Los motores de flujo axial y radial se diferencian principalmente en la dirección del flujo, la estructura y la densidad de par. En los motores de flujo radial, el flujo discurre perpendicularmente al eje, creando una estructura cilíndrica que resulta consolidada, fiable y fácil de fabricar.
Los motores de flujo axial son ideales para aplicaciones que requieren un tamaño compacto, un diseño ligero y una alta densidad de par. Resultan especialmente atractivos para vehículos eléctricos, drones, robótica, sistemas aeroespaciales y máquinas de accionamiento directo.
Los motores de flujo radial son más adecuados para aplicaciones que requieren una fiabilidad probada, un menor coste, una refrigeración más sencilla y estabilidad en la producción en serie. Siguen siendo la opción predominante para motores industriales, motores de tracción de vehículos eléctricos, electrodomésticos, bombas, ventiladores, compresores y sistemas de automatización.
La elección final debe depender de los objetivos de rendimiento, el espacio de instalación, los requisitos de refrigeración, el coste y la viabilidad de la producción. Para aplicaciones estándar, los motores de flujo radial suelen ser la opción más práctica. Para sistemas compactos y de alto rendimiento, los motores de flujo axial pueden ofrecer importantes ventajas técnicas.
¿Qué es un motor de flujo radial?
En este diseño, el flujo magnético se desplaza radialmente, lo que significa que se mueve del rotor al estator, o del estator al rotor, a lo largo del radio del motor.
El campo magnético fluye hacia dentro o hacia fuera, con el rotor normalmente dentro del estator cilíndrico. Este diseño se utiliza ampliamente en motores industriales, servo, de tracción y sin escobillas.
Los motores de flujo radial son populares porque son mecánicamente resistentes, fáciles de escalar y aptos para la producción en serie. Su estructura cilíndrica resulta familiar a los fabricantes, y el proceso de producción de las laminaciones del estator, los devanados, el conjunto del rotor y la carcasa está muy consolidado.
Un motor de flujo radial típico incluye:
- Núcleo del estator
- Bobinados del estator
- Núcleo del rotor
- Imanes permanentes o conductores del rotor
- Eje
- Cojinetes
- Carcasa
- Sistema de refrigeración
Dado que los motores de flujo radial cuentan con una larga trayectoria y una tecnología de producción consolidada, suelen ser la primera opción para aplicaciones industriales estándar.
¿Qué es un motor de flujo axial?
El flujo magnético de un motor de flujo axial discurre en paralelo al eje. En lugar de moverse radialmente de dentro hacia fuera, el campo magnético se desplaza a lo largo de la dirección axial.
Esto confiere al motor de flujo axial una estructura plana en forma de disco. El estator y el rotor están dispuestos uno frente al otro, de forma similar a placas apiladas. Los motores de flujo axial también se denominan motores de disco o motores tipo «pancake».
Los motores de flujo axial suelen tener una longitud axial más corta y un diámetro mayor en comparación con los motores de flujo radial. El mayor radio efectivo ayuda a mejorar el par de salida, lo que hace que los motores de flujo axial resulten atractivos para vehículos eléctricos, motocicletas, drones, robótica, sistemas aeroespaciales y aplicaciones de transmisión directa.
Las estructuras comunes de los motores de flujo axial incluyen:
- Un solo rotor y un solo estator
- Doble rotor y estator único
- Un solo rotor y dos estatores
- Estructura de flujo axial multidisco
El diseño de doble rotor y estator único es especialmente popular porque puede mejorar la densidad de par y aprovechar mejor el flujo magnético. Requieren una alta precisión en el control del entrehierro, la colocación de los imanes, la gestión térmica y el equilibrado mecánico.
