Híbridos y Eléctricos

DESARROLLADO POR YASA

Así es el motor de flujo axial de los coches eléctricos de Mercedes-Benz y Ferrari

La compra de YASA por parte de Mercedes-Benz ha abierto la puerta a los motores de flujo axial para que encuentren un lugar entre los coches eléctricos de producción en masa. Sus creadores explican sus ventajas al detalle.

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Un motor eléctrico de flujo axial como el de YASA es más eficiente, hace más con menos, lo que proporciona una ventaja significativa en la densidad de potencia y se traduce en una mayor eficiencia, permitiendo aumentar la autonomía entre un 5 y un 10 por ciento sobre los motores eléctricos radiales de los que dependen la mayoría de los vehículos eléctricos del mercado actual.

Cuando el año pasado Mercedes-Benz compró la empresa británica YASA, sus motores eléctricos de flujo axial saltaron a la actualidad por las interesantes novedades tecnológicas que aportaban como parte integrante de los coches eléctricos de producción en serie. El motor de flujo axial es una creación de Tim Woolmer, y fue parte de su doctorado en la Universidad de Oxford. Una tecnología que es considerada por muchos como la que revolucionará los sistemas de transporte eléctrico gracias a su mayor eficiencia y sus dimensiones más compactas.

“Llevaba cinco semanas de mi doctorado en la Universidad de Oxford cuando de repente me di cuenta de que había una manera mucho mejor de construir una máquina eléctrica llamada motor toroidal de flujo axial”, dice Woolmer. En este tipo de motores, el campo magnético que hace que gire el rotor es paralelo al eje de rotación. En otras palabras, a diferencia de los motores de flujo radial, que son los que se emplean habitualmente en el mercado, el campo magnético que los hace moverse se genera perpendicularmente a este eje. Los motores de flujo axial proporcionan un diseño más compacto y una mayor resistencia.

“Al quitar el yugo del estator del motor y dividirlo en segmento se reducía el peso del motor y, al mismo tiempo, mejoraba su par, densidad de potencia, eficiencia y facilidad de fabricación”. Una idea que el propio Woolmer considera “transformadora dentro de la entonces incipiente electrificación”.

Un motor eléctrico de este tipo aprovecha mejor el bobinado y reduce el tamaño y el peso, por lo que es capaz de enviar hasta cuatro veces más par generando menos calor. Este se transmite directamente desde la bobina hacia la carcasa exterior del motor. Además, permite reducir el coste derivado del uso de metales valiosos. En pocas palabras, hace más con menos y también es más eficiente. El único área en el que no sobresale es en la velocidad máxima final del vehículo, un aspecto poco importante para la para la gran mayoría de los automovilistas.

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En los motores eléctricos de flujo axial el campo magnético que hace que gire el rotor es paralelo al eje de rotación proporcionando un diseño más compacto y una mayor resistencia.

YASA explica el motor eléctrico de flujo axial

En su página web, YASA explica que la principal ventaja de un motor de flujo axial es que el rotor giratorio tiene un diámetro mayor porque gira junto al estator en lugar de dentro de él. El par de salida del motor, que se calcula al multiplicar la fuerza por el radio, es mayor en el diseño de flujo axial porque el radio es más grande que en un motor radial convencional. Esto significa que para la misma cantidad de imanes permanentes y el mismo devanado de cobre, se obtiene un par de salida hasta cuatro veces mayor.

La topología del motor YASA también permite eliminar el yugo del estator, reduciendo su masa hasta en un 80 %. Esta innovación proporciona una ventaja significativa en la densidad de potencia, lo que se traduce en una mayor eficiencia, permitiendo aumentar la autonomía entre un 5 y un 10 por ciento sobre los motores eléctricos radiales de los que dependen la mayoría de los vehículos eléctricos del mercado actual.

Los motores eléctricos de flujo axial de YASA cuentan con una armadura segmentada sin yugo patentada, que es de donde proviene el nombre de la empresa. Sus devanados de armadura consisten en segmentos separados ideales para la fabricación en masa con una ingeniería de aplicación mínima.

Un motor eléctrico adecuado a cada aplicación

Los motores de flujo axial de YASA se utilizan en vehículos de muy alto rendimiento como el Ferrari SF 90 y el 296 GTB o en el Koenigsegg Regera. Rolls Royce también los está utilizando para su avión eléctrico experimental, el Spirit Of Innovation. Precisamente la experiencia de Ferrari con estos motores destaca el trabajo de los fabricantes para lograr el rendimiento requerido en cada uno de sus diferentes modelos.

