdFeB): 0,6–0,9 T (dentado), 0,3–0,5 T (sin núcleo)
• Carga eléctrica específica (A, RMS): 20–60 kA/m (refrigeración por aire), hasta ~80 kA/m (refrigeración líquida agresiva)
• Densidad de par continua: ~8–25 N·m/kg (diseños bien refrigerados); el pico puede superar los 30–60 N·m/kg en ráfagas cortas
• Densidad de potencia continua: ~1–3 kW/kg; pico ~2–6 kW/kg (breve)
• Eficiencia máxima: 92–97 % (correctamente optimizada)
• Entrehierro: 0,3–1,5 mm típico (menor con diámetro menor/desviación menor)
• Pares de polos: 6–40 (mayor para diámetros grandes/baja velocidad)

Estos no son límites estrictos; los diseños especializados, la refrigeración avanzada (pulverización/chorro de aceite, placas de refrigeración) y los imanes de alta calidad pueden superarlos.

Pérdidas y eficiencia

• Pérdidas por cobre (I²R): Predominantes a par elevado. Se reducen mediante una mayor sección transversal del conductor, una menor temperatura del devanado y un mayor factor de llenado (lo habitual es un 35–55 % con alambre redondo o rectangular).
• Pérdidas en el hierro (histéresis + corrientes parásitas): significativas en estatores dentados; se reducen mediante laminaciones finas (0,1–0,35 mm), grados de baja pérdida o compuestos magnéticos blandos (SMC) en regiones de flujo 3D.
• Efecto de proximidad y efecto piel: Aumentan con la frecuencia eléctrica y la geometría del conductor; se mitigan mediante alambre Litz (baja potencia) o conductores de barra perfilada (potencia más alta).
• Mecánicas y por resistencia aerodinámica: los discos giratorios pueden sufrir resistencia aerodinámica; el uso de carenados y superficies lisas ayuda a mitigarlas.
• Pérdidas del inversor (conmutación + conducción): Aumentan con la frecuencia eléctrica (que aumenta con el número de polos a unas rpm determinadas). La elección correcta del dispositivo (SiC/MOSFET/IGBT), un PWM óptimo y una frecuencia de conmutación adecuada son fundamentales.

Gestión térmica

Los AFM son delgados y anchos, por lo que el calor debe disiparse radial y axialmente del cobre y el hierro:

Vías de conducción: desde los dientes/bobinas dentadas al hierro trasero y a la carcasa; o directamente desde la ranura/bobina a una placa refrigerada por líquido.

Opciones de refrigeración:

• Convección de aire sobre las caras del estator, con carcasas con aletas
• Placas de refrigeración líquida detrás del estator
• Refrigeración por pulverización/chorro de aceite directamente sobre los devanados (avanzada)

Valores aproximados del flujo de calor: ~5–15 kW/m² (aire forzado), ~30–100 kW/m² (placas de líquido) y valores más altos para el impacto directo de aceite con un aislamiento cuidadoso.

Materiales y fabricación

Imanes

• NdFeB (grados N42–N52, H/EH): la mayor densidad energética; vigilar la temperatura máxima (80–180 °C dependiendo del grado).
• SmCo: menor remanencia, pero estabilidad térmica mucho mejor (200–300 °C); excelente para diseños de alta temperatura o resistentes a la desmagnetización.
• Ferrita: Barata y estable, pero con baja densidad energética; viable con estructuras de concentración de flujo.

Hierro del estator

Láminas de acero eléctrico (0,1–0,35 mm) para estatores dentados; SMC para flujos 3D complejos; o ninguno para los sin núcleo.

Bobinados

Bobinas de alambre redondo, rectangulares «tipo horquilla» (menos comunes en AFM, pero posibles), o litz para máquinas de alta frecuencia/pequeñas.

Bobinados en PCB para micro-AFM de bajo par.

Integridad del rotor

Imanes unidos a un soporte de acero o compuesto; a revoluciones más altas, utilice bandas no magnéticas (por ejemplo, manguitos de fibra de carbono) para contener la tensión circunferencial y evitar el desplazamiento de los imanes.

Tolerancias

La planitud y el paralelismo son importantes. La uniformidad del entrehierro en el rango de decenas de micras mejora la eficiencia y reduce el ruido acústico.

Equilibrio dinámico normalmente según la norma ISO 21940 G2.5 (o superior) para un funcionamiento silencioso.

AFM frente a flujo radial frente a flujo transversal

A continuación se muestra una comparación práctica. Los valores son indicativos —no absolutos— y suponen una refrigeración adecuada y materiales modernos.

