Flujo Axial: La Física Detrás del Motor Que Eliminará los Ejes de Transmisión

Si abres el capó de un Tesla Model S Plaid, te encontrarás con una maravilla de la ingeniería. Pero todavía parece un motor: un pesado barril cilíndrico de cobre y acero. Este es un motor Radial Flux y ha impulsado toda la revolución de los vehículos eléctricos hasta este momento.

Pero si nos fijamos en el concepto Mercedes-Benz Vision One-Eleven, los motores ya no existen. O mejor dicho, han desaparecido entre las ruedas.

Ésta es la promesa de la tecnología Axial Flux. No es sólo un mejor motor; es un cambio de factor de forma que podría eliminar los ejes de transmisión, los diferenciales y los ejes del automóvil para siempre.

La Física: Radial vs. Axial

Para entender por qué esto es importante, tenemos que volver a Física 101. Torque = Fuerza × Radio

Flujo radial (el estándar)

En un motor estándar (flujo radial), los imanes giran dentro de una bobina estacionaria (estator). La fuerza magnética actúa perpendicular al eje, empujándolo.

• La limitación: Para obtener más torque, necesita un motor más largo (más imanes) o un motor más ancho (más apalancamiento). Pero los devanados de cobre en los extremos del cilindro (end windings) no hacen más que generar calor. Son “peso muerto”.
• La trampa de calor: Las bobinas de cobre están enterradas profundamente dentro del núcleo de hierro. Para sacar el calor es necesario que viaje a través de capas de acero y aislamiento antes de llegar a la camisa de agua en las capacidades exteriores.

Flujo axial (El panqueque)

En un motor Axial Flux, el rotor es un disco y el estator es un disco al lado. El flujo magnético fluye paralelo al eje, intercalando las bobinas.

• El truco del apalancamiento: Debido a que el motor es un disco plano (como un panqueque), los imanes activos se empujan más hacia afuera del centro. ¿Recuerdas Torque = Force × Radius? Al mover la fuerza al borde exterior del disco, se obtiene un apalancamiento mecánico masivo sin agregar peso.
• Sin cobre muerto: Las bobinas son simples bucles planos. Casi el 100% del cobre contribuye al torque.

La pesadilla de la fabricación

Si Axial Flux es mejor, ¿por qué no todo el mundo lo usa? Porque construir uno es una pesadilla.

En un motor radial estándar, si el espacio entre el rotor y el estator es de un milímetro, funciona de manera ligeramente ineficiente. En un motor de flujo axial, la fuerza de atracción entre los dos discos magnéticos es inmensa: toneladas de presión intentan juntarlos.

• El espacio de aire: los fabricantes deben mantener un espacio de aire submilimétrico entre dos discos giratorios que se flexionan bajo cargas magnéticas masivas.
• Carga del rodamiento: Las fuerzas axiales destruyen los rodamientos estándar. Necesita cojinetes de empuje enormes y pesados ​​para evitar que las caras se toquen, lo que consume su ahorro de peso.

El avance de YASA: enfriamiento “sin yugo”

Los motores de flujo axial no son nuevos; en teoría, existen desde hace un siglo. Pero tenían un defecto fatal: Calor. Al intercalar dos discos magnéticos se crea una olla a presión. No había manera de enfriar el centro del “panqueque” sin destruir el motor.

Ingrese YASA (Yokeless And Segmented Armature), una empresa derivada de la Universidad de Oxford adquirida por Mercedes-Benz.

Su gran avance fue el estator “sin yugo”.

1. Canales de aceite 3D: en lugar de simplemente rociar aceite en el exterior, Yasa bombea aceite de enfriamiento a través del centro de las bobinas del estator.
2. La diferencia dieléctrica: Utilizan un aceite dieléctrico (no conductor) que fluye en contacto directo con el cobre. No sólo enfría el caso; enfría el propio cable.
3. El resultado: un motor que pesa 50 lbs (23 kg) pero produce 480 HP.

• Comparación: Un motor EV estándar con esa potencia pesaría casi 200 libras.

Ciencia de los materiales: el polvo secreto

Los motores estándar utilizan láminas de acero laminado (acero al silicio) para guiar el magnetismo. Yasa utiliza Compuestos magnéticos blandos (SMC).

• ¿Qué es?: En lugar de láminas, utilizan granos de polvo de hierro recubiertos con una capa de cerámica aislante, prensados ​​en formas 3D.
• La Física:
• Corrientes de Foucault: En el hierro sólido, los campos magnéticos cambiantes crean corrientes eléctricas rebeldes (corrientes de Foucault) que generan calor. En SMC, el aislamiento alrededor de cada grano detiene estas corrientes por completo.
• 3D Flux: El acero laminado sólo guía el magnetismo en 2D (a lo largo de la lámina). SMC permite que el magnetismo fluya en 3D, lo que permite diseños complejos de “polos de garra” que exprimen aún más torsión de los imanes.

Por qué es importante: la guerra del “peso no suspendido”

El santo grial del diseño de automóviles es el motor en las ruedas. Si puedes poner el motor dentro de la rueda, puedes eliminar la transmisión, el eje de transmisión, los ejes y el diferencial. Obtienes un auto completamente plano: una verdadera “patineta” con un espacio interior infinito.

El problema: “Peso no suspendido”.

• Definido: Peso que no soporta la suspensión (ruedas, neumáticos, frenos).
• La Física: F = ma. Cuando una rueda pesada golpea un bache, adquiere un enorme impulso hacia arriba. El resorte de suspensión tiene que luchar contra ese impulso para mantener el neumático en la carretera.
• Rueda pesada: Golpea un bache -> vuela por el aire -> la llanta pierde contacto -> chocas.
• Rueda ligera: Golpea un bache -> sube rápidamente -> la suspensión lo empuja hacia abajo -> el neumático permanece agarrado.

La solución de flujo axial: Debido a que los motores de Yasa son increíblemente livianos (menos que un rotor de freno), son la única tecnología que hace posible la tracción en las ruedas de alto rendimiento.

• Vectorización: Con cuatro motores independientes, puedes realizar torsión vectorial al instante. La computadora puede hacer girar las ruedas izquierdas hacia atrás y las ruedas derechas hacia adelante para girar el automóvil en un centavo (Tank Turn).

El futuro: Mercedes AMG.EA

Mercedes no compró Yasa para un proyecto científico. Lo compraron para la próxima plataforma AMG.EA. Estamos a punto de ver una bifurcación en el mercado de vehículos eléctricos.

• Autos económicos: Seguiremos usando motores Radial Flux pesados ​​y baratos.
• Rendimiento/Lujo: Cambiará a Axial Flux.

Cuando vea los superdeportivos eléctricos AMG de próxima generación haciendo giros de tanque con cuatro ruedas independientes, o el Vision One-Eleven navegando sin altura de capó, recuerde: no es mágico. Es sólo un motor panqueque que finalmente descubrió cómo mantenerse fresco.

Fuentes (2)

• yasa.com YASA Technology
• mercedes-benz.com Mercedes-Benz Vision One-Eleven