Motor de flujo axial frente a motor de flujo radial: comparación básica
| Elemento de comparación | Motor de flujo axial | Motor de flujo radial |
| Dirección del flujo magnético | Paralela al eje | Perpendicular al eje |
| Forma del motor | Estructura plana, similar a un disco | Estructura cilíndrica |
| Densidad de par | Normalmente mayor | De moderada a alta |
| Densidad de potencia | Alta en diseños compactos | Estable y escalable |
| Longitud axial | Más corta | Más larga |
| Diámetro | Normalmente mayor | Normalmente más pequeño |
| Dificultad de refrigeración | Más difícil | Más fácil y más maduro |
| Complejidad de fabricación | Mayor | Menor |
| Control del espacio de aire | Requiere alta precisión | Más fácil de controlar |
| Coste | Normalmente más alto | Normalmente más bajo |
| Madurez | Mercados emergentes y en desarrollo | Altamente maduras |
| Aplicaciones típicas | Vehículos eléctricos, drones, robótica, sector aeroespacial, sistemas de transmisión directa | Motores industriales, bombas, ventiladores, compresores, vehículos eléctricos, electrodomésticos |
Dirección del flujo magnético
En los motores de flujo radial, el flujo circula entre el rotor y el estator. Esto significa que el campo magnético atraviesa el entrehierro en una dirección perpendicular al eje del motor. La estructura cilíndrica favorece de forma natural esta trayectoria del flujo.
En los motores de flujo axial, el flujo discurre en paralelo al eje. El rotor y el estator están dispuestos uno frente al otro, por lo que el campo magnético atraviesa el entrehierro en dirección axial.
Esta diferencia afecta a casi todos los aspectos del motor, incluyendo la forma, la generación de par, el diseño del bobinado, el método de refrigeración, la estructura mecánica y el proceso de fabricación.
Los motores de flujo radial son más fáciles de diseñar y fabricar porque la trayectoria magnética se conoce bien y se utiliza ampliamente. Los motores de flujo axial pueden alcanzar una mayor densidad de par, pero el circuito magnético es más sensible a las variaciones del entrehierro y a la precisión del montaje.
Forma y estructura del motor
Los motores de flujo radial suelen tener una forma cilíndrica alargada. El rotor se encuentra en el interior; los motores más largos proporcionan más potencia. Esto hace que los motores de flujo radial sean fáciles de escalar para diferentes potencias nominales.
Los motores de flujo axial tienen una forma plana similar a un disco. El rotor y el estator se encuentran uno frente al otro, y el diámetro del motor desempeña un papel importante en la salida de par. Dado que el par está relacionado con el radio efectivo, los motores de flujo axial pueden producir un par elevado con una longitud axial relativamente corta.
Esta diferencia estructural hace que los motores de flujo axial sean útiles cuando el espacio en la dirección axial es limitado. Por ejemplo, en los cubos de las ruedas de los vehículos eléctricos, los sistemas de tracción compactos, los drones y las articulaciones robóticas, un motor más corto puede ayudar a reducir el tamaño y el peso del sistema.
Sin embargo, el mayor diámetro de los motores de flujo axial puede no adaptarse a todas las configuraciones de las máquinas. Si el espacio de instalación es estrecho en diámetro pero permite más longitud, un motor de flujo radial puede ser más adecuado.
Densidad de par
La densidad de par es una de las mayores ventajas de los motores de flujo axial.
Dado que los motores de flujo axial suelen utilizar un radio efectivo mayor, pueden generar un par más elevado para un mismo volumen o peso del motor. En muchos diseños, el área magnética activa es mayor, y la estructura de disco permite una generación de par más eficiente.
Por eso los motores de flujo axial resultan atractivos para vehículos eléctricos, motocicletas eléctricas, sistemas aeroespaciales y máquinas compactas de alto rendimiento. Pueden ayudar a reducir el peso del motor al tiempo que mantienen una salida de par elevada.
Los motores de flujo radial también pueden alcanzar un par elevado, especialmente con diseños avanzados de imanes permanentes, ranuras de estator optimizadas, acero eléctrico de alta calidad y refrigeración líquida. Sin embargo, para aplicaciones en las que la compacidad y el rendimiento ligero son fundamentales, los motores de flujo axial pueden ofrecer una mejor relación par-peso.
Dicho esto, la densidad de par depende del diseño real del motor. La calidad de los imanes, el material del núcleo del estator, el método de bobinado, el diseño de la refrigeración, la precisión del entrehierro y el rendimiento del controlador influyen en el resultado final.
Densidad de potencia
Los motores de flujo axial ofrecen una alta densidad de potencia en diseños compactos. Su estructura de disco puede reducir la longitud axial del motor y mejorar la flexibilidad de montaje. Esto resulta valioso en vehículos eléctricos, sistemas de propulsión de aeronaves y robots móviles.
