Para agilizar su proyecto, puede etiquetar las pilas de laminación con detalles como tolerancia, material, acabado superficial, si se requiere o no aislamiento oxidado, cantidady mucho más.
Los yugos segmentados de estator y rotor ya no son una curiosidad de nicho; son lo que se busca una vez que la densidad de par, los límites térmicos y la fabricabilidad empiezan a discutir entre sí y se necesitan las tres cosas a la vez para ganar.
Ya conoce la historia habitual de los motores de flujo axial: par elevado por masa, máquina corta, mecánicamente incómoda, térmicamente estresada. Ha visto los diagramas de las máquinas sin yugo y con inducido segmentado (YASA) y ha leído los argumentos de venta de los proveedores de motores. Lo que suele faltar es una mirada sincera a cómo la segmentación de los yugos del estator y del rotor cambia las limitaciones reales para las que se diseña, y dónde los bonitos diagramas dejan tranquilamente de ajustarse a la realidad.
Esta es la visión de un ingeniero de trabajo de esa brecha.
El trabajo original de YASA demostró que desechar el yugo continuo del estator y sustituirlo por dientes discretos envueltos en devanados concentrados proporciona un relleno de cobre muy alto, devanados finales más cortos y menos masa de hierro, por lo que la densidad de par se dispara en comparación con las máquinas toroidales clásicas. Las revisiones modernas siguen confirmando el mismo patrón: si buscas densidad de potencia, un estator sin yugo o segmentado es casi siempre el primero de la lista.
Pero la tendencia más interesante de los últimos artículos y patentes es que la segmentación se ha salido del puro problema electromagnético.
Los dientes del estator se están convirtiendo en módulos termomecánicos individuales, a menudo con sus propias zapatas de compuesto magnético blando (SMC) que tocan la carcasa refrigerada. Los yugos del rotor se están dividiendo en módulos circunferenciales con sus propios segmentos de hierro dorsal y pilas de imanes, atornillados a un disco portador para facilitar el montaje y la reparación. En las máquinas de alto rendimiento, como los recientes prototipos de YASA, la topología se apila en sistemas multirrotor y multiestator en los que la segmentación tiene que ver tanto con la refrigeración y la fabricación como con el flujo.
Así que en lugar de "la segmentación aumenta la densidad de par", una regla general más honesta es: la segmentación cambia la continuidad magnética por el control sobre otras tres cosas a la vez: la geometría del bobinado, las trayectorias térmicas y la forma de construir o mantener el motor.
Una vez aceptado el cambio, tanto el estator como el rotor empiezan a parecer negociables.
Los estatores clásicos de flujo axial utilizaban un anillo laminado continuo con dientes estampados. Es electromagnéticamente limpio, estructuralmente rígido y molesto de enrollar o enfriar bien. Usted ha hecho ese baile.
Las alternativas segmentadas se dividen aproximadamente en dos grupos.
En primer lugar, el "verdadero" inducido segmentado sin yugo: dientes separados con bobinas, transportados por un disco estructural no magnético, sin yugo estator continuo en absoluto. Este es el modelo YASA de Oxford y UGent, y ahora está bien cubierto en la literatura. Los dientes ven el flujo sólo a través de sus propios caminos a los imanes enfrentados; hay muy poco flujo compartido circunferencial entre los dientes. El precio a pagar es que la carcasa y cualquier resina o SMC utilizado para el apoyo ahora se convierten en parte de la estructura mecánica, a pesar de que electromagnéticamente son en su mayoría fuera de la imagen.
En segundo lugar, módulos de yugo segmentados que siguen comportándose como piezas de un anillo. La reciente patente US20230047862A1 es un buen ejemplo: cada segmento del estator es un núcleo laminado dentro de un manguito de SMC con zapatas polares en cada extremo axial, las zapatas en contacto con una carcasa exterior revestida de agua. Las laminaciones proporcionan bajas pérdidas en el núcleo; el SMC permite esculpir zapatas sesgadas o en forma de V y empujar el calor directamente a la carcasa. Las aberturas de las ranuras entre segmentos pueden ser rectas, inclinadas, en forma de Z o de V para recortar el par de arrastre y el contenido armónico sin recurrir a disposiciones de bobinado extrañas.
Desde el punto de vista del diseño, el mensaje es sencillo pero ligeramente incómodo.
El "yugo del estator" ya no es un único anillo que se dimensiona una vez a partir de las restricciones de B-t. Es un campo de fuentes de calor y trayectorias de flujo discretas, asentado en un andamiaje estructural y térmico del que se puede -y probablemente se debe- abusar.
