A medida que aumenta la demanda de accionamientos eléctricos compactos y de alta eficiencia, especialmente en vehículos eléctricos (VE), la industria aeroespacial, la robótica y la movilidad eléctrica, los motores de flujo axial (AFM) han cobrado protagonismo por su superior potencia y densidad de par. Sin embargo, un alto rendimiento conlleva el reto de la disipación térmica. La refrigeración se convierte en un factor crucial para mantener el rendimiento, la fiabilidad y la longevidad.
Por qué es importante la refrigeración en los motores de flujo axial
A diferencia de los motores de flujo radial, los AFM tienen una estructura plana, similar a un disco, con un recorrido más corto para el flujo magnético y una mayor relación superficie-volumen. Esto los hace térmicamente ventajosos, pero también sensibles al calentamiento localizado, especialmente en aplicaciones de alta velocidad o alto par.
Las principales preocupaciones térmicas incluyen:
- Sobrecalentamiento de bobinados e imanes permanentes
- Disminución de la eficiencia debido al aumento de la resistencia
- Degradación del aislamiento o de los materiales
- Reducción de la vida útil o fuga térmica
Fuentes de calor en motores de flujo axial
| Fuente | Descripción |
| Pérdidas de cobre (I²R) | Calentamiento por resistencia en los devanados del estator |
| Pérdidas de hierro (pérdidas en el núcleo) | Histéresis y corrientes parásitas en los núcleos magnéticos |
| Corrientes parásitas en los imanes | Especialmente con altas frecuencias de conmutación |
| Pérdidas por fricción y mecánicas | Pérdidas en rodamientos y arrastre de aire, aunque mínimas en el diseño |
Por lo tanto, un sistema de refrigeración adecuado no es solo una función de apoyo, sino que es esencial para aprovechar al máximo la potencia de los motores de flujo axial.
Refrigeración por aire: Simplicidad y rentabilidad
Cómo funciona
La refrigeración por aire utiliza convección natural o forzada (ventiladores o canales de flujo de aire) para disipar el calor de las superficies del estator y el rotor.
Refrigeración por aire natural: Disipación pasiva mediante el flujo de aire ambiental.
Refrigeración por aire forzado: Sopladores o ventiladores axiales impulsan el aire a través de los canales del motor o sobre aletas.
| Pros | Contras |
| √ Diseño simple | × Capacidad térmica limitada (~1–3 W/cm²) |
| √ Menor costo | × Menos eficaz en espacios compactos y cerrados |
| √ Sin mantenimiento de refrigerante | × Sensible a la temperatura ambiente |
| √ Ligero |
Mejores casos de uso
- Aplicaciones de densidad de potencia baja a media
- Bicicletas eléctricas, patinetes, drones pequeños
- Entornos con buena circulación de aire
Tabla de rendimiento de refrigeración por aire
| Parámetro | Valor típico |
| Potencia continua máxima | < 10–15 kW |
| Capacidad de flujo de calor | 1–3 W/cm² |
| Rango de temperatura | 30–90 °C |
| Penalización de peso | Mínima |
| Necesidad de mantenimiento | Baja |
Refrigeración líquida: gestión térmica de alta potencia
Cómo funciona
La refrigeración líquida implica la circulación de un fluido (normalmente agua, glicol o un fluido dieléctrico) a través de canales integrados en el estator o alrededor de él, y a veces en el rotor. El líquido absorbe y transfiere calor a un intercambiador de calor o radiador.
Existen varias configuraciones:
- Refrigeración de la camisa del estator: Canales de fluido alrededor del estator exterior.
- Refrigeración de canal integrado: Contacto directo del líquido con los devanados o el núcleo de cobre.
- Refrigeración por inmersión: Sumergir el motor en fluido dieléctrico.
| Pros | Contras |
| √ Alta eficiencia de refrigeración (10–100 W/cm²) | × Mayor complejidad y costo del sistema |
| √ Diseño compacto y modular | × Riesgo de fugas |
| √ Operación estable a ciclos de trabajo altos | × Requiere bombas de refrigerante y radiadores |
Mejores casos de uso
- Vehículos eléctricos de alto rendimiento
- Aviación y aeroespacial
- Robótica industrial de alta velocidad
Rendimiento de refrigeración líquida
| Parámetro | Valor típico |
| Potencia continua máxima | Hasta 300 kW |
| Capacidad de flujo de calor | 10–100 W/cm² |
| Rango de temperatura | 30–130 °C |
| Penalización de peso | Moderada |
| Necesidad de mantenimiento | Media a alta |
Tecnologías de refrigeración avanzadas: Más allá de los sistemas tradicionales
A medida que evolucionan los motores de flujo axial, también lo hacen sus necesidades de refrigeración. A continuación, se presentan técnicas de refrigeración de última generación que se están explorando o implementando en prototipos y fabricación avanzada:
Tubos de calor y cámaras de vapor
Utilizan fluidos de cambio de fase para transportar rápidamente el calor desde el estator hasta un disipador de calor.
- Sistema pasivo, no requiere bomba.
- Excelente para puntos calientes localizados.
- Utilizado en sistemas aeroespaciales y de micromotores.
Refrigeración por inmersión dieléctrica
En lugar de circular agua o glicol, el motor se sumerge completamente en un fluido dieléctrico no conductor (como 3M Novec o aceite mineral).
