Para agilizar su proyecto, puede etiquetar las pilas de laminación con detalles como tolerancia, material, acabado superficial, si se requiere o no aislamiento oxidado, cantidady mucho más.
En un puente magnético decides en qué estás dispuesto a equivocarte: en el margen de tensión o en la limpieza electromagnética. Si añades acero, el rotor sobrevive más tiempo; si lo mantienes delgado, la máquina se comporta mejor, hasta que deja de hacerlo.
La gente habla de los puentes como si sólo estuvieran ahí para evitar que los imanes salgan del rotor. Es cierto. También son una derivación deliberadamente saturada y definida geométricamente que reconfigura las vías de fuga y cambia el lugar donde se acumula la densidad de flujo. El propio ejemplo de tensión/electromagnética IPM de COMSOL lo dice claramente: la saturación en la región del puente afecta a las características electromagnéticas, por lo que el grosor del puente debe mantenerse al mínimo para reducir las pérdidas, pero esos mismos puentes estrechos sufren una gran tensión centrífuga a velocidad.
Esa frase oculta la verdadera molestia: "mínimo" no es un número. Es lo que te permite cumplir tus limitaciones mecánicas una vez que incluyes las esquinas que realmente fabricas, no las que esbozaste.
Si se representa la tensión en función del grosor del puente, se suele obtener la forma que cabría esperar de una estructura que pasa de ser "de alma" a "de viga". Al principio el grosor compra mucho. Después, el rendimiento disminuye.
Un estudio comparativo de alta velocidad muestra que la tensión del rotor cae en picado cuando el grosor del puente pasa de 1 mm a 2 mm (de 3961 MPa a 2385 MPa, unos 39,8%), y luego cae mucho menos cuando pasa de 2,5 mm a 3,5 mm (de 1904 MPa a 1690 MPa, unos 11,2%). El mismo patrón de "el primer milímetro importa" aparece en otro trabajo de optimización de IPM de alta velocidad: al aumentar el grosor del puente de 1 mm a 3 mm, se reduce la tensión máxima del rotor y, al mismo tiempo, disminuye la FEM de retorno de la línea en vacío (de 382,6 V a 348 V).
Así que sí, el grosor del puente es un mando de control mecánico. También es un impuesto EMF.
A medida que aumenta el grosor de los puentes, se facilitan las vías de fuga. El factor de flujo de fuga sin carga en esa misma comparación de alta velocidad aumenta de 1,12 a 1,56 cuando el grosor del puente pasa de 1 mm a 3,5 mm. Es una forma cuantitativa de decir: has pagado por el acero y luego has vuelto a pagar por las fugas.
Luego se añaden refuerzos o imanes de segmento para calmar la tensión. La tensión mejora, pero las fugas suelen empeorar. El mismo artículo señala que dividir los imanes y añadir un rigidizador aumenta las vías de fuga, con un factor de fuga que aumenta de forma aproximadamente lineal con el grosor del rigidizador, e incluso informa de un caso en el que el factor de fuga alcanza 1,72.
Y una vez que las fugas y la saturación dan forma a la onda de flujo del entrehierro, se deja de discutir sobre la magnitud de la FEM de retorno y se empieza a discutir sobre su espectro. Ese estudio muestra una mayor distorsión armónica de la FEM de retorno en el caso IPM que en el caso SPM (THD 3,20% frente a 0,64%), con componentes 11º y 13º notables. En los armónicos es donde se esconden las pérdidas del núcleo del rotor.
Las decisiones puente afectan al menos a tres "cubos de pérdidas", aunque en el cuadro de mandos sólo se registren dos.
El cubo obvio es la pérdida del núcleo del rotor. En la comparación de alta velocidad, los autores relacionan directamente el mayor contenido armónico del rotor IPM (en parte debido al pequeño entrehierro y a la fuerte influencia de la corriente del estator) con una mayor pérdida del núcleo del rotor, y muestran que se convierte en un problema de límite térmico del rotor (informan de una temperatura máxima del rotor de 194 °C en su caso IPM).
El segundo cubo es lo que su puente hace a la saturación local y la aglomeración de flujo. Un artículo de Scientific Reports lo describe como "una elevada saturación magnética en el puente de aislamiento de flujo" que enriquece los armónicos de densidad de flujo del entrehierro, lo que aumenta la ondulación del par a baja velocidad; su vía de mitigación son los orificios de aislamiento magnético que reducen la densidad de flujo del puente añadiendo reluctancia, con el fin de evitar la sobresaturación y reducir la histéresis y las pérdidas por corrientes de Foucault.
El tercer cubo es la pérdida que creas indirectamente: espesas los puentes, pierdes CEM (o factor de potencia), necesitas más corriente para alcanzar el par, aumenta la pérdida de cobre y ahora estás "arreglando" un problema de tensión del rotor calentando el estator. Esto no es una declaración moral. Es una declaración contable.
Un detalle no intuitivo más del documento de optimización de alta velocidad: la pérdida del núcleo del rotor puede disminuir a medida que aumenta el grosor del puente, aunque disminuya la CEM, porque has cambiado cómo y dónde oscila el flujo en el acero del rotor; informan de que la eficiencia a menudo aumenta y luego disminuye a lo largo de los barridos de grosor del puente/rigidizador. Así pues, un puente más grueso puede parecer "mejor" en una métrica de pérdidas, mientras que degrada silenciosamente la postura electromagnética de la máquina.
