En la industria del embalaje y las máquinas CNC, un tipo de motor llamado motor lineal está causando un gran impacto. Cuando alguien menciona la palabra «motor», generalmente se piensa en algo que gira, pero para el embalaje y las máquinas CNC, se requieren motores con movimiento lineal.
En este artículo vamos a aprender cómo funcionan estos hermosos motores, entendiendo un concepto crucial sobre los campos magnéticos que viajan linealmente.
El concepto clave
Imaginemos un experimento mental con una pista y un par de imanes fijos en ambos lados. ¿Qué sucederá si colocamos un imán permanente en la pista?
Para entender la dirección de la fuerza que uno de los imanes genera en el otro, debemos considerar los polos cercanos. Debido a las fuerzas que actúan sobre el imán central, se moverá hacia la izquierda. Esta generación de fuerza hacia un lado es el principio fundamental de los motores lineales.
El motor lineal de tres fases
Si utilizamos el concepto de generación de fuerza que acabamos de aprender, podemos construir un motor lineal de tres fases que se utiliza en varias industrias.
La parte móvil de este motor es un simple eje, y la parte estacionaria tiene un arreglo de bobinas que recibe la alimentación eléctrica. La parte estacionaria se llama primaria y la parte móvil se llama secundaria.
Para comprender mejor cómo funciona, utilizaremos una configuración de bobinas simple que se alimenta con una fuente de alimentación de tres fases alterna. La variación de la corriente en la bobina será la que se muestra.
Ahora necesitamos descubrir la variación del campo magnético debido a esta variación de corriente. Consideremos el primer instante. Según la dirección de la corriente, podemos predecir las líneas de campo según la regla de la mano derecha.
Ahora descubramos el campo magnético resultante. Congelemos este instante por un momento y consideremos el segundo instante con su campo resultante, basado en la orientación de la corriente, y de manera similar, el tercer instante siguiendo la forma de onda sinusoidal que se muestra. Al comparar estos tres instantes, podemos ver que en cada uno de ellos, la orientación del polo sur y del polo norte se desplaza ligeramente hacia la derecha.
Usando los resultados del análisis de elementos finitos (FEA) producidos por EM Works 2D de SolidWorks, podemos verificar este concepto de campo magnético en movimiento. Después de los primeros tres instantes, podemos ver claramente cómo el campo magnético viaja de manera lineal. Después de moverse hacia la derecha por cierta distancia, aparece el polo norte-sur, pero al mismo tiempo, el polo sur-norte está desapareciendo en el extremo derecho. Este polo norte-sur continúa su movimiento lineal hacia la derecha. Es un fenómeno realmente hermoso: un campo magnético que viaja continuamente dentro de otro campo magnético.
Un fenómeno similar a una onda en una cuerda
Este campo magnético que viaja linealmente es muy similar a una onda en una cuerda. Toda la cuerda permanece en una ubicación, pero dentro de la cuerda, una onda viaja hacia la derecha. De manera similar, en el caso del campo magnético que viaja linealmente, todo el campo magnético no se está moviendo, pero dentro del campo magnético, el polo norte-sur se mueve en una dirección.
El motor lineal funciona en base al concepto de un campo magnético que viaja linealmente. Ahora, supongamos que colocas un bloque de aluminio dentro de este campo magnético que viaja linealmente. Según la Ley de Faraday, debido al flujo magnético variable, se inducirá una fuerza electromotriz (FEM) en el bloque y comenzarán a fluir corrientes de Foucault.
La corriente inducida seguirá la Ley de Lenz. Cuando realizas un análisis de fuerzas del campo magnético debido a las corrientes de Foucault y el campo magnético que viaja linealmente, la fuerza que actúa sobre el bloque de aluminio es en la misma dirección que el campo magnético que viaja linealmente. Solo si el bloque se mueve a lo largo del campo magnético, la interacción del flujo en el bloque se reducirá. Eventualmente, el bloque debe seguir la Ley de Lenz.
Sin embargo, el bloque conductor nunca logra alcanzar la velocidad del campo magnético en movimiento lineal, ya que si estas dos velocidades coinciden, el bloque no generará corrientes de Foucault y, por lo tanto, se detendrá. El retraso entre la velocidad del bloque conductor y el campo magnético que viaja linealmente se conoce como derrape.
Puedes ver que el motor que hemos desarrollado hasta ahora moverá el bloque conductor de izquierda a derecha, pero no podrá volver a llevarlo a su posición inicial. Para hacer que el bloque se mueva de derecha a izquierda, debemos cambiar la dirección del campo magnético que viaja linealmente. Hacerlo es bastante fácil: simplemente cambia el orden de la fuente de alimentación de tres fases. Ahora, la fuerza se genera hacia el lado izquierdo.
El movimiento de vaivén del secundario se ilustra claramente en esta animación. Aquí tenemos el diseño casi final: un motor lineal con movimiento de vaivén. Si en lugar de un solo bloque, colocamos una barra larga, también seguirá el mismo fenómeno.
Estas visualizaciones muestran claramente cómo opera una barra secundaria larga mediante el mismo fenómeno de interacción de fuerzas que vimos antes. La forma en que las bobinas primarias se disponen en un motor lineal práctico se ilustra aquí.
Además de las máquinas CNC y de embalaje, los motores lineales también se utilizan en puertas correderas automáticas, montañas rusas, ascensores sin cuerda y mucho más. Es interesante saber que el tren SC Maglev de Japón utiliza el mismo concepto de motor lineal para impulsarse hacia adelante.
Aquí se enumeran algunas características especiales de los motores lineales.
Eso es todo para este artículo. ¡Gracias!
