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Articulo de referencia

Motor de reluctancia

Sección transversal de una máquina de reluctancia conmutada con 6 polos de estator y 4 polos de rotor, que muestra qué estatores están activados y las líneas del campo magnético...

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Sección transversal de una máquina de reluctancia conmutada con 6 polos de estator y 4 polos de rotor, que muestra qué estatores están activados y las líneas del campo magnético.
Sección transversal de una máquina de reluctancia conmutada con 6 polos de estator y 4 polos de rotor. Nótese la concentración de devanados en los polos del estator.

Un motor de reluctancia es un tipo de motor eléctrico que induce polos magnéticos no permanentes en el rotor ferromagnético . El rotor no tiene bobinados. Genera par motor mediante reluctancia magnética .

Los subtipos de motores de reluctancia incluyen los síncronos, variables, conmutados y de paso variable.

Los motores de reluctancia pueden ofrecer una alta densidad de potencia a bajo costo, lo que los hace atractivos para muchas aplicaciones. Entre sus desventajas se incluyen una alta ondulación de par (la diferencia entre el par máximo y mínimo durante una revolución) cuando funcionan a baja velocidad, y el ruido debido a dicha ondulación. [ 1 ]

Hasta principios del siglo XXI, su uso se veía limitado por la complejidad de su diseño y control. Los avances en teoría, las herramientas de diseño informático y los sistemas embebidos de bajo coste para el control superaron estos obstáculos. Los microcontroladores utilizan algoritmos de control computacional en tiempo real para adaptar las formas de onda de accionamiento según la posición del rotor y la retroalimentación de corriente/tensión. Antes del desarrollo de los circuitos integrados a gran escala , la electrónica de control era prohibitivamente cara.

Fundamentos de diseño y funcionamiento

El estator consta de múltiples polos electromagnéticos salientes , similares a los de un motor de CC con escobillas y campo bobinado . El rotor está compuesto de material magnético blando, como acero al silicio laminado , que presenta múltiples proyecciones que actúan como polos magnéticos salientes mediante reluctancia magnética . En los motores de reluctancia conmutada, el número de polos del rotor suele ser menor que el del estator, lo que minimiza la ondulación del par y evita que todos los polos se alineen simultáneamente, una posición que impide la generación de par.

Cuando un polo del rotor se encuentra a igual distancia de dos polos del estator adyacentes, se dice que está en la "posición totalmente desalineada". Esta es la posición de máxima reluctancia magnética para el polo del rotor. En la "posición alineada", dos (o más) polos del rotor están completamente alineados con dos (o más) polos del estator (lo que significa que los polos del rotor están completamente enfrentados a los polos del estator), y es la posición de mínima reluctancia.

Cuando se energiza un polo del estator, el par del rotor actúa en la dirección que reduce la reluctancia. De este modo, el polo del rotor más cercano se desplaza desde su posición desalineada hasta alinearse con el campo del estator (una posición de menor reluctancia). (Este es el mismo efecto que produce un solenoide o el que se produce al atraer metal ferromagnético con un imán ). Para mantener la rotación, el campo del estator debe girar por delante de los polos del rotor, "arrastrándolo" constantemente. Algunas variantes de motor funcionan con corriente alterna trifásica (véase la variante de reluctancia síncrona más adelante). La mayoría de los diseños modernos son de reluctancia conmutada, ya que la conmutación electrónica ofrece importantes ventajas de control para el arranque, la velocidad y el funcionamiento suave del motor (baja ondulación del par).

La inductancia de cada bobinado de fase del motor varía con la posición, ya que la reluctancia también varía con la posición. Esto supone un reto para los sistemas de control .

Tipos

reluctancia síncrona

Los motores síncronos de reluctancia (SynRM) tienen el mismo número de polos en el estator y el rotor. Las protuberancias del rotor están dispuestas para introducir "barreras" de flujo internas, orificios que dirigen el flujo magnético a lo largo del llamado eje directo. El número de polos debe ser par, generalmente 4 o 6.

El rotor funciona a velocidades síncronas sin partes conductoras de corriente. Las pérdidas del rotor son mínimas en comparación con las de un motor de inducción ; sin embargo, normalmente tiene menos par motor . [ 2 ] [ 3 ]

Una vez puesto en marcha a velocidad síncrona, el motor puede funcionar con tensión sinusoidal. El control de velocidad requiere un variador de frecuencia .

Los motores síncronos de reluctancia magnética (SynRM) de alta potencia suelen requerir elementos de tierras raras como el neodimio y el disprosio . Sin embargo, un estudio de 2023 informó sobre el uso de un laminado magnético de doble fase para reemplazarlos. La magnetización de dicho material crea regiones altamente magnetizadas, que actúan como polos del rotor, mientras que otras regiones permanecen no magnéticas (no permeables). En un experimento que utilizó nitruración a alta temperatura para aumentar la resistencia, un rotor de doble fase generó 23 kW a 14 000 RPM con una densidad de potencia de 1,4 kW y una eficiencia máxima del 94 %, mientras que un rotor convencional comparable produjo 3,7 kW. El uso de postes y puentes no permeables permite que sean más grandes y resistentes, reduciendo la interferencia entre las líneas de flujo del rotor y el estator. Una limitación es que la magnetización está limitada a 1,5 T , en comparación con los 2 T de los motores convencionales. [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]

