Existe una gran variedad de motores eléctricos, adecuados para muchas aplicaciones y equipos industriales. Los ingenieros y diseñadores tienen mucho donde elegir a la hora de seleccionar un motor para su aplicación. La clasificación global de los motores eléctricos se divide principalmente en dos ramas diferentes: Motores de CA y motores de CC. Este artículo se centrará en cuatro subgrupos diferentes: Motores de inducción de CA, motores de CC con escobillas síncronas (con conmutador), motores de CC sin escobillas y motores de CA síncronos de imanes permanentes (PMSM).
1. Motor de inducción de CA
Los motores de inducción se utilizan ampliamente como accionamientos industriales. El estator del motor de inducción consta de polos bobinados que pueden conectarse directamente a la red o a través de un variador de frecuencia. La corriente alterna que pasa por estos polos induce un campo magnético en el entrehierro y el rotor. Dado que este tipo de motor utiliza corriente alterna, cuando se habla de "motor de corriente alterna" en realidad se hace referencia a un motor de inducción. El campo magnético inducirá corrientes de Foucault en el rotor, más o menos de la misma manera que lo hace un transformador. Estas corrientes inducidas en el rotor crean un campo magnético que genera el par.
Jaulas para ardillas
La mayoría de los motores de inducción tienen rotores eléctricos en cortocircuito, llamados jaulas de ardilla. Esta es la razón del otro apodo del motor de inducción: "motor de jaula de ardilla". Los motores de inducción NO utilizan imanes permanentes, sólo hilo de cobre y acero laminado. La jaula del rotor está formada principalmente por barras de aluminio, pero en los últimos 10 años también se han utilizado barras de cobre para aumentar la eficiencia.
Modelos monofásicos y trifásicos
Están disponibles en modelos monofásicos y trifásicos. Los motores trifásicos son principalmente para cargas grandes, mientras que las cargas más pequeñas suelen accionarse con motores de inducción monofásicos. Cuando se conecta directamente a la red, el motor se acelera a una velocidad fija determinada, que es un poco más lenta que la frecuencia de rotación del campo eléctrico aplicado (este fenómeno se denomina deslizamiento). Esta propiedad es la razón por la que los motores de inducción también se denominan a veces motores asíncronos. La velocidad alcanzada depende del número de pares de polos y de la frecuencia eléctrica aplicada. La carga en el eje sólo reducirá modestamente la velocidad del motor (del orden de unos pocos puntos porcentuales).
Imagen: Rotor en jaula de ardilla (fuente)
Por ejemplo: un motor de inducción con 2 pares de polos, conectado a una red de 50 Hz intentará alcanzar 1500 rpm (=frecuencia_elec*60seg/pares_polos), pero dependiendo de la carga será un poco más lento.
Esta velocidad constante es adecuada para muchas aplicaciones. Gracias a la moderna tecnología de accionamiento eléctrico, ahora también es posible conseguir una velocidad variable utilizando un accionamiento de frecuencia variable (VFD). Al variar la frecuencia eléctrica (como ya se ha mencionado), las revoluciones por minuto del eje también variarán proporcionalmente. La introducción del VFD ha mejorado la funcionalidad y la eficiencia energética del motor de inducción.
Ventajas e inconvenientes del motor de inducción de CA
Los motores de inducción tienen un menor rendimiento global y una menor densidad de par en comparación con los motores de imanes permanentes. Debido a la ausencia de imanes permanentes, es más fácil y sencillo aplicar el debilitamiento de campo, lo que permite una amplia gama de RPM para estos motores. Los motores de inducción están muy extendidos en muchas aplicaciones industriales y domésticas en las que la densidad de par y la controlabilidad son menos importantes. Son autoarrancables, fiables y económicos.
2. Motores de CC con escobillas síncronas (con colector)
Como su nombre indica, los motores eléctricos de CC con escobillas funcionan con corriente continua (CC). Los motores se conmutan mecánicamente. Los motores de CC con escobillas utilizan un imán permanente o polos de estator bobinados. El imán permanente o los polos bobinados del estator generan el campo magnético estacionario principal del motor.
Motores de corriente continua con rotor cepillado
Los rotores de los motores de corriente continua con escobillas están construidos con polos bobinados que se conectan a través de un conmutador con escobillas a una fuente de tensión o corriente. Cuando los polos del rotor transportan corriente, se genera un campo magnético. Este campo del rotor intentará alinearse con el campo del estator y, por tanto, generar par. El patrón de la corriente en las bobinas individuales del rotor vendrá dictado por el conmutador y las escobillas (imagen).