Los motores de flujo radial, sin embargo, son más fáciles de escalar para obtener potencia continua. Al aumentar la longitud de la pila, mejorar la refrigeración y optimizar el diseño del bobinado, los motores de flujo radial pueden proporcionar una potencia de salida estable en una amplia gama de aplicaciones.
En aplicaciones industriales de gran volumen, los motores de flujo radial siguen predominando porque son más fáciles de fabricar y de refrigerar. En aplicaciones en las que prima el rendimiento y donde el peso y el espacio son más importantes, los motores de flujo axial pueden ofrecer una mejor densidad de potencia.
Refrigeración y gestión térmica
El calor excesivo puede reducir la eficiencia, dañar el aislamiento, debilitar los imanes y acortar la vida útil del motor.
Los motores de flujo radial suelen tener una estructura de refrigeración consolidada. El calor de los devanados del estator puede transferirse a la carcasa a través del núcleo del estator. Se utilizan habitualmente la refrigeración por aire, la refrigeración por camisa de agua, la refrigeración por aceite y la ventilación forzada.
Los motores de flujo axial pueden ser más difíciles de refrigerar debido a su estructura plana y su diseño compacto. En algunos diseños, el estator se encuentra entre dos rotores, lo que dificulta la disipación del calor. Los devanados pueden estar encerrados en un espacio limitado, y la vía de refrigeración puede no ser tan directa como en los motores de flujo radial.
Los motores de flujo axial avanzados pueden utilizar refrigeración por líquido, refrigeración por aceite, refrigeración directa de los devanados o materiales especiales para el estator con el fin de mejorar el rendimiento térmico. Sin embargo, esto puede aumentar la complejidad y el coste.
Para aplicaciones que requieran un funcionamiento continuo prolongado bajo cargas pesadas, es necesario evaluar cuidadosamente la gestión térmica antes de elegir un motor de flujo axial.
Complejidad de fabricación
Los motores de flujo radial son más fáciles de fabricar porque el proceso de producción está consolidado. Las láminas del estator pueden estamparse y apilarse de manera eficiente. La inserción de bobinados, el montaje del rotor, la fijación de imanes, la instalación del eje y el montaje de la carcasa son procesos bien establecidos.
Los motores de flujo axial requieren un control preciso del entrehierro, lo que aumenta la dificultad de fabricación. Incluso pequeños errores en la planitud, la alineación o el montaje pueden afectar al rendimiento, el ruido, la vibración y la fiabilidad.
Los motores de flujo axial también pueden requerir diseños especiales de laminado, materiales compuestos magnéticos blandos, estatores segmentados o métodos avanzados de bobinado. La instalación de los imanes puede resultar más difícil debido a la fuerte atracción magnética entre el rotor y el estator.
Los motores de flujo axial suelen ser más caros en la producción de bajo volumen. Los motores de flujo radial suelen ser más rentables para la producción en masa.
Eficiencia
Los motores de flujo axial pueden reducir algunas pérdidas gracias a su trayectoria magnética compacta y a su alta densidad de par. Sus bobinados de extremo corto también pueden ayudar a reducir las pérdidas en el cobre en determinados diseños. Esto puede mejorar la eficiencia, especialmente en aplicaciones que requieren un par elevado a baja velocidad.
Los motores de flujo radial también son muy eficientes, especialmente los modernos motores síncronos de imán permanente y los motores de inducción optimizados. Sus métodos de diseño maduros permiten a los ingenieros reducir las pérdidas en el hierro, las pérdidas en el cobre, las pérdidas por corrientes parásitas y las pérdidas mecánicas.
En la práctica, la eficiencia depende menos de la categoría del motor y más del diseño detallado. Entre los factores importantes se incluyen:
- Calidad del acero eléctrico
- Material del imán
- Espesor de las láminas
- Diseño de las ranuras
- Factor de llenado del bobinado
- Rendimiento de refrigeración
- Precisión del entrehierro
- Rango de velocidad de funcionamiento
- Estrategia del controlador del motor
Un motor de flujo radial bien diseñado puede superar en rendimiento a un motor de flujo axial mal diseñado, y viceversa.
