¿Sabías que los motores de relutancia sincrónica, que fueron inventados a finales de 1900, ahora se consideran superiores a los motores de inducción? Estos motores cuentan con controles electrónicos avanzados que hacen que su eficiencia y torque sean mucho mejores que otros motores. Muchas industrias, e incluso la empresa que lleva el nombre del inventor del motor de inducción, Tesla, han comenzado a cambiar a motores de relutancia sincrónica. Tesla utiliza una versión avanzada del motor de relutancia sincrónica.
La física y características de diseño de este nuevo gigante en el mundo eléctrico
La física de este motor es bastante simple. Es posible que hayas observado este interesante fenómeno cuando un imán se acerca a clavos de hierro. Los clavos son atraídos por el imán. Para comprender la razón detrás de esta respuesta, tenemos que entender dos cosas. Primero, el campo magnético elige el camino de menor resistencia. Y segundo, la estructura del hierro.
Exploraremos la resistencia que el campo magnético tiene que enfrentar. Más específicamente, esta resistencia se llama reluctancia. El flujo magnético siempre tiene tendencia a pasar a través de la ruta de menor reluctancia. El flujo magnético máximo pasa a través del hierro en lugar del aire porque el valor de reluctancia del hierro es mucho menor que el valor de reluctancia del aire.
Ahora, aprendamos sobre la estructura del hierro. El hierro tiene una estructura basada en dominios, que son áreas pequeñas con polos magnéticos individuales. Sin embargo, como puedes ver, estos polos están naturalmente dispuestos en una dirección aleatoria. Por lo tanto, si sumamos el campo magnético total, se cancela. Un área típica de dominio es el resultado de átomos con electrones desapareados girando en la misma dirección.
A medida que el flujo magnético permanente fluye a través del clavo de hierro, sus dominios se alinean en una sola dirección. Una vez que ocurre esa alineación, todo el clavo de hierro tendrá un campo magnético resultante y actuará como otro imán permanente. Por lo tanto, se genera una fuerza de atracción entre el clavo y el imán permanente.
Sin embargo, para que se alinee el dominio, existe la obligación de tener un campo magnético externo. Por lo tanto, es más preciso llamar al clavo de hierro un imán temporal.
Vamos a hacer un experimento y generar un par utilizando el concepto de fuerza de reluctancia que acabamos de aprender
Se posiciona una barra de hierro sólido que puede girar como se muestra. Ahora, mantenemos un electroimán en un desplazamiento de la barra de hierro. La barra de hierro definitivamente se verá atraída por el electroimán debido a la fuerza de reluctancia y girará. Sin embargo, una vez que se alinea con el campo magnético, el par en la barra de hierro se vuelve cero. Este es un concepto crucial a tener en cuenta. Cuando la barra de hierro y el campo magnético están perfectamente alineados, el par en el rotor será cero.
Ahora, diseñemos un simple motor de relutancia sincrónica utilizando los fundamentos que hemos desarrollado hasta ahora
Aquí, una disposición de bobina trifásica reemplaza al electroimán. Cuando pasa una corriente alterna trifásica por esta bobina, se producirá un campo magnético que gira. ¿Puedes decir qué le sucederá a la barra de hierro bajo la influencia de este campo magnético rotativo? Una respuesta sencilla es que el rotor se alineará con el campo magnético y girará a la misma velocidad que el campo magnético. Esta respuesta parece bastante lógica. Sin embargo, cuando aplicas un campo magnético rotativo a un rotor inmóvil, los resultados podrían sorprenderte. El rotor en realidad se resiste a girar.
Aprendamos por qué sucede esto. A medida que el polo final se aproxima al rotor, los dominios de las barras de hierro comienzan a alinearse, como se muestra, y los polos opuestos tendrán una fuerza atractiva entre ellos. Luego, el rotor debería girar. El rotor gira, pero el villano aquí es la inercia del rotor, lo que hace que la velocidad sea muy baja en comparación con el campo magnético rotativo. Para este momento, el polo siguiente se aproximará al rotor, lo que provoca una acción repulsiva. Puedes pensar que, como no hay imanes permanentes, los polos inducidos en el rotor pueden cambiar a medida que cambia el campo magnético rotativo.
Sin embargo, no lo hacen. Aquí está el problema. Los dominios magnéticos que aprendimos antes tardan tiempo en girar. Este es un fenómeno bien conocido llamado histéresis. Por lo tanto, a medida que se acerca el polo sur, los polos no pueden cambiar rápidamente, lo que resulta en una fuerza repulsiva debido a la inercia del rotor y la histéresis. Un rotor inmóvil está sujeto a fuerzas atractivas y repulsivas alternas. Por eso los motores de relutancia sincrónica son inherentemente no autoarrancables. La forma más adoptada de hacer que este motor se autoarranque es reducir la velocidad del campo magnético rotativo durante el arranque y luego aumentarlo gradualmente.
Probemos este método. Podemos controlar fácilmente la velocidad del campo magnético rotativo variando la frecuencia de la corriente de entrada. Inicialmente, la velocidad del campo magnético rotativo es casi cero y se induce un polo magnético de polaridad opuesta en el rotor, lo que hace que se atraiga al campo magnético rotativo y comience a girar lentamente.