Si trata esos segmentos sólo como versiones reducidas de un diente de yugo continuo, los infrautilizará.
En comparación con los estatores, los yugos del rotor de las máquinas de flujo axial se han mantenido conservadores durante más tiempo. Muchos motores de tipo YASA siguen utilizando discos de acero macizo como yugos del rotor con imanes de superficie segmentados o conjuntos Halbach adheridos. Hay buenas razones: el rotor soporta la tensión centrífuga, el flujo quiere una trayectoria de retorno limpia y a la fabricación le gustan los discos planos.
Patentes como la CN110945752B muestran hacia dónde se dirige esta tecnología. El rotor se construye a partir de módulos circunferenciales: cada módulo tiene un segmento de hierro dorsal y un conjunto de imanes con polos alternos; la longitud del segmento es inferior a la circunferencia completa, por lo que varios módulos forman la base del rotor.
Electromagnéticamente, segmentar el yugo del rotor hace tres cosas principales.
En primer lugar, introduce la modulación de la reluctancia circunferencial. El flujo de un diente ahora prefiere cerrarse a través de su segmento de rotor más cercano, y hay pequeños "huecos" en la plancha trasera entre módulos. En combinaciones de ranura/polo bajas, esto puede utilizarse deliberadamente como un efecto de nonio débil o como un control adicional del cogging. A mayor número de polos, se convierte en otro armónico que hay que tener en cuenta.
En segundo lugar, rompe los caminos de las corrientes parásitas en el yugo, lo que empieza a ser importante cuando la frecuencia eléctrica asciende a varios cientos de hercios y más, o cuando se utilizan estructuras Halbach y el flujo de hierro trasero oscila mucho. La investigación sobre máquinas AFPM sin núcleo y Halbach sigue poniendo de manifiesto que la pérdida de yugo del rotor es una parte no trivial del presupuesto; segmentar el yugo es una de las formas más limpias de contenerla sin materiales exóticos.
En tercer lugar, convierte el rotor en un kit. Se pueden intercambiar módulos, cambiar el número de polos o sustituir paquetes de imanes dañados sin desechar un disco completo. Parece una preocupación de un ingeniero de producción, pero repercute en el diseño electromagnético porque se puede experimentar más agresivamente con las relaciones de los arcos de polos y las formas de los imanes cuando el resultado es "cambiar el dibujo de un módulo" en lugar de "rediseñar un disco rotor de 600 mm".
El riesgo mecánico es evidente: más juntas, más tornillos, más cadenas de tolerancia. Pero si ya estás diseñando un estator hecho de veinte o treinta módulos de composites y cobre, tratar el rotor como algo sagrado y monolítico a veces no es más que inercia.
Una vez que ambos lados del entrehierro están cortados en módulos, el patrón de esos cortes importa tanto como la combinación de ranura/polo que hayas optimizado con orgullo.
Unas cuantas observaciones prácticas, saltándonos las derivaciones extensas que ya sabes escribir.
Si el paso del diente del estator y el paso del segmento del rotor comparten un múltiplo común bajo, se obtienen distintos "puntos calientes" circunferenciales en la densidad de flujo del diente. Los picos B locales donde se alinean los huecos del rotor y los centros de los dientes se multiplican. Esto puede ser útil si se desea un poco de modulación del campo, pero normalmente se manifiesta como una saturación desigual de los dientes y una ondulación del par en un armónico de excentricidad concreto.
Si se escalonan los segmentos del rotor medio diente o alguna otra fracción, se consigue una inclinación circunferencial sin inclinar ningún imán. Varias patentes de rotores modulares aluden a ello al permitir múltiples longitudes de módulo y patrones de desplazamiento opcionales; no se da ninguna fórmula, pero la idea está bastante clara. En combinación con las ranuras del estator en forma de V o Z de la patente de núcleo segmentado, se puede obtener gran parte de la reducción del par de arrastre de la inclinación clásica con herramientas más fáciles de estampar o prensar.
Si ambos lados están segmentados y ambos admiten algún tipo de inclinación, es necesario tomar una decisión consciente sobre cuál de ellos "posee" la reducción del cogging. Dividir la responsabilidad aleatoriamente tiende a producir una máquina que simula bien bajo geometría perfecta pero es muy sensible a la dispersión del ensamblaje, porque la cancelación delicadamente equilibrada asume relaciones angulares exactas entre módulos.
Un atajo mental útil es asignar funciones. Deje que la segmentación del estator se ocupe del cobre, la refrigeración y la mayor parte del trabajo de arrastre; deje que la segmentación del rotor se ocupe del empaquetado del imán, las pérdidas del yugo y la fabricabilidad. Así no se obtiene un óptimo cerrado, pero se evitan los armónicos fantasma.
