Motor de inducción lineal

Un motor de inducción lineal ( LIM ) es un motor lineal asíncrono de corriente alterna (CA) que funciona según los mismos principios generales que otros motores de inducción, pero que generalmente está diseñado para producir movimiento directamente en línea recta. Los motores de inducción lineal tienen una longitud primaria o secundaria finita, lo que genera efectos de borde, mientras que un motor de inducción convencional está dispuesto en un bucle continuo. ^{[ 1 ]}

A pesar de su nombre, no todos los motores de inducción lineal producen movimiento lineal; algunos se emplean para generar rotaciones de gran diámetro, donde el uso de un primario continuo sería muy costoso.

Al igual que los motores rotativos, los motores lineales suelen funcionar con alimentación trifásica y pueden alcanzar velocidades muy elevadas. Sin embargo, presentan efectos de borde que reducen su fuerza, y a menudo no es posible instalar una caja reductora para optimizar la relación entre fuerza y ​​velocidad. Por consiguiente, los motores de inducción lineal suelen ser menos eficientes energéticamente que los motores rotativos convencionales para una fuerza de salida determinada.

Los motores lineales de inducción ( LIM), a diferencia de sus homólogos rotativos, pueden generar un efecto de levitación. Por lo tanto, se utilizan con frecuencia donde se requiere fuerza sin contacto, donde se desea un bajo mantenimiento o donde el ciclo de trabajo es bajo. Sus usos prácticos incluyen la levitación magnética , la propulsión lineal (como impulsor de masa ) y los actuadores lineales. También se han utilizado para el bombeo de metales líquidos. ^{[ 2 ]}

La historia de los motores eléctricos lineales se remonta al menos a la década de 1840 con el trabajo de Charles Wheatstone en el King's College de Londres, ^{[ 3 ]} pero el modelo de Wheatstone era demasiado ineficiente para ser práctico. Un motor de inducción lineal viable se describe en la patente estadounidense 782312 (1905; inventor Alfred Zehden de Frankfurt-am-Main), y está destinado a accionar trenes o ascensores. El ingeniero alemán Hermann Kemper construyó un modelo funcional en 1935. ^{[ 4 ]} A finales de la década de 1940, el profesor Eric Laithwaite del Imperial College de Londres desarrolló el primer modelo funcional a tamaño real.

En una versión unilateral, el campo magnético puede crear fuerzas de repulsión que empujan el conductor lejos del estator, levitándolo y llevándolo en la dirección del campo magnético en movimiento. Laithwaite denominó a las versiones posteriores " río magnético" . Estas versiones del motor de inducción lineal utilizan un principio llamado flujo transversal, donde dos polos opuestos se colocan uno al lado del otro. Esto permite el uso de polos muy largos y, por lo tanto, permite alta velocidad y eficiencia. ^{[ 5 ]}

El primario de un motor de inducción lineal generalmente consiste en un núcleo magnético plano (generalmente laminado) con ranuras transversales que a menudo son de corte recto ^{[ 6 ]} con bobinas colocadas en las ranuras, de modo que cada fase proporciona una polaridad alterna para que las diferentes fases se superpongan físicamente.

El secundario suele ser una lámina de aluminio, a menudo con una placa de soporte de hierro. Algunos motores lineales de inducción (LIM) son de doble cara, con un primario a cada lado del secundario, y en este caso no se necesita soporte de hierro.

Existen dos tipos de motores lineales: uno con primario corto , donde las bobinas son más cortas que las del secundario, y otro con secundario corto , donde la placa conductora es más pequeña. Los motores lineales de segundo orden (LIM) suelen estar bobinados en paralelo entre bobinas de la misma fase, mientras que los primarios cortos se suelen bobinar en serie. ^{[ 7 ]}

Los primarios de los motores lineales de inducción de flujo transversal tienen una serie de polos gemelos dispuestos transversalmente uno al lado del otro con direcciones de bobinado opuestas. Estos polos suelen estar hechos con una placa de soporte laminada cortada adecuadamente o con una serie de núcleos en U transversales.

En este diseño de motor eléctrico, la fuerza se produce mediante un campo magnético que se mueve linealmente y actúa sobre los conductores. Cualquier conductor, ya sea una espira, una bobina o simplemente una placa metálica, colocado en este campo, generará corrientes parásitas , creando así un campo magnético opuesto según la ley de Lenz . Estos dos campos opuestos se repelen entre sí, generando movimiento a medida que el campo magnético recorre el metal.

${\displaystyle n_{s}=2f_{s}/p}$^{[ 8 ]}

donde f _s es la frecuencia de alimentación en Hz, p es el número de polos y n _s es la velocidad síncrona del campo magnético en revoluciones por segundo.

El patrón de campo viajero tiene una velocidad de:

${\displaystyle v_{s}=2tf_{s}}$^{[ 8 ]}

donde v _s es la velocidad del campo lineal viajero en m/s, y t es el paso polar.