El dispositivo de control detecta la posición del rotor y, en función de esta posición, ajusta la velocidad del campo magnético rotativo para que siempre haya una fuerza atractiva entre el rotor y el campo magnético rotativo. A medida que el rotor se acelera, el controlador aumenta también la velocidad del campo magnético rotativo. Por lo tanto, el rotor funciona en sincronismo.
Además de iniciar el motor, el controlador también juega un papel crucial en el funcionamiento normal de los motores de relutancia sincrónica. Como hemos visto, si la barra de hierro se alinea con un campo magnético, el par producido será cero. En esta simulación hipotética, se muestra cómo funciona con una carga cero en el rotor. Agregar una carga en el motor hace que el rotor gire detrás del campo a un ángulo.
Este ángulo se conoce como ángulo de carga. Ahora supongamos que la carga en el motor aumenta abruptamente. Obviamente, el ángulo de carga también aumentará. Sin embargo, si el ángulo de carga cruza un límite crítico, el rotor se deslizará fuera de sincronismo y se detendrá. El controlador viene al rescate en estas situaciones. Mide continuamente la posición del rotor, ajusta eficientemente el ángulo y la magnitud de la corriente alterna y se asegura de que el ángulo de carga esté siempre por debajo del límite crítico. Los motores de relutancia sincrónica siempre funcionan a velocidad sincrónica.
Además, con solo agregar una barra de hierro adicional perpendicularmente, podemos producir el doble de torque. Ten en cuenta que tal rotor debe usar un campo magnético rotativo de 4 polos.
Discutamos otro concepto crucial relacionado con los motores de relutancia sincrónica
Puedes observar que la interacción entre el campo magnético y el área del rotor es alta en este ángulo y baja en este ángulo. La diferencia en las interacciones de flujo resulta en la producción de torque de reluctancia, lo que significa que, para aumentar aún más el torque de reluctancia, se necesita una interacción máxima de flujo en la alineación del lado izquierdo y una interacción de flujo muy baja en la alineación del lado derecho.
Un diseño de rotor perfectamente redondo dará como resultado una interacción de flujo magnético máxima. Sin embargo, tal diseño no tiene una posición de interacción de flujo mínimo. El flujo es constante en todos los ángulos. Para comprender cómo producir un diseño de interacción de flujo mínimo, usemos una simulación de elementos finitos (FEA). El software de FEA EM Works 2D de Solidworks simula con precisión la forma del campo magnético rotativo.
Ahora, dispongamos capas alternas de un material ferromagnético y un material no magnético a lo largo de las líneas del campo magnético. Este diseño, obviamente, producirá una alta interacción de flujo en este ángulo. Lo interesante es que cuando el rotor está desplazado 45 grados, la interacción de flujo se vuelve extremadamente baja debido a las barreras no magnéticas. El rotor experimenta una reluctancia más alta en esta posición. Este es un diseño perfecto desde la perspectiva de la ingeniería eléctrica. Sin embargo, cuando los ingenieros probaron este diseño, observaron que el rotor fallaba mecánicamente a velocidades más altas, ya que el enlace entre las diferentes capas no proporcionaba la fuerza centrípeta necesaria.
Además, la fabricación de rotores apilados radialmente de esta manera es bastante rigurosa. Por esta razón, los modernos motores de relutancia sincrónica utilizan un diseño ligeramente diferente. Un diseño de rotor basado en láminas delgadas. La fabricación de este diseño es bastante fácil y, al mismo tiempo, mantiene las mismas buenas cualidades eléctricas. Aquí, se perforan cavidades curvas en las láminas delgadas y el aire natural entre estas cavidades actúa como un material aislante magnético.
Los motores de relutancia sincrónica han comenzado a reemplazar los motores de inducción en la mayoría de las industrias debido a su notable rendimiento. En los motores de inducción, el torque se produce debido a la interacción entre el campo magnético rotativo y la corriente que fluye a través de las barras del rotor. Este flujo de corriente resulta en una cantidad considerable de pérdidas de I al cuadrado R, en forma de calor.
Por eso, los motores de inducción tienen una eficiencia menor en comparación con los motores de relutancia sincrónica. Gracias a la ausencia de pérdidas por I al cuadrado R y a las corrientes del rotor, los motores de relutancia sincrónica funcionan más fríos para la misma entrada de corriente. Además, los motores de relutancia sincrónica pueden producir un 10 a 15 por ciento más de torque que los motores de inducción.
Finalmente, la ventaja más obvia de los motores de relutancia sincrónica es que siempre funcionan a velocidad sincrónica. En un motor de inducción, la velocidad del rotor será ligeramente inferior a la velocidad sincrónica y esta velocidad varía según la carga. Esperamos que ahora tengas una buena comprensión de cómo funcionan los motores de relutancia sincrónica. La próxima vez que coloques un imán en tu refrigerador, sabrás que se atraen debido a la misma fuerza de reluctancia.
