Motores de inducción electromagnética y motores de CA: cómo funcionan

Los motores eléctricos se encuentran entre los inventos más importantes en la historia de la ingeniería, y el principio que hace que la mayoría de ellos funcionen (la inducción electromagnética) se estableció hace casi dos siglos. Hoy en día, ese mismo principio impulsa todo, desde compresores industriales hasta bicicletas eléctricas. Comprender qué son los motores de CA, cómo los impulsa la inducción electromagnética y cómo ha evolucionado la tecnología hasta convertirse en los motores sin escobillas utilizados en la movilidad eléctrica moderna ofrece una imagen completa de una de las ideas más duraderas y adaptables de la ingeniería.

¿Qué es un motor de CA?

Un motor de CA es un motor eléctrico que convierte la energía eléctrica de corriente alterna (CA) en energía de rotación mecánica. A diferencia de los motores de corriente continua (CC), que funcionan con una corriente que fluye en una dirección, los motores de CA funcionan con una corriente que invierte periódicamente la dirección, normalmente 50 o 60 veces por segundo, dependiendo de la frecuencia de la red eléctrica de la región.

Cada motor de CA consta de dos componentes mecánicos principales. el estator es el conjunto exterior estacionario, formado a partir de un anillo de bobinas de electroimán enrolladas en un núcleo de acero laminado. Cuando la energía CA fluye a través de los devanados del estator, producen un campo magnético. el rotor es el conjunto interior giratorio, colocado dentro de la cavidad cilíndrica del estator. La interacción entre el campo magnético del estator y el rotor, lograda mediante inducción electromagnética, imanes permanentes o excitación externa según el tipo de motor, genera el par que impulsa el eje de salida.

Los motores de CA se dividen en dos categorías operativas fundamentales: motores de inducción (asincrónicos) y motores síncronos. Los motores de inducción son, con diferencia, el tipo más común en aplicaciones industriales y comerciales y representan la inmensa mayoría de los motores utilizados en todo el mundo.

El principio de la inducción electromagnética

La inducción electromagnética es la base de cómo los motores de inducción generan par sin ninguna conexión eléctrica al rotor. El principio, establecido por Michael Faraday en 1831, establece que un campo magnético cambiante que pasa a través de un conductor induce una corriente eléctrica en ese conductor. Esta corriente inducida, a su vez, produce su propio campo magnético.

En un motor de inducción, los devanados del estator alimentados por CA crean un campo magnético que gira continuamente alrededor del orificio del estator. Este campo giratorio atraviesa los conductores del rotor, induciendo en ellos una corriente según la ley de Faraday. Esa corriente inducida genera un campo magnético secundario en el rotor. Según la ley de Lenz, este campo secundario se opone al cambio que lo creó, lo que significa que intenta eliminar el movimiento relativo entre el campo del estator giratorio y el rotor estacionario haciendo que el rotor gire en la misma dirección que el campo del estator.

El resultado: el rotor gira siguiendo el campo magnético giratorio, sin ninguna conexión eléctrica física entre el estator y el rotor. Sin escobillas, sin anillos colectores en el lado del rotor, sin conmutador: la transferencia de energía se produce enteramente a través del campo magnético cambiante a través del entrehierro. Esta es la razón por la que los motores de inducción son tan simples desde el punto de vista mecánico, robustos y duraderos en comparación con los motores de escobillas: no hay componentes de contacto en el rotor que se desgasten.

Cómo se crea un campo magnético giratorio

El campo magnético giratorio es el mecanismo clave que impulsa la inducción electromagnética en un motor de CA y es una propiedad emergente de la energía de CA trifásica. En un sistema trifásico, se suministran simultáneamente tres voltajes de CA separados a tres conjuntos de devanados del estator, cada par de devanados físicamente desplazados de los demás 120 grados alrededor del orificio del estator. Los tres voltajes también están compensados ​​eléctricamente 120 grados, lo que significa que alcanzan sus valores máximos en diferentes momentos de cada ciclo.

A medida que cada fase alcanza su punto máximo, los electroimanes energizados por esa fase se vuelven más fuertes, empujando el campo magnético efectivo del estator hacia ese conjunto de polos. A medida que avanza el ciclo y la siguiente fase alcanza su punto máximo, el campo se desplaza al siguiente conjunto de polos: 120 grados alrededor del estator. El efecto neto de tres conjuntos de electroimanes en secuencia, espaciados igualmente alrededor de la circunferencia, es un campo magnético que parece girar suavemente alrededor del estator a una velocidad determinada por la frecuencia de suministro y el número de polos magnéticos en el devanado del estator.

