este axial

Ahorra peso, energía y espacio.

El corazón de cualquier motor eléctrico consta de un rotor que gira alrededor de una parte estacionaria, llamada estator. El estator, tradicionalmente de hierro, tiende a ser pesado. El hierro del estator representa alrededor de dos tercios del peso de un motor convencional. Para aligerar el estator, algunas personas propusieron fabricarlo con una placa de circuito impreso.

Aunque la idea de reemplazar un trozo de hierro con una placa de circuito impreso ligera, ultradelgada, fácil de fabricar y duradera fue atractiva desde el principio, no obtuvo una adopción generalizada en sus primeras aplicaciones dentro de equipos de jardinería y turbinas eólicas un poco hace más de una década. Ahora, sin embargo, el estator de PCB está recibiendo una nueva oportunidad de vida. Espere que ahorre peso y, por lo tanto, energía en casi todo lo que use electricidad para impartir fuerza motriz.

Los componentes en capas de un motor de flujo axial de Infinitum Electric se muestran aquí, en forma despiezada. INFINITUM ELECTRIC

Este ahorro de energía es de vital importancia: el software puede estar devorando el mundo, pero la electricidad es cada vez más lo que hace que el mundo gire. Los motores eléctricos consumen un poco más de la mitad de la electricidad mundial en la actualidad. Según el grupo de investigación de mercado Imarc, ahora se venden unos 800 millones de motores anualmente en todo el mundo, un número que ha aumentado en un 10 por ciento cada año. Los motores eléctricos están incursionando seriamente en automóviles, trenes y aviones, así como en equipos industriales y sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado. El transporte, la construcción y HVAC en conjunto representan alrededor del 60 por ciento de todas las emisiones de gases de efecto invernadero de EE. UU.; motores eléctricos más eficientes ayudarán a reducir las emisiones en estos sectores.

A pesar de los beneficios del estator de PCB, la gente tardó en adoptar el diseño debido a algunos conceptos erróneos.

Primero, existía la creencia errónea de que los PCB solo eran buenos para aplicaciones delicadas. Pero en 2011, CORE Outdoor Power desarrolló un soplador de hojas y una podadora de malezas, los cuales usaban un estator de PCB y, sin embargo, eran resistentes y silenciosos.

En segundo lugar, existía la sensación de que los estatores de PCB solo podían usarse para máquinas de baja potencia. Pero en 2012, Boulder Wind Power colocó un estator de PCB en un generador de accionamiento directo de 12 metros de diámetro para una turbina eólica que generaba 3 megavatios de potencia y poco más de 2 millones de newton metros de par. Fue uno de los generadores de alta potencia de funcionamiento más suave jamás construido.

Ninguna de las compañías aguantó. Boulder Wind Power se quedó sin fondos antes de poder obtener contratos comerciales. CORE Outdoor Power no podía competir en un mercado abarrotado donde había opciones más baratas. Aún así, sus logros pioneros demostraron la viabilidad de los estatores de PCB.

Los motores de flujo axial se ajustan fácilmente al eje de un automóvil [arriba] y al ventilador de un sistema HVAC [abajo].INFINITUM ELECTRIC

Avance rápido hasta hoy. Mi empresa, Infinitum Electric, de Austin, Texas, ha desarrollado un motor de estator de PCB que se adapta a una amplia variedad de propósitos. Nuestro motor genera tanta potencia como un motor de inducción de corriente alterna tradicional, pero tiene la mitad de peso y tamaño, hace una fracción del ruido y emite al menos un 25 por ciento menos de carbono. Ahora está encontrando aplicaciones en HVAC, fabricación, industria pesada y vehículos eléctricos. Así es como funciona.

El infinito eléctrico El motor es lo que se conoce como motor de flujo axial, un diseño en el que el cableado electromagnético del estator se encuentra paralelo a un rotor en forma de disco que contiene imanes permanentes. Cuando fluye corriente alterna, hace que el rotor gire. El motor también tiene un núcleo de aire, es decir, no hay hierro para mediar el flujo magnético y nada entre las partes magnéticas del motor, excepto aire fino. Ponga todas estas cosas juntas y el resultado es un motor de imán permanente de flujo axial con núcleo de aire.

En el pasado, los intentos de construir un motor de este tipo enfrentaron serios obstáculos prácticos. Se necesitó un proceso de fabricación complejo para construir el estator, los devanados de cobre eran voluminosos y la estructura de soporte de la bobina era intrincada. Como resultado, el espacio de aire era tan amplio que solo una masa magnética sustancial podía crear el flujo magnético necesario.