La tabla siguiente recoge lo que los diseñadores hacen hoy en día, más que lo que sugieren los bocetos idealizados.
| Aspecto | Yugos continuos de estator y rotor | Estator segmentado, yugo de rotor sólido (tipo YASA) | Estator segmentado y yugos de rotor modulares |
|---|---|---|---|
| Casos de uso típicos | AFPM industrial, bajo volumen, densidad de par moderada | Tracción EV, demostradores de aviación, máquinas de alta densidad de par | Accionamientos modulares, bombas/soplantes, productos de alta variabilidad, prototipos agresivos |
| Potencial de densidad de par | Bueno, limitado por bobinados finales largos y mayor masa de hierro | Muy alto debido a devanados concentrados, hierro de estator reducido, opciones de doble rotor | Similar o superior al tipo YASA si se controlan las pérdidas del rotor y los límites mecánicos |
| Pérdidas en el núcleo y en el imán | Relativamente fácil de predecir; las horquillas continuas soportan un flujo suave | Pérdidas en el núcleo del estator localizadas en los dientes; las pérdidas por corrientes de Foucault del imán pueden dominar si no se segmenta. | Reducción de las corrientes de Foucault por segmentación; riesgo adicional de fugas entre módulos |
| Trayectoria térmica | Anillo de hierro a la carcasa; la refrigeración del bobinado suele ser indirecta | Dientes o zapatas SMC en la carcasa, además de refrigeración por agua/aceite de la carcasa y, a veces, tubos de calor. | Tanto los segmentos del estator como los módulos del rotor pueden acoplarse a soportes refrigerados; más mandos de diseño, más gradientes locales |
| Fabricación | Laminados sencillos; el bobinado y el montaje pueden requerir mucha mano de obra | Los dientes se enrollan individualmente y luego se encapsulan o se sujetan; es bueno para la automatización, pero el utillaje es especializado. | Rotor y estator construidos a partir de módulos repetibles; flexible para variantes, pero las tolerancias de montaje y el control del proceso son exigentes. |
| Servicio y variantes | El estator o el rotor se sustituyen normalmente como una unidad. | Dientes del estator sustituibles con esfuerzo; el rotor suele ser de una sola pieza | Los módulos individuales pueden intercambiarse; el número de polos y los diámetros pueden modificarse según el número de módulos y la geometría del soporte. |
| NVH y ondulación del par motor | Dominado por la elección de ranura/polo y la forma del imán | Armónicos espaciales adicionales procedentes de dientes segmentados; atenuados con imán y conformación de ranuras. | Armónicos procedentes de la segmentación tanto del estator como del rotor; necesita una gestión deliberada de las fases entre los patrones. |
Se podría argumentar a favor de una cuarta columna con máquinas de flujo axial sin núcleo, pero éstas viven en un espacio de diseño ligeramente diferente y en su mayor parte eluden por completo el debate sobre el yugo.
Algunos hábitos del pensamiento de yugo continuo te engañan sutilmente una vez que pasas a los estatores segmentados y los rotores modulares.
Tratar el soporte del estator como "sólo mecánico" es una de ellas. En los diseños de estator segmentado, la trayectoria estructural del diente a la carcasa suele pasar por zapatas de SMC, resina o un fino anillo de acero. Ese camino no sólo establece la rigidez mecánica, sino también la constante de tiempo térmica de cada diente. La patente que utiliza manguitos de SMC explota explícitamente este hecho: El SMC proporciona tanto conducción magnética donde se necesita como un puente térmico controlable dentro de una carcasa revestida de agua. Si se ignora este acoplamiento, se obtienen simulaciones correctas durante dos segundos y erróneas durante el resto del ciclo de trabajo.
Otro hábito es dimensionar el back-iron del rotor como si fuera un anillo uniforme. En los rotores modulares, la sección transversal efectiva para el flujo es una función periódica del ángulo; algunos módulos pueden transportar más flujo que otros si la disposición del estator, el arco polar y los bordes de los módulos están mal alineados. Una forma sencilla de detectar esto antes es ejecutar una red de reluctancia circunferencial 2D en la que cada módulo del rotor tenga su propio elemento de hierro trasero y ver cómo se distribuye el flujo con unas cuantas combinaciones de ranura/polo. Ese modelo no ganará ningún premio, pero detectará patrones feos antes de que tenga que invertir tiempo en mallas 3D de elementos finitos.