- Refrigeración por contacto directo del estator y el rotor
- Sin riesgo de cortocircuito
- Alto rendimiento térmico
Materiales de Cambio de Fase (PCM)
Los PCM absorben grandes cantidades de calor durante la transición de fase (de sólido a líquido), lo que permite un amortiguamiento térmico en ráfagas cortas de alta carga.
- Ideal para ciclos de trabajo intermitentes.
- Común en defensa y aeroespacial.
Estructuras de Refrigeración Integradas
La fabricación aditiva (impresión 3D) permite la creación de canales de refrigeración internos dentro de las laminaciones o carcasas del estator, lo que mejora la transferencia de calor sin necesidad de tuberías tradicionales.
Resumen comparativo: Métodos de refrigeración para motores de flujo axial
| Tipo de refrigeración | Tasa de eliminación de calor | Complejidad | Costo | Fiabilidad | Mejor para |
| Aire (natural) | Baja (1–2 W/cm²) | Muy baja | Bajo | Alta | Motores de baja potencia, sistemas abiertos |
| Aire (forzado) | Media (2–5) | Baja | Bajo | Alta | Movilidad eléctrica de consumo, ventiladores de baja velocidad |
| Camisa líquida | Alta (10–50) | Media | Media | Alta | Vehículos eléctricos, robótica, motores compactos de alta potencia |
| Inmersión líquida directa | Muy alta (hasta 100) | Alta | Alta | Media | Aeroespacial, deportes de motor, robótica |
| Inmersión en dieléctrico | Muy alta | Alta | Alta | Media | Aplicaciones selladas de alto rendimiento |
| Cámaras de vapor/tubos de calor | Media-alta | Media | Media | Media | Aeroespacial, drones, refrigeración en espacios reducidos |
| PCM | Baja (amortiguada) | Media | Media | Baja | Sistemas de operación de corta duración o en ráfagas |
Consideraciones de Diseño desde la Perspectiva del Fabricante
Al diseñar y fabricar motores de flujo axial, la elección del método de refrigeración debe abordarse desde el principio de la fase de desarrollo. Nos centramos en los siguientes factores:
Diseño del Núcleo y el Devanado
Los conjuntos compactos de estator y rotor requieren factores de relleno de cobre optimizados y pilas de laminación que faciliten el flujo de aire o el contacto con el refrigerante.
Para la refrigeración líquida, las ranuras o canales empotrados deben mecanizarse o fundirse con precisión.
Carcasa y Envolvente
Debe alojar bombas, puertos o aletas, según el sistema de refrigeración.
La fundición a presión o el mecanizado CNC ayudan a optimizar la forma de los disipadores de calor externos.
Selección de Materiales
La conductividad térmica, la resistencia a la corrosión y las propiedades dieléctricas son fundamentales.
Uso de aleaciones de aluminio, polímeros de alto rendimiento y recubrimientos.
Seguridad y Pruebas
Las pruebas de fugas, la validación de ciclos térmicos y los sellos redundantes son obligatorios para la refrigeración líquida.
Los sistemas de inmersión dieléctrica requieren comprobaciones completas del aislamiento eléctrico.
Como fabricante a medida, ofrecemos:
- Laminaciones personalizadas de la pila de estator y rotor, optimizadas para refrigeración.
- Carcasas moldeadas o mecanizadas con canales integrados.
- Análisis térmico completo y simulaciones de refrigeración durante la fase de diseño.
Aplicaciones del mundo real y estudios de casos
Motor de tracción EV con refrigeración líquida
- Potencia del motor: 150 kW
- Refrigeración: Camisa de líquido integrada
- Resultado: Se mantiene por debajo de 85 °C durante la carga continua, con un volumen un 30 % menor que el equivalente radial
Motor de propulsión de drones con aire forzado
- Potencia del motor: 5 kW
- Refrigeración: Ventilador axial integrado en el cubo del rotor
- Resultado: Sistema ligero y simplificado de menos de 4 kg, rendimiento constante con un flujo de aire mínimo
Articulación robótica industrial con refrigeración por inmersión
- Potencia del motor: 20 kW
- Refrigeración: Inmersión dieléctrica basada en fluorinert
- Resultado: Aumento del 40 % en el ciclo de trabajo; reducción de la temperatura máxima localizada en 18 °C
El futuro de la refrigeración de motores de flujo axial
Con la expansión de la electrificación en todos los sectores, la necesidad de una refrigeración más inteligente e integrada seguirá en aumento. Las tendencias incluyen:
- Simulaciones de gemelos digitales para optimización térmica
- Nanorrecubrimientos para reducir la resistencia superficial a la transferencia de calor
- Bombas de líquido controladas por IA que modulan el caudal en función de la carga
- Bombas multifásicas compactas y miniintercambiadores de calor para sistemas integrados
La industria está evolucionando hacia la refrigeración como sistema, donde el control del motor, la retroalimentación de los sensores y la monitorización dinámica de la carga ayudan a optimizar el rendimiento en tiempo real.
Conclusión
La refrigeración no es solo un accesorio para los motores de flujo axial; es un factor clave en el rendimiento, la fiabilidad y la vida útil. Ya sea mediante convección de aire simple o inmersión dieléctrica de vanguardia, elegir la solución de refrigeración adecuada requiere un equilibrio entre rendimiento, coste, complejidad y viabilidad de integración.
Como fabricante, nos comprometemos a ofrecer motores de flujo axial y núcleos de motor diseñados para un rendimiento térmico óptimo. Desde el prototipado hasta la producción, nuestro equipo colabora con usted para implementar el mejor método de refrigeración para su aplicación.
