Diseño y análisis de un motor vernier híbrido sin escobillas de doble estator para aplicaciones de accionamiento directo

Motores más inteligentes para máquinas de uso cotidiano

Desde lavadoras hasta robots de fábrica, muchos dispositivos modernos necesitan motores que giren despacio pero empujen con fuerza. En lugar de usar voluminosas cajas de engranajes, los ingenieros diseñan ahora motores capaces de proporcionar directamente un gran par. Este artículo explora un nuevo diseño de motor que busca ofrecer un accionamiento potente, eficiente y fiable con menos piezas móviles y menores costes a largo plazo.

Por qué las cajas de cambios estorban

Los sistemas de accionamiento directo tradicionales evitan los engranajes apoyándose en motores de imanes permanentes, que son compactos, eficientes y potentes. Sin embargo, a menudo dependen de imanes de tierras raras costosos y pueden sufrir por el calor y el esfuerzo mecánico a alta velocidad. Los motores de rotor bobinado, que crean su campo magnético mediante bobinas en lugar de imanes, evitan las tierras raras pero requieren escobillas y anillos rozantes que se desgastan y desperdician energía. El reto es combinar lo mejor de ambos mundos sin las debilidades de ninguno.

Un motor con dos cubiertas y un corazón compartido

Los autores proponen un motor vernier híbrido sin escobillas de doble estator, que envuelve dos carcasas estacionarias, o estatores, alrededor de un único rotor en sándwich. El estator interior contiene tanto un bobinado trifásico estándar como un bobinado monofásico adicional, mientras que el estator exterior solo lleva el bobinado trifásico. El propio rotor tiene dos caras funcionales: una soporta bobinados que actúan como un rotor bobinado sin escobillas, y la otra porta imanes permanentes. Al colocar estas partes cuidadosamente y emplear una estrategia especial de alimentación de corrientes, el motor puede generar un campo magnético intenso sin escobillas ni anillos rozantes físicos, usando además menos imanes por unidad de par que muchos diseños convencionales.

Cómo funciona el truco de la transmisión magnética

Dentro del motor, distintos bobinados en el estator interior crean dos distribuciones magnéticas en el entrehierro: una de cuatro polos y otra de dos polos. El patrón de dos polos excita una pequeña bobina de excitación en el rotor, que a su vez alimenta un bobinado de campo mayor con muchos más polos. Al mismo tiempo, el estator exterior interactúa con un anillo de imanes en el rotor. Juntas, estas interacciones producen un efecto vernier o de engranaje magnético, donde un campo de bajo número de polos en los estatores se mezcla con un campo de alto número de polos en el rotor. El resultado es un motor que gira lentamente pero puede entregar gran par, ideal para hacer girar el tambor de una lavadora o impulsar una cinta transportadora de forma directa.

Comparando dos formas de colocar los imanes

El equipo estudió dos versiones de este motor de doble estator que difieren solo en cómo se integran los imanes en el rotor. En la versión con imanes montados en superficie, los imanes están en el exterior del rotor, creando un campo magnético uniforme a través del entrehierro. En la versión de imanes interiores, los imanes están enterrados dentro del hierro del rotor, lo que aporta mejor resistencia mecánica y ayuda a moldear el campo magnético para un funcionamiento más suave. Usando simulaciones informáticas detalladas, ambos diseños se probaron a velocidad de lavado baja y a velocidad de centrifugado más alta bajo las mismas limitaciones de tamaño y material, de modo que sus fortalezas e inconvenientes pudieran compararse con justicia.

Qué revelan las simulaciones

El diseño de imanes montados en superficie entregó el mayor par, alcanzando alrededor de 44 newton-metro a baja velocidad y más de 20 newton-metro a alta velocidad, manteniendo la eficiencia por encima del 90 por ciento. Esto lo hace atractivo para tareas de gran demanda que requieren gran fuerza en un motor compacto. El diseño de imanes interiores produjo menos par, alrededor de 32 newton-metro a baja velocidad, pero mostró una reducción dramática en la ondulación de par, especialmente a alta velocidad, donde las variaciones se redujeron en casi un 89 por ciento. Menor ondulación significa movimiento más suave, menos ruido y menos vibraciones, lo cual es importante para equipos de precisión y electrodomésticos silenciosos. Ambas versiones también utilizaron los imanes de forma más eficiente que una máquina de referencia al añadir par desde el bobinado interior sin aumentar la masa de imán.

Qué significa esto para las máquinas del futuro

Para no especialistas, el mensaje clave es que este motor híbrido de doble estator puede actuar como una caja de engranajes magnética integrada, produciendo par fuerte y suave a bajas velocidades sin engranajes mecánicos. La versión con imanes montados en superficie es mejor cuando la potencia de tracción bruta es la prioridad, mientras que la versión con imanes interiores sacrifica algo de par a cambio de un movimiento más silencioso y estable. Debido a que el rotor se excita sin escobillas, las necesidades de mantenimiento se reducen, y el uso cuidadoso de imanes puede disminuir la dependencia de materiales de tierras raras costosos. Los autores señalan que trabajos futuros deberán abordar la disipación térmica y la calidad de la alimentación, pero sus resultados muestran una vía práctica hacia motores de accionamiento directo más eficientes y robustos en máquinas de uso cotidiano.

Cita: Kumar, K., Akbar, G., Ahmed, S. et al. Design and analysis of dual-stator hybrid brushless vernier motor for direct-drive applications. Sci Rep 16, 15635 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46998-6

Palabras clave: motor de accionamiento directo, motor de imanes permanentes, máquina de doble estator, excitación sin escobillas, densidad de par