Motores de corriente continua con escobillas de estator
Los estatores de los motores de corriente continua con escobillas se construyen con polos bobinados o de imán permanente. Los polos bobinados del estator deben alimentarse con una tensión/corriente específica. Esto crea una característica de control adicional y proporciona un motor con características específicas de par/velocidad. Las configuraciones típicas son en serie, en derivación y compuestas.
Motor de corriente continua con escobillas. Crédito de la imagen: ZGC Motor
Motores de corriente continua con colector
El conmutador actúa como un interruptor mecánico, ya que hace que la corriente fluya a través de los polos alternos del rotor en función de la posición de éste. El resultado es un par continuo por revolución. Las escobillas se deslizan continuamente sobre el conmutador y esto provoca su desgaste. Esto afecta negativamente a la vida útil y a la secuencia de mantenimiento del motor de CC con escobillas y supone un gran inconveniente para este tipo de motor. Debido a la introducción de sistemas electrónicos más sofisticados (como los VFD), el campo del rotor conmutado mecánicamente con las escobillas se ha transformado en un principio de conmutación electrónica (es decir, CC sin escobillas).
Controlabilidad de los motores de corriente continua con escobillas
En los primeros tiempos, cuando la electrónica no era de uso común, estos tipos de motores se utilizaban con frecuencia para diferentes aplicaciones. Un simple suministro de tensión continua controlable podía accionar el motor. Opciones posteriores como el control de corriente, los sistemas de realimentación y los accionamientos PWM facilitaron una capacidad de control aún mayor de los motores de CC con escobillas. El uso de imanes permanentes permite una densidad de par relativamente alta y una buena eficiencia para este tipo de motores.
Ventajas y desventajas Motores de corriente continua con escobillas
El rendimiento de los motores de CC con escobillas cuando se trata de arrancar y regular la velocidad es bueno. Su densidad de par es relativamente alta. El rango de regulación de la velocidad es amplio y funciona con suavidad. La interferencia electromagnética es pequeña y la capacidad de sobrecarga es fuerte. Pero la estructura de los motores DC con escobillas es una desventaja. El contacto deslizante entre el conmutador y la escobilla provoca chispas y desgaste mecánico. Por este motivo, los motores de CC con escobillas tienen una vida útil relativamente corta, problemas de fiabilidad y un elevado coste de mantenimiento.
3. Motores de corriente continua sin escobillas (BLDC)
Como su nombre indica, los motores de CC sin escobillas no utilizan escobillas. En comparación con los motores de CC con escobillas, los motores de CC sin escobillas utilizan un método de conmutación muy diferente. En lugar de escobillas, la conmutación se realiza electrónicamente. La construcción de la mayoría de los motores de CC sin escobillas se basa en un estator con polos bobinados y un rotor multipolar de imanes permanentes. El rotor de imanes permanentes multipolares pasa por delante de un estator con polos bobinados. Los imanes permanentes del rotor reaccionan al campo magnético cambiante del estator. El estator es fijo, no hay cables móviles. Por lo tanto, no hay necesidad de anillos colectores, conmutadores o escobillas con el motor de corriente continua sin escobillas.
Polos del estator -Sistema trifásico
La mayoría de las veces, los polos del estator están bobinados en una configuración trifásica. El sistema trifásico de los devanados del estator está conectado a un circuito de interruptores electrónicos (transistor, FET, etc.). El circuito de conmutación se alimenta con una tensión continua o con una fuente de tensión alterna rectificada. La simple conmutación de las fases provoca corrientes formadas por ondas cuadradas/trapecios, por lo que el EMF trasero del motor de CC sin escobillas también está más o menos formado por ondas cuadradas/trapecios. Esto provoca un aumento de la ondulación del par al accionar estos motores. Se puede conseguir más velocidad mediante el avance de fase. Desde que se utiliza la tecnología VFD con el motor sin escobillas, es posible generar una corriente sinusoidal.
Sensor
Para poder encender la fase correcta en el momento adecuado se necesita un sistema de realimentación. Los sensores Hall pueden colocarse para detectar la posición del rotor de imanes permanentes con respecto al estator. Aunque los sensores Hall son los más utilizados, también existen sistemas de sensores de posición más precisos. Con el sistema anterior, la rotación del motor puede mantenerse sincronizada con la frecuencia eléctrica aplicada.