Reluctancia conmutada o reluctancia variable

Motor de reluctancia conmutada con líneas de flujo magnético

El motor de reluctancia conmutada (SRM) es un tipo de motor de reluctancia. A diferencia de los motores de CC con escobillas , la potencia se suministra a los devanados del estator (carcasa) en lugar del rotor . Esto simplifica el diseño mecánico porque no es necesario suministrar potencia al rotor móvil, lo que elimina la necesidad de un conmutador . Sin embargo, complica el diseño eléctrico, ya que un sistema de conmutación debe suministrar potencia a los diferentes devanados y limitar la ondulación del par . [ 7 ] [ 8 ] Las fuentes discrepan sobre si se trata de un tipo de motor paso a paso . [ 9 ]

El motor SRM más sencillo tiene el menor coste de construcción de todos los motores eléctricos. Los motores industriales pueden presentar una reducción de costes debido a la ausencia de bobinados en el rotor o imanes permanentes. Entre sus usos más comunes se incluyen aplicaciones donde el rotor debe permanecer inmóvil durante largos periodos y en entornos potencialmente explosivos , como la minería, ya que no se requiere conmutación.

En un motor de reluctancia conmutada (SRM), los devanados están aislados eléctricamente entre sí, lo que proporciona una mayor tolerancia a fallos que los motores de inducción . La forma de onda de accionamiento óptima no es una sinusoide pura , debido al par no lineal en relación con el desplazamiento del rotor y a la inductancia de los devanados, que depende en gran medida de la posición.

Aplicaciones

  • Medidores eléctricos analógicos
  • relojes eléctricos analógicos
  • Algunos diseños de lavadoras
  • Mecanismos de accionamiento de las barras de control de los reactores nucleares
  • Motor de disco duro
  • Vehículos eléctricos [ 10 ]
  • Herramientas eléctricas como taladros de columna, tornos y sierras de cinta.

Véase también

Referencias

  1. ↑ "Ruido acústico en electrodomésticos debido a la ondulación del par en los accionamientos de motor – parte 1 - Motor Drive & Control - Blogs - TI E2E Community" . e2e.ti.com . Consultado el 9 de abril de 2019 .
  2. ↑ Osborne, Margaret. "Esta joven de 17 años diseñó un motor que podría transformar la industria del automóvil eléctrico" . Revista Smithsonian . Consultado el 19 de agosto de 2022 .
  3. ↑ "ETSD014 - Investigación de un nuevo diseño de motor eléctrico" . Sociedad para la Ciencia . Consultado el 19 de agosto de 2022 .
  4. ↑ Zorpette, Glenn (15 de marzo de 2024). "¿Quién liberará a los motores de vehículos eléctricos del monopolio de las tierras raras?" . IEEE . Consultado el 4 de junio de 2024 .
  5. ↑ Ismagilov, Flur; Vavilov, Vyacheslav; Pronin, Egor; Yushkova, Oxana; Zherebtsov, Alexey (15 de diciembre de 2023). "Investigación de tecnologías para la fabricación de aceros magnéticos de doble fase para elementos de máquinas eléctricas: una revisión" . Journal of Magnetism and Magnetic Materials . 588 171320. doi : 10.1016/j.jmmm.2023.171320 . ISSN 0304-8853 . 
  6. ↑ Huang, Shenyan; Zou, Min; Zhang, Wanming; Rallabandi, Vandana; Dial, Laura; Buresh, Steve; Zierer, Joseph; Jassal, Anoop; Johnson, Francis (2023-02-01). "Desarrollo de laminado magnético blando de doble fase para máquinas eléctricas avanzadas" . AIP Advances . 13 (2). doi : 10.1063/9.0000380 . ISSN 2158-3226 . 
  7. ↑ Bartos, Frank (1 de febrero de 2003). "¿Primavera para los motores de reluctancia conmutada?" . Control Engineering . Archivado del original el 19 de mayo de 2020. Los procesadores de señales digitales y los algoritmos especiales en los controles SR son vitales para sincronizar con precisión los pulsos de corriente que se alimentan a los devanados del motor en relación con la posición del rotor y el estator. La tecnología SR no ha experimentado avances reales. Interés reducido en la tecnología SR.
  8. ↑ Stankovic, AM; Tadmor, G.; Coric, Coric (6-10 de octubre de 1996). Control de rizado de par bajo de motores de reluctancia conmutada alimentados por corriente . IAS '96. Actas de la Conferencia de Aplicaciones Industriales IEEE de 1996, Trigésimo primera Reunión Anual de la IAS. San Diego, California. doi : 10.1109/IAS.1996.557001 . S2CID 61325620. Consultado el 3 de junio de 2024 . 
  9. ↑ Bartos, Frank (1 de marzo de 2010). "¿Resurgimiento de los motores y variadores SR?" . Control Engineering . Archivado del original el 19 de mayo de 2020. Los variadores SR operan a frecuencias de conmutación típicamente 10 veces menores que los variadores de CA comparables. Algunas otras fuentes parecen colocar ambos motores en la misma categoría. Emotron coincide en que el motor SR actual no es un motor paso a paso, ya que la corriente se monitorea y controla continuamente en relación con la posición angular del rotor.
  10. ↑ [El diseño de un motor eléctrico de un joven de 17 años podría revolucionar los vehículos eléctricos. Artículo de Dustin Wheelen • 16 de agosto de 2022, CNN.com https://www.msn.com/en-ca/autos/news/17-year-old-boy-s-electric-motor-design-could-revolutionize-evs/ar-AA10Ju0j ]
  • Documento técnico sobre la simulación en tiempo real de accionamientos de motores de reluctancia conmutada.