Coste
El coste es otra diferencia importante.
Los motores de flujo radial suelen ser más económicos porque utilizan equipos de fabricación maduros, materiales estándar y cadenas de suministro consolidadas. Muchos proveedores pueden producir motores de flujo radial en grandes cantidades, lo que ayuda a reducir el coste.
Los motores de flujo axial suelen ser más caros debido a una mayor complejidad de diseño, tolerancias más estrictas, materiales especiales y una menor madurez de producción. La necesidad de una refrigeración avanzada y un montaje preciso también puede aumentar el coste.
Sin embargo, en algunas aplicaciones, los motores de flujo axial pueden reducir el coste total del sistema. Por ejemplo, si un motor de flujo axial puede eliminar una caja de cambios, reducir el peso del vehículo, mejorar la eficiencia o simplificar el sistema de transmisión, el mayor coste del motor puede resultar aceptable.
Por lo tanto, la comparación de costes no debe tener en cuenta únicamente el precio del motor. También debe incluir el valor a nivel del sistema, como la reducción de peso, la mejora de la eficiencia, el espacio de instalación, los requisitos de refrigeración y el coste de mantenimiento.
Ventajas y limitaciones de los motores de flujo axial
| Elemento | Ventajas | Limitaciones |
| Rendimiento del par | Alta densidad de par y gran par a bajas velocidades | El rendimiento depende en gran medida del control preciso del entrehierro |
| Tamaño y peso | Posibilidad de longitud axial corta y peso ligero | Es posible que el diámetro mayor no se adapte a todas las instalaciones |
| Eficiencia | Potencial de alta eficiencia y bobinados de extremo corto | Los problemas térmicos pueden reducir el rendimiento continuo |
| Flexibilidad de diseño | Adecuado para sistemas de accionamiento directo y compactos | Diseño electromagnético y mecánico más complejo |
| Fabricación | Apto para aplicaciones avanzadas de alto rendimiento | Mayor dificultad y coste de producción |
| Aplicaciones | Vehículos eléctricos, sector aeroespacial, robótica, drones, maquinaria especial | Cadena de suministro menos madura que la de los motores de flujo radial |
Ventajas y limitaciones de los motores de flujo radial
Los motores de flujo radial siguen siendo la opción predominante porque son fiables, maduros y fáciles de integrar. Su forma cilíndrica se adapta a muchos sistemas mecánicos estándar y su proceso de producción está muy desarrollado.
Las principales ventajas de los motores de flujo radial incluyen un rendimiento estable, un menor coste de fabricación, una refrigeración más sencilla, una estructura mecánica robusta y una amplia disponibilidad de proveedores. Pueden diseñarse para aparatos de baja potencia, máquinas industriales de potencia media y sistemas de tracción de vehículos eléctricos de alta potencia.
Los motores de flujo radial pueden requerir una mayor longitud, lo que reduce su compacidad en aplicaciones con espacio limitado. Su densidad de par también puede ser menor en comparación con los diseños avanzados de flujo axial.
Para muchas aplicaciones estándar, estas limitaciones no son graves. Por eso los motores de flujo radial siguen utilizándose ampliamente en bombas, ventiladores, compresores, máquinas herramienta, cintas transportadoras, ascensores, generadores y vehículos eléctricos.
Aplicaciones de los motores de flujo axial
Los motores de flujo axial son especialmente adecuados para aplicaciones que requieren un tamaño compacto, una alta densidad de par y una construcción ligera.
Vehículos eléctricos
Los motores de flujo axial son adecuados para coches eléctricos, motocicletas y plataformas de vehículos eléctricos comerciales. Su forma compacta permite un diseño flexible. Pueden instalarse cerca de la rueda, integrarse en la transmisión o utilizarse en sistemas de tracción de alto rendimiento.
Drones y sector aeroespacial
El peso es extremadamente importante en los drones y las aeronaves eléctricas. Los motores de flujo axial pueden proporcionar una alta densidad de potencia y reducir el peso total del sistema de propulsión. Su forma plana también se adapta mejor a ciertos diseños de aeronaves y UAV que los motores cilíndricos largos.
