Motores de flujo axialLos motores de flujo axial (AFM), también conocidos como motores de panqueque, ofrecen ventajas distintivas sobre sus homólogos de flujo radial, como alta densidad de potencia, diseño compacto y gestión térmica eficiente. Su rendimiento se basa en la configuración de los imanes, especialmente en diseños de uno y dos rotores.

Comprender las diferencias en el diseño magnético, el comportamiento del flujo, las métricas de rendimiento y las compensaciones es esencial para elegir la configuración óptima.

Fundamentos del motor de flujo axial

Los motores de flujo axial generan par electromagnético mediante la interacción entre imanes permanentes (generalmente de tierras raras) en un rotor en forma de disco y bobinados en un estator, que suelen encapsular uno o más discos de rotor. Sus características incluyen:

• Longitud axial compacta, lo que resulta en una mayor densidad de torque (Nm por litro)
• Trayectoria de flujo magnético corta: reduce las pérdidas magnéticas y permite una alta eficiencia
• Imanes montados en superficie o en el interior: afectan la penetración del flujo y la protección mecánica

Las configuraciones de los imanes influyen en:

• Densidad de flujo en el entrehierro (B_g)
• Par de cogging
• Rendimiento térmico
• complejidad mecánica

Tipos de diseño de imanes para llaves:

• Imanes permanentes de montaje superficial (SPM)
• Imanes permanentes interiores (IPM)
• Matrices Halbach (una matriz SPM especializada que mejora el flujo unilateral)

Configuración de un solo rotor

En este diseño:

• Un disco de rotor lleva imanes, generalmente orientados hacia un estator en un lado.
• Comúnmente dispuesto como rotor-estator-[entrehierro]-carcasa.

Comportamiento magnético

• El flujo cruza un único espacio de aire.
• Circuito magnético más simple: una interfaz estator-rotor.
• Facilidad de fabricación y montaje.

Características de rendimiento

• Par motor de cogging: presente; mitigaciones de diseño como sesgo o bobinado de ranura fraccionaria ayudan.
• Eficiencia: Alta, pero ligeramente inferior al de doble rotor debido a la utilización del flujo de un solo lado.
• Gestión térmica: más sencilla (estator y devanados accesibles).

Casos de uso

• Bicicletas eléctricas, drones, electrodomésticos, motores industriales de bajo coste.
• Aplicaciones donde el espesor debe ser mínimo.

Ventajas	Desventajas
– Diseño simple – Enfriamiento más fácil – Menor costo	– Menor densidad de par – Solo fundente unilateral

Configuración de doble rotor

Dos discos de rotor, cada uno con imanes, encierran el estator en una disposición rotor-estator-rotor (R-S-R).

Esencialmente, dos trayectorias de flujo operan en paralelo.

Comportamiento magnético

• Doble espacio de aire: uno entre cada rotor y estator.
• El flujo se divide en dos espacios; idealmente simétricos para maximizar la utilización.
• La densidad de flujo magnético puede ser mayor para el mismo volumen de imán.

Características de rendimiento

• Densidad de par (T_d): generalmente más alta que la de un solo rotor, debido a la superficie de interacción duplicada.
• Cálculo de torque: Escalas de torque aproximadas cercanas a 2× rotor único (menos pérdidas por fugas menores).
• Par de cogging: se puede reducir si los polos del imán del rotor están desplazados entre sí o con respecto al estator.
• Eficiencia: Conversión eléctrica a mecánica mejorada debido a una mejor utilización del flujo.
• Complejidad: Alta: requiere soportar dos rotores; la alineación mecánica es fundamental.
• Gestión térmica: Un poco más compleja debido al estator intercalado, pero el calor puede fluir desde ambos lados hacia las superficies de enfriamiento.

Casos de uso

• Motores de tracción automotriz (vehículos eléctricos/sistemas híbridos)
• Accionamientos industriales de servicio pesado
• Aplicaciones que exigen un alto par en un espacio axial limitado

Ventajas	Desventajas
– Mayor densidad de par – Mejor eficiencia – engranaje inferior	– Mayor costo – Alineación compleja – Enfriamiento más duro

Comparación cuantitativa

A continuación se muestra una tabla comparativa hipotética basada en motores de flujo axial típicos de tamaño pequeño a mediano (por ejemplo, clase de 10 kW), que ilustra métricas clave:

Parámetro	Rotor único (SR)	Doble rotor (DR)
Recuento de entrehierro	1	2
Volumen del imán (V_magnets)	1 unidad	~1,8–2 unidades*
Par máximo (Nm)	50	90
Densidad de par (Nm/L)	45	80
Par de cogging (% de T_peak)	5%	3%
Eficiencia (%)	93	95
Longitud axial (mm)	100	150
Complejidad estructural	Bajo	Medio-alto
Acceso térmico	Excelente	Moderado
Índice de costos estimados	1.0	1.3 (debido a piezas y ensamblaje)

DR requiere más material magnético, pero una mejor utilización magnética puede permitir utilizar un poco menos por rotor que SR por rotor.