En Infinitum Electric, eliminamos esos devanados de cobre y, en su lugar, usamos técnicas fotolitográficas para grabar delgadas trazas de cobre intercaladas con laminado de vidrio epoxi, que aísla cada bobina de las bobinas vecinas. Al eliminar el núcleo de hierro y minimizar el cobre, se ahorra entre un 50 y un 65 por ciento del peso y entre un 50 y un 67 por ciento del volumen del motor, en comparación con un motor de núcleo de hierro convencional equivalente. Y convenientemente, el cobre y el laminado se expanden y contraen de manera similar a medida que la temperatura sube y baja, evitando el estrés que, de otro modo, podría separar lentamente los componentes.

La ausencia de un núcleo de estator nos permite colocar dos rotores idénticos uno frente al otro a cada lado del estator, con cada rotor portando potentes imanes permanentes. Esta disposición crea un flujo magnético constante. Como en otros motores de flujo axial, ese flujo es paralelo al eje de rotación, en lugar de radial. Debido a que el espacio de aire magnético es estrecho, solo necesitamos un imán pequeño, por lo que podemos extraer mucha energía de una masa y un volumen dados.

Nuestro motor genera tanta potencia como un motor de inducción de CA tradicional, pero tiene la mitad de peso y tamaño, genera una fracción del ruido y emite al menos un 25 % menos de carbono.

Además, las PCB se fabrican mediante un proceso automatizado, lo que significa que son mucho más uniformes y fiables que las máquinas de cuerda manual. Los hicimos aún más confiables al simplificar su topología, que tiene que ver con las fases del motor.

Una fase eléctrica es un voltaje alterno que forma una onda sinusoidal que se desplaza en el tiempo en relación con el voltaje en otra fase. Las distintas fases están sincronizadas para que la suma de las corrientes sea siempre cero. Cuando se aplica un sistema de voltaje multifásico a un motor que tiene un devanado separado para cada fase, la circulación de varias corrientes genera un campo magnético que gira en el espacio. La interacción de este campo giratorio y el campo producido por los imanes del rotor es lo que hace girar el rotor.

Los estatores de PCB anteriores mezclaban las trazas de cobre de diferentes fases en la misma capa, lo que creaba la posibilidad de cortocircuitos. En cambio, hacemos que cada capa lleve solo una fase eléctrica y minimizamos el número de conexiones entre capas. Esa disposición proporciona un camino continuo para la corriente eléctrica y reduce el riesgo de fallas eléctricas.

Otra ventaja de el nuevo diseño es la libertad que brinda a los diseñadores para conectar bobinas en serie o en paralelo. La conexión en serie de las bobinas es adecuada para aplicaciones industriales trifásicas y vehículos eléctricos de última generación. La conexión en paralelo es mejor para aplicaciones de bajo voltaje, como en un motor EV auxiliar.

Al igual que otros motores de imanes permanentes, nuestro motor de flujo axial requiere un variador de frecuencia para arrancar y acelerar suavemente el motor hasta la velocidad deseada. El VFD también controla la velocidad y el par según lo requiera la aplicación.

Se hace posible un camino corto para el flujo magnético intercalando rotores [grises] con imanes [rojo y azul] alrededor de un estator de placa de circuito impreso delgado [verde].

Sin embargo, el diseño de núcleo de aire le da al motor una impedancia excepcionalmente baja (típicamente solo del 5 al 7 por ciento más que en un motor de núcleo de hierro convencional), porque el aire no puede contener tanta energía magnética como el hierro. Por lo tanto, hay muy poca energía magnética disponible para suavizar las variaciones en el voltaje suministrado al motor por el VFD. Para remediar esta deficiencia, agregamos otro elemento: un variador de frecuencia integrado que está ajustado para operar con un motor de baja impedancia. Nuestro VFD utiliza MOSFET de carburo de silicio de alta eficiencia, que reducen las pérdidas y contribuyen a la eficiencia general del sistema.

El VFD también supervisa el rendimiento y los resultados se pueden informar a través de la nube, si el usuario lo desea. El software del motor también se puede actualizar de esta manera. Tal monitoreo remoto ofrece una variedad de formas de conservar energía, administrar el rendimiento y predecir cuándo se puede necesitar mantenimiento.

La delgadez de la PCB proporciona una alta relación superficie-volumen, lo que hace que el enfriamiento sea más eficiente, lo que nos permite impulsar de dos a tres veces más corriente por una cantidad determinada de cobre. El enfriamiento se puede hacer soplando aire sobre las aletas en el exterior del motor ya través de los compartimientos electrónicos.