Para un deslizamiento de s , la velocidad del secundario en un motor lineal viene dada por

${\displaystyle v_{r}=(1-s)v_{s}}$^{[ 8 ]}

Los motores de inducción lineal suelen ser menos eficientes que los motores de inducción rotativos convencionales; los efectos de borde y el entrehierro relativamente grande que suelen presentar reducen las fuerzas producidas para la misma potencia eléctrica. ^{[ 1 ]} De manera similar, se ha informado que la eficiencia durante el funcionamiento como generador (frenado/recuperación eléctrica) con un motor de inducción lineal es relativamente baja debido a los efectos de borde. ^{[ 11 ]} El entrehierro más grande también aumenta la inductancia del motor, lo que puede requerir condensadores más grandes y costosos.

Sin embargo, los motores de inducción lineal evitan la necesidad de reductores y sistemas de transmisión similares, que también generan pérdidas; además, un conocimiento profundo de la importancia del factor de bondad puede minimizar los efectos de la mayor distancia entre electrodos. En cualquier caso, el consumo de energía no siempre es la consideración más importante. Por ejemplo, en muchos casos, los motores de inducción lineal tienen muchas menos piezas móviles y requieren muy poco mantenimiento. Asimismo, el uso de motores de inducción lineal en lugar de motores rotativos con transmisiones rotativas a lineales en sistemas de control de movimiento permite un mayor ancho de banda y precisión del sistema de control , ya que las transmisiones rotativas a lineales introducen holgura, fricción estática y/o flexibilidad mecánica en el sistema de control.

Debido a estas propiedades, los motores lineales se utilizan con frecuencia en la propulsión por levitación magnética , como en la línea de tren de levitación magnética japonesa Linimo , cerca de Nagoya .

El primer sistema de levitación magnética automatizado comercial del mundo fue un tren lanzadera de baja velocidad que conectaba la terminal del aeropuerto de Birmingham con la cercana estación de tren Birmingham International entre 1984 y 1995. ^{[ 12 ]} La longitud de la vía era de 600 metros (2000 pies) , y los trenes "volaban" a una altitud de 15 milímetros (0,59 pulgadas) , levitados por electroimanes e impulsados ​​por motores de inducción lineal. ^{[ 13 ]} Estuvo en funcionamiento durante casi once años, pero los problemas de obsolescencia de los sistemas electrónicos lo hicieron poco fiable en sus últimos años. Uno de los vagones originales se exhibe actualmente en Railworld en Peterborough , junto con el vehículo de tren de levitación RTV31 . ^{[ 14 ]}  

Sin embargo, los motores lineales se han utilizado independientemente de la levitación magnética, como en la línea Toei Ōedo de Tokio . El Bombardier Innovia Metro es un ejemplo de un sistema automatizado que utiliza propulsión LIM, especialmente en el sistema SkyTrain de Vancouver y en el antiguo Scarborough RT de Toronto , ambos en Canadá. El sistema de transporte rápido más largo que emplea esta tecnología es el metro de Guangzhou , con aproximadamente 130 km (81 millas) de recorrido que utiliza trenes de metro propulsados ​​por LIM a lo largo de las líneas 4 , 5 y 6. También se utilizan en el Tomorrowland Transit Authority PeopleMover en Walt Disney World Resort en Bay Lake, Florida , y en el Subway PeopleMover del Aeropuerto Intercontinental George Bush en Houston , Texas , que utiliza el mismo diseño.  

La tecnología de motores de inducción lineal también se utiliza en algunas montañas rusas lanzadas anteriormente . Las primeras montañas rusas en utilizar motores de inducción lineal para la propulsión fueron las idénticas montañas rusas Flight of Fear en Kings Island y Kings Dominion , ambas inauguradas en 1996. ^{[ 15 ]}

Actualmente, sigue siendo poco práctico en los tranvías que circulan por la calle , aunque, en teoría, podría hacerse enterrándolo en un conducto ranurado.

Fuera del transporte público, se han propuesto motores lineales verticales como mecanismos de elevación en minas profundas , y su uso está en auge en aplicaciones de control de movimiento . También se utilizan con frecuencia en puertas correderas, como las de tranvías de piso bajo como el Alstom Citadis y el Eurotram .

También existen motores lineales de doble eje. Estos dispositivos especializados se han utilizado para proporcionar movimiento directo en los ejes X e Y para el corte láser de precisión de tela y chapa metálica, el dibujo automatizado y la formación de cables. Asimismo, se han utilizado motores de inducción lineales con un secundario cilíndrico para proporcionar movimiento lineal y rotatorio simultáneo para el montaje de dispositivos electrónicos en placas de circuitos impresos. ^{[ 16 ]}

La mayoría de los motores lineales en uso son motores de inducción lineal (LIM) o motores síncronos lineales (LSM). Los motores de corriente continua lineales no se utilizan debido a su mayor costo y a que los motores síncronos lineales ( SRM) presentan un empuje deficiente. Por lo tanto, para aplicaciones de tracción de larga duración, se prefieren los LIM, mientras que para aplicaciones de corta duración se prefieren los LSM.

Los motores de inducción lineal también se han utilizado para lanzar aeronaves, el sistema Westinghouse Electropult ^{[ 7 ]} de 1945 fue un ejemplo temprano y el Sistema Electromagnético de Lanzamiento de Aeronaves (EMALS) debía entregarse en 2010.

Los motores de inducción lineal también se utilizan en los telares; la levitación magnética permite que las bobinas floten entre las fibras sin contacto directo.

El primer ascensor sin cables inventado por ThyssenKrupp utiliza un sistema de accionamiento por inducción lineal. ^{[ 17 ]}

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