Notas sobre los datos:

• Volumen del imán: un diseño de rotor doble utiliza más imanes, pero cada rotor puede ser levemente más delgado si los caminos de flujo se comparten mejor, lo que a veces da como resultado un aumento de ~1,8× en lugar de un aumento completo de 2×.
• Densidad de par: DR produce entre 1,8 y 2 veces el par, lo que refleja dos caras activas.
• Cogging: la disposición de imanes desplazados mitiga mejor la ondulación del torque en DR.
• Eficiencia: Las ganancias se derivan de una menor fuga magnética y una mejor utilización, generalmente entre 1 y 2 puntos porcentuales.
• Longitud axial: DR es más grueso, lo que impacta el factor de forma.
• Costo: Más alto debido a más piezas de rotor, cojinetes dobles y ensamblaje más complejo.

Consideraciones de diseño y compensaciones

Uso de imanes y costo del material

Los imanes de tierras raras (por ejemplo, NdFeB) dominan el coste.

DR utiliza más imanes, lo que aumenta el costo, pero un mayor rendimiento puede justificarlo.

Los diseñadores a menudo equilibran el grado del imán (remanencia, coercitividad) y el volumen.

Complejidad mecánica

SR: conjunto de eje y rotor único, cojinetes y alineación más sencillos.

DR: requiere dos rotores, una cuidadosa alineación concéntrica axial y, a menudo, cojinetes dobles o un cojinete de empuje.

Soporte estructural y rigidez

El rotor adicional de DR agrega peso y flexibilidad potencial.
La carcasa debe ser robusta para soportar el torque y las fuerzas axiales.

Ruta de enfriamiento y térmica

SR: estator generalmente en el exterior, fácil de enfriar.

DR: el estator está en el medio: un estator interno requiere caminos de calor en ambos lados, a menudo utilizando placas de enfriamiento o canales de fluido.

Complejidad del diseño magnético

Se debe controlar la cancelación y fuga de flujo.

Estrategias de reducción de cogging: sesgo, ranuras fraccionarias, desplazamiento angular del imán (especialmente efectivo en DR mediante la colocación del rotor en antifase).

Estrategia de control

Ambos utilizan un control típico (por ejemplo, control orientado al campo), pero DR puede tener perfiles de inductancia simétricos que ayudan a un control más suave.

Aplicaciones y ejemplos de casos

Vehículos eléctricos y tracción

Los AFM de doble rotor son excelentes donde existe espacio axial (por ejemplo, entre el eje de salida y el chasis).

Ejemplo: un AFM DR de 50 kW utilizado en un vehículo eléctrico ofrece una alta densidad de torque (un pico de 300 Nm en un paquete de motor de 180 mm de espesor).

Aeroespacial y drones

Los AFM de un solo rotor se prefieren en paquetes livianos y delgados (por ejemplo, drones impulsados ​​por hélice).

Ejemplo: Un motor tipo pancake de 5 kW, diámetro 200 mm, longitud axial 60 mm, peso 2 kg, adecuado para propulsión de multicópteros.

Automatización industrial

Ambos tipos se utilizan para servomotores o aplicaciones de accionamiento directo.

La DR resulta ventajosa en entornos axiales limitados pero con necesidad de alto torque (por ejemplo, articulaciones robóticas).

Modelado de rendimiento simulado

Considere dos motores simulados de 20 kW para una aplicación robótica:

Modelo SR:

• Diámetro: 250 mm
• Longitud axial: 90 mm
• Volumen del imán: equivalente a 0,005 m³
• Densidad de flujo simulada (B_g): 0,8 T
• Par máximo: ~200 Nm
• Eficiencia estimada: 93%

Modelo DR:

• Mismo diámetro
• Longitud axial: 140 mm
• Volumen del imán: equivalente a 0,0085 m³
• B_g simulado por lado: 0,75 T
• Par máximo: ~350 Nm
• Eficiencia estimada: 95%

Ideas clave:

• DR logra un aumento de torque de aproximadamente 1,75× para un aumento de volumen del imán de aproximadamente 1,7×.
• Es probable que se produzca una ganancia de eficiencia de unos 2 puntos debido a una mejor utilización del flujo y a menores fugas.

Variantes avanzadas

AFM de matriz Halbach

Utiliza un conjunto de imanes que amplifica el flujo en un lado y lo cancela en la parte posterior.

En el diseño DR, se pueden emplear conjuntos Halbach opuestos en ambos rotores para concentrar aún más el flujo a través del estator, lo que aumenta la densidad de torsión pero agrega complejidad de fabricación.

Imán permanente interior (IPM) AFM

Incorpora imanes dentro del material del rotor.

Ventajas: mejor protección mecánica, potencial de debilitamiento del flujo.

Tanto los diseños SR como DR IPM se benefician, pero el DR IPM es más raro debido a su complejidad.

La elección entre configuraciones de rotor único (SR) y rotor doble (DR) en motores de flujo axial depende de los objetivos de rendimiento, las limitaciones de espacio, los presupuestos de costos y la complejidad de integración:

SR es ideal cuando la simplicidad, el menor costo y el espesor axial mínimo son prioridades.

DR se destaca al maximizar la densidad de torque y la eficiencia dentro del espesor permitido, especialmente en aplicaciones de alto rendimiento o con gran cantidad de espacio, como vehículos eléctricos, unidades industriales o robótica.

Los diseñadores deben considerar el costo de los imanes, la alineación mecánica, las estrategias de enfriamiento y la mitigación del cogging. Con avances como los arreglos Halbach y las variantes de IPM, las posibilidades de optimizar el rendimiento del AFM se están expandiendo. Tanto la SR como la DR siguen siendo fundamentales para el diseño de motores de alta densidad de próxima generación.