Un tercer hábito: confiar demasiado en la inclinación del imán para controlar el par. Las patentes de estator segmentado ofrecen ahora aberturas de ranura perfiladas, zapatas inclinadas e incluso trayectorias en forma de Z, todo ello integrado en la geometría del diente. En combinación con la segmentación del rotor, a menudo se pueden mantener imanes sencillos y mecánicamente robustos, al tiempo que se traslada la mayor parte del control de ondulación al hierro estático. Esto simplifica el abastecimiento y el montaje de los imanes, lo que es más importante cuando se alcanzan los volúmenes de producción de los que hablan YASA, Mercedes y otros.
Los recientes motores de flujo axial de clase récord no están triunfando porque alguien haya encontrado un nuevo imán mágico. Se basan en la topología y la refrigeración, y la segmentación de los yugos del estator y el rotor está integrada en ambos.
Los prototipos actuales de YASA, por ejemplo, informan de densidades de potencia superiores a 40 kW/kg, con unidades posteriores que alcanzan afirmaciones en torno a 59 kW/kg, con densidades actuales que parecerían agresivas en un catálogo industrial tradicional. Los análisis independientes que reconstruyen la geometría a partir de fotos y datos de materiales típicos llegan a la misma conclusión: apilar múltiples etapas sin yok y refrigerarlas muy directamente es lo que hace que las cifras sean plausibles.
Una vez que los dientes del estator son módulos independientes, se puede enrollar el cobre alrededor de cada uno de ellos, dejar huecos controlados para el aceite o el refrigerante y enviar el calor directamente a una carcasa refrigerada. Con zapatas SMC o tubos de calor entre los dientes y la carcasa, como en el reciente trabajo de MDPI, la trayectoria térmica se acorta lo suficiente como para que 40-60 A/mm² en el cobre sean soportables para ciclos de trabajo significativos, siempre que se sea honesto con el presupuesto de aumento de temperatura.
La segmentación del rotor también ayuda en este caso. Dividir el hierro trasero y las pilas de imanes en módulos proporciona más superficie y más opciones para conducir el aceite o el gas de refrigeración a través del soporte del rotor, y limita la densidad de pérdida por corrientes parásitas que, de otro modo, convertiría un disco de rotor liso en un calentador a alta frecuencia. Para velocidades de punta muy altas, se puede incluso considerar la posibilidad de utilizar distintos materiales para cada módulo, comparando el margen de saturación con la resistencia mecánica de cada módulo en lugar de hacerlo para todo el disco.
El efecto neto es que la densidad de corriente y los límites térmicos ya no vienen dictados principalmente por la región peor refrigerada de un yugo continuo. La segmentación permite concentrar la capacidad de refrigeración donde las pérdidas son mayores. Se trata de un cambio silencioso pero importante.
La investigación ya está llena de variantes que impulsan la segmentación en nuevas direcciones: dientes segmentados con porciones interiores y exteriores separadas para corregir el desequilibrio de la densidad de flujo radial, máquinas híbridas de flujo axial-radial con estatores modulares SMC y diseños multipila sin hierro destinados a la propulsión aeronáutica. Los estudios comparativos siguen demostrando que las estructuras de inducido sin yugo y segmentadas superan a los diseños de flujo axial más convencionales en densidad de par y, a menudo, en eficiencia, una vez aceptada la complejidad de fabricación.
Desde el punto de vista industrial, los motores de YASA están pasando de los coches conceptuales a la producción en serie con Mercedes, Lamborghini, Ferrari y otros, y las patentes públicas muestran que la modularidad del estator y el rotor es cada vez más pronunciada, no menos. En el caso de las máquinas más pequeñas y de potencia media, los kits modulares de rotor y estator descritos en el documento CN110945752B y otros similares apuntan a familias de productos en las que el número de polos y el diámetro son sólo parámetros de configuración y no nuevos números de pieza.
Por lo tanto, si hoy en día se trabaja con flujo axial, es razonable suponer que "yugo continuo, rotor de disco simple" se convertirá poco a poco en la línea de base de los diseños conservadores, no en el límite superior de lo que es práctico.
Si se mantienen los yugos monolíticos, se obtienen modelos y utillajes más sencillos, y se siguen construyendo máquinas de flujo axial respetables. Si se aceptan los yugos segmentados de estator y rotor, el espacio de diseño será más complicado, pero también se tendrá un mayor control sobre la geometría del cobre, las trayectorias térmicas y la fabricabilidad.
Las investigaciones recientes y los motores que se están fabricando en silencio demuestran que merece la pena hacer frente a este problema.
Para agilizar su proyecto, puede etiquetar las pilas de laminación con detalles como tolerancia, material, acabado superficial, si se requiere o no aislamiento oxidado, cantidady mucho más.
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