Ventajas y desventajas Motores de corriente continua sin escobillas
Los motores de CC sin escobillas tienen muchas ventajas en comparación con los motores de CC con escobillas, como un bajo coste de mantenimiento, menos ruido de funcionamiento, mejor rendimiento y mayor eficiencia, menor EMC. Están disponibles en tamaños más compactos y ofrecen una elevada relación par-peso. Pero en comparación con otros motores, los motores de CC sin escobillas también tienen algunas deficiencias. El coste del motor y del controlador electrónico es comparativamente mayor. Como ya se ha mencionado, el par se ondula. Además, son un poco más complicados.
Crédito de la imagen: Microchip Technology Inc.
4. Motores de CA de onda sinusoidal permanente (PMSM)
Términos como motor de CA PMSM o motor de CA sin escobillas o motor EC (conmutación eléctrica) también se utilizan con frecuencia para este tipo de motor. El principio de funcionamiento de este motor es una parte de estator que contiene un sistema de bobina trifásica bobinada y una construcción de rotor con un conjunto de imanes permanentes multipolares. Estos motores de alta densidad de potencia son muy eficientes y cumplen las clases de eficiencia energética IE4 e incluso IE5. Existen varias construcciones de motor de CA síncrono de onda senoidal de imanes permanentes, por ejemplo, motores de patines interiores, motores de patines exteriores, motores de flujo axial, motores transversales, etc.
Corriente sinusoidal
Debido al diseño magnético, el contraesfuerzo electromagnético es sinusoidal y, en combinación con una corriente sinusoidal, se puede generar un par suave. Para producir la corriente sinusoidal se necesita un accionamiento relativamente sofisticado, como un amplificador de potencia o un variador de frecuencia. Estos tipos de accionamientos son cada vez más estándar y más fáciles de usar. Un motor de CA PMSM también funciona de forma sincrónica con la frecuencia eléctrica aplicada (dividida por la cantidad de pares de polos).
Pérdida de hierro
El uso de imanes permanentes fuertes provoca pérdidas de hierro constantes en la pila de láminas durante la rotación. Estas pérdidas de hierro limitan la velocidad máxima del motor, al igual que la mayor tensión necesaria para una mayor velocidad (limitada principalmente por la tensión aplicada 400Vac_rms). Hay que tener en cuenta estos parámetros. En todos los tipos de motor mencionados, la corriente aplicada introduce pérdidas por disipación en las bobinas. Estas pérdidas deben gestionarse térmicamente en la estructura. Esto también requiere un buen diseño térmico, porque cuanto mejor sea el diseño térmico, mayor será la densidad de par. Ya que se puede aplicar y disipar más potencia sin que el motor se sobrecaliente.
Imanes de rotor montados en superficie frente a montados en el interior (fuente)
Alta densidad de par
Combine imanes permanentes de alta resistencia con un excelente diseño magnético y podrá conseguir un motor PMSM de muy alta densidad de par. Por ejemplo, un motor de CA PMSM de 20 kg (44 lb), incluidos la carcasa y el cojinete, puede proporcionar una potencia/par comparable a la de un motor de inducción de CA de 55 kg (121 lb). Basado en métodos de refrigeración estándar/pasiva para ambos. Los motores de CA PMSM requieren una realimentación continua de la posición, ya sea mediante el uso de sensores o, hoy en día, incluso es posible el control sin sensores. Para aumentar la capacidad de velocidad, algunos diseños de motores de CA PMSM tienen la posibilidad de debilitar el campo.
Crecimiento del uso del motor de CA PMSM
La tecnología de motores de CA PMSM en combinación con accionamientos de motor que permiten la conmutación electrónica está disponible desde hace tiempo. Pero como cada vez se dispone de más accionamientos para motores PMSM, más empresas empiezan a integrar motores de CA de imanes permanentes en sus aplicaciones. Su uso está aumentando significativamente. Esto se debe a su capacidad de diseño compacto, alta densidad de par, alta eficiencia y larga vida útil. El motor de CA PMSM ofrece a las empresas la posibilidad de crear aplicaciones más pequeñas, más eficientes, más controlables, más fiables y, por tanto, con menores costes (de funcionamiento).
Ventajas y desventajas de los motores de CA PMSM
Aunque los motores de CA PMSM siempre necesitarán un accionamiento y suelen ser ligeramente más caros que los motores de inducción de CA, a menudo son una alternativa mejor. Tienen una mayor densidad de par, son mucho más eficientes, mucho más pequeños y ligeros que los motores de inducción comparables.
Más información sobre los distintos motores
Existe una gran variedad de motores adecuados para muchas aplicaciones y equipos industriales. Los ingenieros y diseñadores tienen mucho donde elegir a la hora de seleccionar un motor para su aplicación.
En el sitio web de Magnetic Innovations puede leer más sobre accionamiento directo PMSM y otros motores.
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