Robótica
Las articulaciones robóticas requieren motores compactos y de alto par con una respuesta precisa. Los motores de flujo axial pueden ser útiles en robots humanoides, robots colaborativos, robots móviles y sistemas de exoesqueletos.
Turbinas eólicas
Algunos motores de flujo axial se utilizan como generadores en pequeñas turbinas eólicas. Su capacidad de transmisión directa puede reducir la complejidad de la transmisión mecánica.
Sistemas industriales de transmisión directa
Los motores de flujo axial pueden utilizarse cuando se requiere un par de transmisión directa en un espacio compacto, como mesas giratorias, equipos especiales de automatización y maquinaria compacta.
Aplicaciones de los motores de flujo radial
Equipos industriales
Las bombas, los ventiladores, los sopladores, los compresores, las cintas transportadoras, las máquinas herramienta, las mezcladoras y los equipos de producción suelen utilizar motores de flujo radial.
Vehículos eléctricos
Muchos motores de tracción de vehículos eléctricos utilizan diseños de PMSM de flujo radial. Ofrecen alta eficiencia, gran potencia de salida y una capacidad de producción en serie consolidada.
Electrodomésticos
Las lavadoras, los aires acondicionados, los frigoríficos, las aspiradoras y las herramientas eléctricas suelen utilizar motores de flujo radial porque son rentables y fiables.
Sistemas de servo y automatización
Los servomotores de flujo radial se utilizan ampliamente en máquinas CNC, robots, equipos de embalaje, máquinas textiles y sistemas de automatización.
Generadores
Las estructuras de flujo radial son habituales en los generadores porque son mecánicamente resistentes y fáciles de adaptar a diferentes niveles de potencia.
Cómo elegir entre motores de flujo axial y de flujo radial
La elección entre motores de flujo axial y de flujo radial depende de los requisitos de rendimiento del proyecto, el espacio de instalación, el objetivo de coste, el volumen de producción y las condiciones de refrigeración.
Un motor de flujo axial puede ser más adecuado si la aplicación requiere una alta densidad de par, un diseño ligero, una longitud axial corta y un tamaño compacto. Es adecuado para vehículos eléctricos avanzados, drones, sistemas aeroespaciales, robótica y equipos de transmisión directa.
Un motor de flujo radial puede ser más adecuado si la aplicación requiere una tecnología madura, un coste más bajo, un funcionamiento continuo estable, una refrigeración sencilla y una producción en serie fiable. Es adecuado para máquinas industriales, plataformas de vehículos eléctricos estándar, bombas, ventiladores, compresores, electrodomésticos y sistemas de automatización en general.
La selección de un motor debe basarse en los requisitos a nivel de sistema, no solo en la estructura del motor.
Entre los factores de selección importantes se incluyen:
- Par y velocidad requeridos
- Demanda de potencia continua
- Demanda de potencia máxima
- Longitud axial disponible
- Diámetro del motor disponible
- Método de refrigeración
- Objetivo de eficiencia
- Presupuesto de costes
- Volumen de producción
- Requisitos de fiabilidad
- Compatibilidad del controlador
- Condiciones de mantenimiento
Para aplicaciones de alto rendimiento, los ingenieros deben comparar ambas opciones de motor mediante simulación electromagnética, análisis térmico, análisis mecánico y pruebas de prototipos.
Tendencias de desarrollo futuro
Se prevé que los motores de flujo axial crezcan en aplicaciones en las que la alta densidad de par y el diseño ligero son importantes. Las mejoras en los compuestos magnéticos blandos, la refrigeración avanzada, el montaje automatizado y la tecnología de imanes pueden reducir los costes de fabricación y mejorar la fiabilidad.
Los motores de flujo radial seguirán dominando el mercado general debido a su cadena de suministro consolidada, su rendimiento estable y su amplia base de aplicaciones. También seguirán mejorando gracias a un mejor acero eléctrico, un diseño optimizado del rotor, bobinados en horquilla, refrigeración por aceite y algoritmos de control avanzados.
En el futuro, ambos tipos de motores coexistirán. Los motores de flujo axial podrían volverse más comunes en vehículos eléctricos de gama alta, aeronaves eléctricas, robótica y sistemas compactos de alto rendimiento.