Investigan motores de flujo axial con bobinados integrados en PCB

El proyecto, desarrollado por Salim de Salim’s Workshop y reportado en Hackster.io, se centra en la construcción de un motor síncrono de imanes permanentes con una disposición de flujo axial. Este diseño particular permite que el campo magnético corra paralelo al eje, lo que se traduce en ensamblajes de motor considerablemente más delgados que los diseños radiales convencionales, sin sacrificar la capacidad de producir un par motor relevante.

Para esta experimentación, se diseñaron y fabricaron dos patrones distintos de estator mediante PCB multicapa. Uno de los diseños utilizaba trazas de cobre concéntricas, dispuestas en anillos anidados, mientras que el otro adoptó un diseño radial, expandiendo las trazas hacia afuera como radios. Los componentes mecánicos fueron modelados en CAD y producidos a medida, incluyendo piezas impresas en 3D, un eje de aluminio mecanizado y dieciséis imanes de neodimio instalados en los rotores, alternando polos norte y sur.

Inicialmente concebido con una disposición de doble rotor y un único estator, donde la PCB se interponía entre dos rotores magnéticos, el diseño original se ajustó a una configuración de un solo lado. Esta modificación fue necesaria debido a que la atracción magnética entre los rotores resultó ser mucho más intensa de lo previsto, provocando una flexión que causaba contacto con el estator de la PCB.

Las pruebas de rendimiento se realizaron conectando cada diseño de estator a un controlador electrónico de velocidad a través de placas de interfaz personalizadas, permitiendo configuraciones de bobinado en Delta o Estrella. Las mediciones de resistencia de fase mostraron una ventaja para el estator radial, con valores de aproximadamente 2,2 a 2,4 ohmios por fase, frente a los cerca de 3,1 ohmios de la versión concéntrica. Una menor resistencia generalmente implica menores pérdidas por efecto Joule y, consecuentemente, menos calor bajo carga.

En cuanto a la velocidad sin carga, la medición de la fuerza contraelectromotriz (back-EMF) en un osciloscopio permitió calcular un índice KV aproximado de 1.338 RPM por voltio para el estator radial y 1.270 RPM por voltio para el diseño concéntrico. Estos datos sugieren que la versión radial podría alcanzar velocidades sin carga superiores.

Sin embargo, las mediciones de la Transformada Rápida de Fourier (FFT) revelaron que el estator concéntrico produjo una distorsión armónica total (THD) del 1,16%, considerablemente inferior al 3,06% del diseño radial. Una forma de onda más limpia, como la generada por el bobinado concéntrico, podría traducirse en un funcionamiento más suave, una menor ondulación del par y una operación más silenciosa. Estos resultados indican que, en el desarrollo de motores con bobinados en PCB, la elección entre un diseño radial o concéntrico implica una compensación entre la eficiencia y la velocidad, por un lado, y la suavidad de operación, por otro.