Atributo	Flujo axial (AFM)	Flujo radial (RFM)	Flujo transversal (TFM)
Empaquetamiento	Delgado tipo «pancake», longitud axial corta	Longitud axial mayor, diámetro menor	Trazados magnéticos voluminosos y complejos
Densidad de par continua	Alta (8–25 N·m/kg, mayor con refrigeración líquida)	Moderada-alta (6–20 N·m/kg)	Potencialmente muy alta, pero difícil de alcanzar
Densidad de potencia	1–3 kW/kg (cont.), 2–6 kW/kg (pico)	1–2,5 kW/kg (cont.), hasta ~4 kW/kg (pico)	Alto potencial; fabricación compleja
Número de polos (típico)	Medio-alto (6–40 pares)	Bajo-medio (3–12 pares)	Alto
Frecuencia eléctrica a un régimen de revoluciones determinado	Mayor (debido al mayor número de polos)	Más baja	Más alta
Cogging y ondulación	Muy bajos con sin núcleo/sin yugo	Bajo-moderado (se requiere mitigación)	Depende del diseño; a menudo supone un reto
Refrigeración	Requiere rutas de disipación de calor planas cuidadosas	Rutas radiales bien conocidas	Complejo
Dificultad de fabricación	Moderada-alta (discos, bandas, precisión)	Cadenas de suministro maduras	Alta (trayectorias de flujo 3D)
Óptimo	Alto par en espacios axiales reducidos; accionamiento directo	Uso general; amplio rango de velocidades	Aplicaciones especializadas de alto par y baja velocidad

Dimensionamiento rápido por tensión de cizallamiento

Una forma rápida de estimar el diámetro de un AFM es suponer una tensión de cizallamiento tangencial en el espacio de aire y una relación entre los radios interior y exterior. En muchos AFM, la tensión de cizallamiento continua se sitúa entre 20 y 40 kPa con una buena refrigeración por aire o líquido (los picos pueden ser más altos durante breves periodos).

Potencia nominal	Velocidad (rpm)	Par (N·m)	ror_o recomendado (m)	Ø exterior (m)	Frecuencia eléctrica* (Hz)
5 kW	1500	31,83	0,0833	0,167	500
10 kW	3000	31,83	0,0833	0,167	1000
25 kW	3000	79,58	0,1131	0,226	1000
50 kW	3000	159,15	0,1425	0,285	1000
100 kW	3000	318,31	0,1796	0,360	1000
25 kW	1000	238,73	0,1631	0,326	333
50 kW	1000	477,46	0,2056	0,411	333
100 kW	1000	954,93	0,2590	0,518	333

Parámetros clave de diseño y rangos prácticos

Holgura

• Lo habitual es entre 0,3 y 1,5 mm. Los diámetros mayores y las velocidades más altas obligan a aumentar el espacio de seguridad; el mecanizado de precisión y las estructuras rígidas permiten reducirlo.

Espesor y patrón del imán

• Entre el 2 % y el 6 % del diámetro exterior como punto de partida aproximado para tamaños medios.
• Las disposiciones de Halbach aumentan el flujo del entrehierro y reducen las necesidades de hierro de fondo, pero añaden complejidad.

Combinaciones de ranuras y polos

• Los devanados concentrados en ranuras fraccionarias (p. ej., 12 ranuras/10 polos, 24 ranuras/22 polos, etc.) reducen el cobre de las vueltas finales y el efecto de cogging.
• Asegúrese de que el mínimo común múltiplo (MCM) de ranuras y polos admita bobinados trifásicos equilibrados y armónicos espaciales aceptables.

Densidad de corriente (en cobre)

• 3–6 A/mm² RMS para funcionamiento continuo refrigerado por aire, hasta ~10 A/mm² (o más) con refrigeración líquida de alta gama.
• Vigile la temperatura de los puntos calientes en las raíces de los dientes y en el centro de las bobinas gruesas.

Integridad mecánica

• Verifique la tensión del aro del rotor a velocidad máxima (prueba típica al 120–150 % de la nominal).
• Utilice manguitos no magnéticos (fibra de carbono) para retener los imanes a altas revoluciones.

NVH (ruido, vibración y aspereza)

• Reduzca el efecto de cogging mediante el sesgado de los imanes, el biselado de los dientes, ranuras/polos fraccionados y diseños sin núcleo.
• Equilibrar estática y dinámicamente; buscar bajas pulsaciones radiales/axiales en las fuerzas electromagnéticas.

Selección de materiales

Componente	Opción	Ventajas	Contras	Notas
Imanes	NdFeB (N42–N52, H/EH)	Mayor densidad energética; compactos	Desmagnetización a altas temperaturas; volatilidad de precios	Verificar B⁣HmaxB!H_{max}BHmax​, HciH_{ci}Hci​; elegir el grado en función del margen térmico
	SmCo	Estabilidad a altas temperaturas; resistente a la corrosión	Menor energía; coste	Ideal para funcionamiento a >180 °C
	Ferrita	Económico; estable	Gran volumen; bajo flujo	Funciona con topologías de concentración de flujo
Estator	Acero laminado (0,1–0,35 mm)	Maduro; buen control de pérdidas	Restricciones de laminado 2D	Elegir grados de baja pérdida para alta frecuencia
	SMC	Capacidad de flujo 3D	Menor permeabilidad; mayor pérdida a baja frecuencia	Útil para dientes segmentados/sin yugo
	Sin núcleo (sin hierro)	Cogging casi nulo; baja pérdida en hierro	Menor densidad de flujo; más cobre	Excelente suavidad/precisión
Bobinados	Alambre redondo	Flexible, fácil	Menor relleno que el rectangular	Ideal para prototipos y muchas series de fabricación
	Rectangular/barra	Mayor relleno, mejor contacto térmico	Curvas más cerradas; control del proceso	A tener en cuenta para máquinas de más de 10 kW
	Litz	Reduce las pérdidas por piel y por proximidad	Costoso; complejidad en el dimensionamiento	Adecuado para máquinas pequeñas de alta frecuencia