Esta velocidad síncrona en revoluciones por minuto viene dada por: Ns = (120 × f) / P , donde f es la frecuencia de alimentación en Hz y P es el número de polos. Un motor de dos polos con un suministro de 50 Hz gira a una velocidad síncrona de 3000 RPM; un motor de cuatro polos del mismo suministro gira a 1.500 RPM. Los motores monofásicos también pueden producir un campo giratorio, pero requieren devanados de arranque auxiliares o condensadores porque un suministro monofásico por sí solo produce un campo pulsante en lugar de giratorio.

El rotor y el deslizamiento de la jaula de ardilla

La construcción de rotor más común en los motores de inducción de CA es el rotor de jaula de ardilla, llamado así por su parecido con la rueda de ejercicio utilizada por los animales pequeños. Consiste en una serie de barras conductoras de aluminio o cobre incrustadas en ranuras en un núcleo de hierro laminado, con las barras en cortocircuito en ambos extremos mediante anillos terminales conductores. No hay devanados, ni aislamiento, ni conexiones eléctricas externas: el rotor es mecánicamente sencillo de fabricar y prácticamente indestructible en condiciones normales de funcionamiento.

Cuando el campo magnético giratorio del estator recorre estas barras conductoras, induce corrientes que fluyen a través de las barras y alrededor de los anillos de los extremos. Estas corrientes circulantes producen el campo magnético del rotor, que interactúa con el campo del estator para generar par. La corriente inducida (y por tanto el par) depende de la velocidad a la que el campo del estator corta las barras del rotor. Si el rotor alcanzara exactamente la misma velocidad que el campo giratorio del estator (velocidad síncrona), no habría movimiento relativo, corte de campo, corriente inducida ni par. Por lo tanto, el rotor siempre gira ligeramente más lento que la velocidad sincrónica.

Esta diferencia de velocidad se llama resbalón , expresado como porcentaje de la velocidad síncrona. Sin carga, el deslizamiento es muy pequeño: normalmente entre 0,5% y 1%. Bajo carga nominal completa, el deslizamiento aumenta entre un 3% y un 8%, según el diseño del motor. El resbalón no es una deficiencia; es el mecanismo necesario mediante el cual un motor de inducción genera par. Sin deslizamiento no hay inducción electromagnética y sin inducción electromagnética no hay torsión.

Motores de inducción versus motores síncronos

Los motores síncronos representan la otra rama principal del diseño de motores de CA. Mientras que el rotor de un motor de inducción es impulsado enteramente por corrientes inducidas electromagnéticamente, el rotor de un motor síncrono está equipado con imanes permanentes o electroimanes excitados por separado que bloquean el rotor exactamente a la velocidad del campo giratorio del estator, con deslizamiento cero.

Los motores síncronos se utilizan donde se requiere una velocidad constante y precisa independientemente de la variación de la carga: en relojes, generadores de señales y unidades de posicionamiento de alta precisión. Los motores de inducción dominan las aplicaciones industriales y comerciales generales debido a su menor costo, mayor robustez y capacidad de arranque automático en configuraciones trifásicas.

Motores de inducción monofásicos versus trifásicos

Los motores de inducción trifásicos tienen arranque automático: la alimentación trifásica produce naturalmente un campo magnético giratorio, que inmediatamente comienza a inducir par en el rotor de jaula de ardilla tan pronto como se aplica energía. Son más eficientes, producen un factor de potencia más alto y se utilizan en prácticamente todas las aplicaciones de motores industriales, desde bombas pequeñas hasta variadores de varios megavatios.

Los motores de inducción monofásicos presentan un desafío fundamental: un suministro de CA monofásico produce un campo magnético pulsante, no giratorio. Un campo pulsante puede sostener la rotación pero no puede iniciarla: el motor no tiene una dirección de rotación preferida y un par de arranque neto cero cuando está parado. Varias estrategias de diseño abordan esto, cada una produciendo una variante de motor distinta.