Una vez que se deja de pretender que un puente es un rectángulo, se abre el espacio de diseño. Los rotores multipuente en forma de V dividen los imanes e insertan puentes intermedios para distribuir las fuerzas centrífugas, lo que aumenta la velocidad permitida, pero el mismo artículo expone directamente la contradicción: más puentes y más anchura mejoran la resistencia mecánica al tiempo que aumentan las fugas de flujo y reducen el rendimiento electromagnético. Sus resultados también ponen de relieve que el grosor del puente central es una palanca mecánica eficaz, mientras que algunos ajustes de los parámetros del puente de entrehierro no aportan mucha resistencia, lo que implica que se pueden elegir dimensiones de puente de entrehierro más agresivas por razones de fuga una vez que la principal vía de tensión se gestiona en otro lugar.
Si se optimizan detalles como los filetes y las formas triangulares de los puentes, normalmente se persigue la concentración de tensiones, no la tensión media. Un documento de optimización IPM de alta velocidad menciona explícitamente los esquemas de filetes y puentes magnéticos triangulares como parte de la historia del conflicto electromagnético/seguridad del rotor.
Un artículo de acceso abierto de 2024 propone un rotor que elimina los puentes bilaterales y mantiene sólo un puente central para mantener la resistencia, centrándose explícitamente en las fugas y la pérdida de hierro del rotor; combinan acero de alto contenido en silicio en la superficie del rotor (menor pérdida de hierro) con acero de bajo contenido en silicio internamente (resistencia), e informan de una reducción de las fugas, un par de +7,5%, una eficiencia de +0,18% y una pérdida de hierro del rotor de -36,2% en comparación con el motor original.
Esta es la forma más limpia de plantear el negocio: si se reduce la anchura del puente, se pueden ganar fugas y pérdidas, pero hay que "recomprar" la integridad mecánica con la topología (vías de carga centrales, estrategia de segmentación) y la elección de materiales.
| Traslado del diseño del puente | Lo que suele comprar mecánicamente | Lo que suele costar electromagnéticamente | Lo que suele hacer a las pérdidas (direccional) | Notas que te importarán más tarde |
|---|---|---|---|---|
| Aumentar el grosor del puente de entrehierro | Gran descenso de la tensión máxima al principio, luego disminuye | Mayor factor de fuga; menor contrafase | La pérdida del núcleo del rotor puede ir en cualquier dirección; la forma de onda/armónicos suelen empeorar | "Estrés resuelto" puede convertirse en "corriente aumentada", que no es más que mover el calor |
| Añadir refuerzos / imanes de segmento | Alivio de tensiones; diferentes ubicaciones de los picos (a menudo en la raíz del rigidizador) | Vías de fuga adicionales; el factor de fuga aumenta con el grosor del refuerzo | Puede reducir la tensión del rotor pero impulsa el contenido armónico que aumenta la pérdida del núcleo del rotor | El rotor podría pasar la tensión y fallar la temperatura primero |
| Multipuente (puente central + puente intermedio) | Comparte la carga centrífuga; mayor velocidad permitida si la geometría es correcta | Más puentes/ancho tiende a aumentar las fugas | Depende del mapa de saturación; son comunes los desplazamientos armónicos por fugas | Los detalles de alineación de la geometría (como la dirección del puente intermedio) pueden importar más que el recuento |
| Añadir agujeros de aislamiento / muescas cerca del puente | No es un juego de fuerza a menos que se compense en otra parte | Reduce la saturación local; puede suavizar la distribución del flujo | Puede reducir la ondulación del par y los componentes de histéresis/eddy ligados a la saturación. | Las comprobaciones de fabricación y fatiga no son opcionales aquí |
| Reducir los puentes bilaterales, confiar en el puente central + materiales | Te obliga a ser deliberado sobre las rutas de fuerza | Reduce la anchura total del puente, lo que disminuye las fugas | En la práctica, es posible reducir las pérdidas de hierro en el rotor. | Las compensaciones entre fragilidad y saturación del material aparecen rápidamente (el acero con alto contenido de silicio no es gratuito). |
Si tratas el dimensionamiento de puentes como "elige un grosor y comprueba las pérdidas", tendrás que iterar eternamente. Los artículos que parecen ser serios tienden a tratarlo de forma conjunta: tensión, factor de fuga, espectro de FEM de retorno, pérdida en el núcleo del rotor, temperatura. En un estudio de alta velocidad incluso se aplica la tensión a la velocidad nominal del 120% y a una temperatura elevada para mantener un margen honesto, y luego se vinculan los objetivos de optimización a la eficiencia y a la pérdida en el núcleo del rotor, porque el calentamiento del rotor suele ser el factor limitante.
Una postura práctica es: decida qué fallo rechaza (ceder a sobrevelocidad, techo de temperatura del rotor, margen demag), luego deje que el puente sea la pieza de acero más pequeña que aún haga que esos fallos sean aburridos. No óptimo. Aburrido. El resto consiste en gestionar los efectos magnéticos secundarios con la forma, la segmentación y el lugar donde se permite que se produzca la saturación, porque la saturación se producirá de todos modos.
Para agilizar su proyecto, puede etiquetar las pilas de laminación con detalles como tolerancia, material, acabado superficial, si se requiere o no aislamiento oxidado, cantidady mucho más.
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