Al quitar el núcleo de hierro se eliminan las pérdidas debidas a la magnetización y desmagnetización cíclica del hierro, al mismo tiempo que se evitan las corrientes de Foucault que desperdician energía en el metal. Nuestro motor de núcleo de aire puede funcionar con una alta eficiencia sobre cargas que van desde el 25 por ciento al 100 por ciento de la potencia nominal. Saltarse el núcleo de hierro también significa que los imanes en los rotores enfrentan una renuencia constante y un campo magnético constante a medida que gira el rotor. Esta disposición elimina las pérdidas por corrientes de Foucault en los imanes y los rotores, que por lo tanto pueden fabricarse con placas estándar de acero con bajo contenido de carbono, sin laminar.

en un tipico motor eléctrico, tanto el estator como el rotor están hechos de materiales ferromagnéticos. Una vez que se aplican las corrientes eléctricas y se establecen los campos magnéticos giratorios, estos campos producen dos fuerzas: una que produce un par útil y hace que el rotor gire, y otra que tira del rotor radialmente hacia el estator. Esta fuerza radial no hace nada útil y agrava el ruido y la vibración, porque las ranuras del estator, necesarias para acomodar las bobinas de cobre, generan pulsos.

He aquí por qué sucede eso: un flujo magnético produce una fuerza que al principio apunta en la misma dirección en la que se mueve el rotor; luego, a medida que el rotor gira, la alineación de los polos del rotor cambia en relación con las ranuras del estator hasta que la fuerza apunta en la dirección opuesta. Esta fuerza alterna produce ondas de torsión, que pueden causar fatiga del metal en el motor y en la maquinaria que está impulsando.

Pero no existe tal fuerza magnética alterna en el motor Infinitum. Esta ventaja, junto con otras eficiencias, es la razón por la que su ruido promedia unos 5 decibelios menos que el de los motores convencionales. Puede que no parezca una gran reducción, pero este componente del ruido del motor tiende a estar en un tono particularmente molesto.

El diseño del motor se basa en una placa de circuito impreso [arriba], cuya delgadez permite un paquete que es mucho más compacto que un motor equivalente basado en un núcleo de hierro convencional [abajo]. INFINITUM ELECTRIC

Al combinar la ligereza de un motor de núcleo de aire con la alta densidad de torque de una máquina de flujo axial, el motor Infinitum es ideal para sistemas de ventilación y HVAC de edificios. Eso es particularmente útil ahora que la pandemia ha dado prioridad a la purificación del aire interior. Las bombas de calor, que calientan y enfrían en un solo sistema, son otra aplicación en la que el motor puede ahorrar energía, facilitar la instalación y reducir el ruido. Según pruebas recientes realizadas por la Administración de Servicios Generales de EE. UU. y el Departamento de Energía de EE. UU., los motores Infinitum Electric podrían ahorrar hasta US $ 8 millones al año si se implementan en las plantas HVAC de GSA.

Los vehículos eléctricos son otro gran mercado para este nuevo motor. Se prevé que los vehículos eléctricos representen el 31 por ciento de la flota mundial para 2050, según la Administración de Información de Energía de EE. UU.

Nuestra empresa está trabajando con un proveedor automotriz líder para desarrollar un motor enfriado por aceite para un vehículo híbrido de largo alcance. El enfriamiento por aceite funciona mucho más eficientemente en nuestro diseño que en un motor convencional porque el refrigerante se puede aplicar fácilmente a toda la superficie de la PCB. Con el enfriamiento por aceite, hemos triplicado la densidad de potencia con respecto a nuestro propio motor enfriado por aire, llevando la densidad de potencia al rango de 8 kilovatios/kilogramo a 12 kW/kg. Eso hace que la versión refrigerada por aceite sea adecuada para su uso en la aviación eléctrica, otro mercado prometedor.

También estamos trabajando con empresas que se especializan en el manejo de materiales, como carretillas elevadoras, sistemas de transporte y el equipo de mezcla que se usa para hacer alimentos y bebidas. Caterpillar Venture Capital ha invertido en Infinitum Electric para desarrollar una nueva línea de alternadores que son un tercio del tamaño y peso de los modelos existentes y también más silenciosos y eficientes. El mercado de alternadores se estima en $ 17 mil millones al año y sigue creciendo.

Estimamos que si todos los motores del mundo fueran reemplazados por un motor Infinitum Electric, se reducirían las emisiones de carbono en 860 millones de toneladas por año. Eso es el equivalente a eliminar las emisiones de 200 millones de automóviles al año. A medida que los motores se vuelven omnipresentes, incluso las pequeñas mejoras en la eficiencia tienen el poder de marcar una gran diferencia para nuestro planeta hoy y durante el próximo siglo.

Este artículo aparece en la edición impresa de abril de 2022 como "Este motor de flujo axial con un estator de PCB está listo para un mundo electrificado".