De la inducción de CA a la CC sin escobillas: la evolución moderna

El motor de CC sin escobillas (BLDC), actualmente el tipo de motor dominante en bicicletas eléctricas, scooters eléctricos, drones y sistemas auxiliares de vehículos eléctricos, no es un motor de inducción de CA en el sentido tradicional. En lugar de depender de corrientes de rotor inducidas electromagnéticamente, un motor BLDC utiliza imanes permanentes en el rotor y una conmutación de corriente controlada electrónicamente en el estator para producir rotación. En este aspecto se parece más a un motor síncrono que a un motor de inducción.

La conexión con los principios del motor de CA reside en el estator: el estator de un motor BLDC produce un campo magnético giratorio mediante la conmutación sincronizada con precisión de la corriente CC a través de sus devanados, un efecto funcionalmente equivalente a lo que logra la CA trifásica mediante la variación de corriente sinusoidal. El controlador del motor realiza la conmutación electrónica que reemplaza las escobillas de un motor de CC tradicional, utilizando retroalimentación de la posición del rotor (de sensores de efecto Hall o detección de contraEMF) para energizar los devanados correctos del estator en cada momento del ciclo de rotación.

El resultado es un motor que combina el funcionamiento sincrónico y la alta eficiencia de un motor síncrono de imán permanente con la controlabilidad y compacidad que exigen las aplicaciones alimentadas por baterías. Los motores BLDC eliminan el desgaste de las escobillas que limita la vida útil de los motores de CC tradicionales, funcionan de manera eficiente en un amplio rango de velocidades y producen una alta densidad de torque en un paquete compacto, lo que los convierte en la base de ingeniería de la movilidad eléctrica moderna.

Aplicaciones en la movilidad eléctrica moderna

Los principios de la inducción electromagnética y los campos magnéticos giratorios, desarrollados en el siglo XIX, están incorporados directamente en los motores que impulsan las bicicletas eléctricas y los vehículos eléctricos ligeros actuales, aunque en su moderna forma de imán permanente sin escobillas. Dos configuraciones de motor distintas dominan este mercado, cada una con diferentes características de rendimiento adecuadas para diferentes estilos y requisitos de conducción.

Motores de cubo integrar el motor directamente en el cubo de la rueda (delantero o trasero) con el estator fijado al eje y el rotor formando la carcasa exterior que impulsa la rueda. La interacción electromagnética entre los devanados fijos del estator y el rotor giratorio de imán permanente hace girar directamente la rueda, sin una cadena de transmisión de potencia mecánica entre el motor y la rueda. Esta simplicidad hace que los motores de cubo sean silenciosos y fáciles de mantener. Motores de cubo for electric bicycles and light electric vehicles Se adaptan a aplicaciones de transporte, carga y ocio donde la instalación sencilla y el bajo mantenimiento son prioridades.

Motores de tracción media Coloque el motor en el pedalier de la bicicleta, impulsando la manivela y la cadena en lugar de la rueda directamente. Esta disposición permite al ciclista utilizar el sistema de engranajes existente de la bicicleta para multiplicar el par motor, lo que hace que los sistemas de transmisión central sean significativamente más eficientes en terrenos montañosos y se adapten mejor a condiciones de carga variable. Motores de tracción media for high-performance electric bikes Ofrecen el torque y la versatilidad del terreno que exigen las bicicletas eléctricas de montaña, las bicicletas de carga y las aplicaciones de alto rendimiento para desplazamientos diarios.

En ambas configuraciones, el motor no puede funcionar eficazmente sin un controlador de motor compatible. El controlador realiza la conmutación electrónica que reemplaza las escobillas mecánicas, gestiona la entrega de corriente a los devanados del estator basándose en la retroalimentación de la posición del rotor y traduce la entrada del ciclista (acelerador, nivel de asistencia al pedaleo) en una salida de torque precisa. Controladores de motores de CC sin escobillas para sistemas de transmisión central y central están diseñados para adaptarse a configuraciones de devanado de motor, rangos de voltaje y protocolos de comunicación específicos. Para ingenieros e integradores que construyen sistemas de accionamiento completos, el Guía de emparejamiento de controlador y motor. proporciona el marco de coincidencia de especificaciones necesario para seleccionar combinaciones de controlador y motor compatibles para una plataforma de vehículo y un objetivo de rendimiento determinados.