Consideraciones sobre el control y el inversor

El control orientado al campo (FOC) con conmutación sinusoidal es estándar. Los devanados concentrados introducen armónicos espaciales; unos buenos controladores de corriente y un buen filtrado mitigan la ondulación del par.

La frecuencia eléctrica aumenta con el número de polos: fe = p⋅rpm/6. Un fe alto aumenta las pérdidas en el núcleo y de conmutación; los inversores MOSFET de SiC ayudan a voltajes y frecuencias más altos.

La forma de la fuerza contraelectromotriz (trapezoidal frente a sinusoidal) depende de la configuración de las ranuras, los polos y los imanes; la sinusoidal reduce la ondulación y el ruido acústico.

Sensores: codificadores o resolvers para un alto rendimiento dinámico; es posible el FOC sin sensores, pero resulta más difícil a baja velocidad.

Enlace de CC y filtrado: con un elevado número de polos, asegúrese de que la capacitancia del enlace de CC sea adecuada y tenga en cuenta el dv/dt en los devanados (riesgo de descargas parciales a alta tensión).

Resumen de aplicaciones

• Movilidad eléctrica (motocicletas eléctricas, vehículos eléctricos ligeros, AGV): el diseño delgado libera espacio en el embalaje; alto par a velocidad de rueda; vigilar la gestión térmica en carcasas selladas.
• Aeroespacial/eVTOL: La alta densidad de par y la suavidad son atractivas; los materiales deben cumplir requisitos estrictos de temperatura y fiabilidad; el SmCo puede ser el material preferido.
• Robótica/cobots: los AFM sin núcleo destacan cuando se requiere un par ultra suave, con bajo efecto de cogging y capacidad de retroalimentación.
• Generadores eólicos y de accionamiento directo: alternadores de flujo axial de diámetro muy grande a bajas revoluciones; ferrita o NdFeB con concentración de flujo para controlar los costes.
• Husillos industriales y bancos de pruebas: su perfil delgado permite un par de transmisión directa a velocidades moderadas sin cajas de engranajes, lo que reduce el juego y el mantenimiento.

Consejos de integración (lo que a menudo se pasa por alto)

• Equilibrio de la fuerza axial: Opte por DR-SS o DS-SR para anular la atracción magnética; esto flexibiliza la selección de rodamientos y la rigidez de la carcasa.
• Excentricidad y planitud: Mídalas en caliente. Los rotores compuestos y las carcasas de aluminio se expanden de forma diferente; mantenga una holgura segura a la temperatura máxima y a las revoluciones máximas.
• EMC y cableado: un elevado número de polos y las frecuencias eléctricas aumentan la tensión dv/dt; elija un blindaje de cable adecuado y una clase de aislamiento del bobinado adecuada.
• Retención y seguridad de los imanes: Diseñe teniendo en cuenta el exceso de velocidad y las variaciones térmicas; el encapsulado y los manguitos deben impedir que los imanes se desprendan.
• Facilidad de mantenimiento: Los dientes del estator segmentados y los rotores modulares reducen el tiempo de inactividad para la sustitución de bobinas o imanes permanentes.
• Sensores térmicos: Coloque RTD/NTC cerca de la base de los dientes y en el centro de las bobinas densas para detectar puntos calientes de forma temprana.
• Realismo en los costes: los imanes de alta calidad y las tolerancias de mecanizado ajustadas dominan la lista de materiales; un DFM temprano con su proveedor evita el aumento de costes de última hora.

Los motores de flujo axial son la mejor opción cuando el espacio disponible exige un par elevado en una longitud axial mínima y cuando la suavidad, la compacidad y la modularidad son importantes. Para cumplir esa promesa, debe dominar el control del entrehierro, las vías térmicas y la adaptación del inversor, y seleccionar materiales que se ajusten a sus realidades de temperatura y coste. Utilice el atajo del dimensionamiento por esfuerzo de cizallamiento para situarse en el rango de diámetro adecuado, elija una topología (DR-SS y DS-SR son las más utilizadas) y colabore con su proveedor en materia de refrigeración y fabricabilidad. Con una ingeniería sólida, los AFM ofrecen una densidad de par excepcional y un funcionamiento refinado en los sectores de la movilidad eléctrica, la industria aeroespacial, la robótica y la generación de accionamiento directo.