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La planta de producción de YASA está ubicada en Oxford, el corazón del automóvil del Reino Unido.

Ferrari utiliza dos motores radiales para accionar las ruedas delanteras del SF 90 con el fin de obtener la máxima velocidad máxima, mientras utiliza un motor axial en el eje trasero para lograr la máxima aceleración. Sin embargo, para el 296 GTB, se consideró que era más importante el manejo del automóvil, de manera que solo se utilizó un motor axial más ligero entre el motor y la transmisión. “Es solo una cuestión de qué tipo de experiencia de conducción desea diseñar para sus clientes con un motor específico”, declaro Davide Ferrara, director de motores eléctricos de Ferrari a Bloomberg Hyperdrive: “Diferentes voces hacen notas dulces”.

En julio del año pasado, Mercedes anunció que había adquirido YASA por una suma no revelada y que colocaría sus motores en los modelos AMG programados para entrar en producción en 2025. “Durante la historia del automóvil, en general, los fabricantes han querido desarrollar los motores, su tecnología más importante, internamente”, explica Woolmer. “Ahora, son las baterías y los motores, sus tecnologías centrales. Reconocen la importancia de la diferenciación a largo plazo en estos espacios, por lo que tienen que atraerla”. Esa es la intención de Mercedes al adquirir YASA.

El aspecto más importante de los motores axiales, según Malte Jaensch, profesor de transmisiones móviles sostenibles en la Escuela de Ingeniería y Diseño TUM de Múnich, es que su pequeño tamaño permitirá a los fabricantes colocar un motor para cada rueda (no está claro si Jaensch está hablando de motores en las ruedas. Una configuración que no es factible con motores radiales y que permitirá la vectorización del par. Un sistema que proporciona un control preciso sobre la cantidad de potencia que envían los motores a cada rueda de manera individual mejorando la tracción y la capacidad de giro.

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En el diseño de flujo axial el radio es más grande que en un motor radial convencional por lo que el par de salida que se calcula multiplicando fuerza x radio es hasta cuatro veces mayor.

La refrigeración directa con aceite

Los motores eléctricos pueden alcanzar altas temperaturas, especialmente cuando funcionan a máxima potencia. Según YASA, su sistema de enfriamiento directo del aceite permite que sus motores alcancen niveles de potencia continua más alta. 

Un motor radial de 200 kW de potencia máxima, funcionando de forma continua, normalmente podría proporcionar el 50 % de la potencia máxima entre 80 y 100 kW, como resultado de las limitaciones térmicas. En contraste, un motor YASA de 200 kW funciona continuamente a 150 kW gracias al sistema de enfriamiento directo por aceite de alto contacto térmico. Los fabricantes de automóviles que puedan ofrecer a sus clientes mayores niveles de rendimiento durante períodos prolongados de tiempo tendrán una ventaja de significativa en el mercado sobre todo para aquellos clientes que exigen más rendimiento de sus vehículos eléctricos.

¿Una tecnología revolucionaria?

Jaguar Land Rover fue el primer fabricante de automóviles en expresar su interés en utilizar los motores de flujo axial de YASA en el CX 75, un deportivo híbrido, pero decidió dejar pasar la oportunidad por razones económicas. Más tarde, cuando presentó el SUV eléctrico I-Pace, utilizó motores diseñados internamente y perdió la oportunidad de continuar trabajando con YASA cuando esta fue adquirida por Mercedes-Benz.

Anteriormente, en la era de los motores de combustión interna, más rendimiento significaba motores con mayor cilindrada, más grandes, con árboles de levas dobles en cabeza, ajustes automáticos de sincronización de levas, inyección electrónica de combustible, sistemas de encendido electrónico y turbocompresores, además de combustibles exóticos como el nitrometano. En la era de los coches eléctricos, el alto rendimiento provendrá de baterías y motores que puedan convertir amperios en movimiento lo más rápido posible, de manera consistente y con una fiabilidad absoluta.

La industria automotriz tardó un siglo en perfeccionar el motor de combustión interna. Podemos esperar una trayectoria similar, aunque mucho más corta, para los sistemas de propulsión eléctrica.

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