Núcleo del motor 101: estator frente a rotor, ranuras, dientes y contrahierro

Si alguna vez has mirado el corte de un motor y has pensado "guay... pero ¿qué estoy viendo exactamente?"esta guía es para usted.

La mayoría de la gente habla de motores en términos de imanes, cobre y controladores. Pero en silencio, la forma de la núcleo del motor - el estator, el rotor, las ranuras, los dientes, y el hierro trasero - decide cosas como:

• Cuánto par obtiene realmente
• Qué tan ruidoso o suave se siente
• Cuánto se calienta y cuánto sobrevive

Bajo la pintura y el plástico, sólo hay acero, cobre y algo de aire, dispuestos de forma muy deliberada.

• Lo que obtendrá de esta guía
  • Un claro, visual modelo mental de lo que realmente significan "estator", "rotor", "ranuras", "dientes" y "contrahierro".
  • Comprensión de cómo estas formas dirigen el par, el ruido, la eficiencia y el coste.
  • Vocabulario suficiente para mantener conversaciones inteligentes con vendedores de motores o ingenieros de diseño.
  • Sencillos "botones" en los que puede pensar al elegir o especificar un núcleo de motor

1. Estator vs. rotor: la imagen básica

En su forma más simple, un motor eléctrico son dos anillos de acero con un pequeño espacio entre ellos:

• En estator (anillo exterior fijo) sujeta los devanados de cobre y crea un campo magnético giratorio cuando recibe corriente.
• En rotor (anillo interior giratorio) se sitúa dentro del estator y es arrastrado por ese campo, convirtiendo la energía eléctrica en par mecánico sobre el eje.

Tanto el núcleo del estator como el del rotor están fabricados con laminaciones finas de acero eléctrico -normalmente acero aleado con silicio- apilado como un libro muy apretado. Esta laminación reduce drásticamente las pérdidas por corrientes parásitas e histéresis, y los núcleos de los motores modernos utilizan espesores de lámina a menudo en el 0,1-0,5 mm gama.

El famoso "entrehierro" entre el estator y el rotor es pequeño, pero conceptualmente enorme: hacerlo un poco más grande o más pequeño cambia el esfuerzo que tiene que hacer el estator para atraer flujo a través de él y, por tanto, afecta a la eficiencia, el par y, a veces, el ruido acústico.

He aquí una comparación que puedes tener en la cabeza:

• Estator vs rotor: el modelo mental clave
  • Estator = el "escultor de campos".Forma donde el campo magnético va y cómo de fuerte es por la geometría de los dientes, las ranuras y la contraplancha.
  • Rotor = el "seguidor" que convierte el campo en movimientosu geometría determina con qué fidelidad sigue ese campo (ondulación del par, deslizamiento, pérdidas, márgenes demag).
  • Puedes pensar en diseño del estator como principalmente sobre crear un buen campo, y diseño del rotor como sobre cosecha ese campo de forma segura y eficaz.
  • Cambiar la geometría del estator ⇒ a menudo cambia la ondulación del par, el NVH y la eficiencia. Cambiar la geometría del rotor ⇒ a menudo cambia el par máximo, las pérdidas del imán/rotor y los límites mecánicos.

2. Ranuras y dientes: donde el cobre se une al acero

Si cortáramos el núcleo de un motor como si fuera un donut, veríamos que ni el estator ni el rotor son anillos lisos. Tienen "forma de engranaje", con repetidas dientes y ranuras alrededor de la circunferencia.

• Dientes son los salientes radiales de acero.
• Tragamonedas son los huecos entre los dientes donde viven los conductores de cobre (estator) o donde se asientan las barras/imanes del rotor (rotor).

¿Por qué molestarse con una forma tan complicada?

Porque los dientes hacen dos cosas muy importantes:

1. En flujo de concentrado cerca del entrehierro, haciendo que el campo magnético sea más fuerte donde importa, aumentando el par y la contrafuerza electromagnética por unidad de cobre.
2. En anclar los bobinados o imanes en una geometría repetible, lo que es crucial para el buen funcionamiento y la fabricabilidad.

Sin embargo, los mismos dientes también crean variación de reluctancia a medida que gira el rotor - un "camino lleno de baches" magnéticos que se convierte en par de arrastre y ondulación del par si no se controla.

• Ranura clave del estator y diseño de los dientes "pomos"
  • Número de ranuras (Q)
    • Más ranuras: par más suave, menor engrane, mejor forma de onda, pero bobinado más complejo y mayor coste de fabricación.
    • Menos ranuras: más sencillo, a menudo más barato, pero puede implicar una mayor ondulación del par y ruido acústico.
  • Combinación de ranura/polo (por ejemplo, 12s/10p, 9s/6p)
    • Determina ranuras por polo y fase (q)que afecta en gran medida al factor de bobinado, al par de arrastre y al contenido armónico del campo del entrehierro.
  • Forma de la ranura (abierta, semicerrada, totalmente cerrada)
    • Ranuras abiertas: más fáciles de bobinar, mayores fugas, cogging potencialmente más alto; suelen ser más baratas.
    • Semicerrado: buen compromiso para muchos motores industriales.
    • Cerrado o casi cerrado: baja fuga y potencialmente bajo ruido, pero más difícil de ventilar y enfriar.
  • Anchura y altura de los dientes
    • Dientes más anchos → más capacidad de flujo, menos posibilidades de saturación, pero menos espacio para el cobre en las ranuras.
    • Los dientes más altos → pueden ayudar a la disposición, pero aumentan la longitud del camino para el flujo y pueden perjudicar la rigidez mecánica.
  • Estrategia de revestimiento y aislamiento de ranuras
    • Afecta directamente al factor de llenado del cobre, al recorrido térmico y a los márgenes de descarga parcial a tensiones más altas.

3. Ranuras y dientes del rotor: sutiles pero potentes

La geometría del rotor es igual de influyente, aunque gire demasiado rápido para que puedas mirarlo fijamente.

En motores de inducciónLas ranuras del rotor alojan barras conductoras (formando una "jaula de ardilla") que transportan las corrientes inducidas. En máquinas de imán permanente (PMSM/BLDC)A menudo definen dónde se asientan los imanes o dónde viven los puentes de flujo en un diseño de imán permanente interior (IPM).

Las ranuras y los dientes del rotor afectan:

• Cómo el flujo atraviesa el entrehierro y se propaga en el núcleo del rotor
• Cómo se compensa el par de arranque con la eficiencia (para máquinas de inducción)
• La exposición de los imanes a los campos armónicos y a los impulsos de desmagnetización (para máquinas PM).

Láminas del rotorAl igual que las laminaciones del estator, son de acero eléctrico fino apilado con grados y espesores cuidadosamente elegidos para minimizar la pérdida de núcleo y, al mismo tiempo, sobrevivir a la tensión mecánica a velocidad.

• Importantes palancas de diseño del lado del rotor
  • Número de ranuras frente al número de ranuras del estator
    • Ciertas combinaciones de ranuras estator/rotor provocan "armónicos de ranura" no deseados y ondulaciones o ruidos de par. Las elecciones inteligentes evitan los patrones de resonancia habituales.
  • Forma de la ranura del rotor (profunda, sesgada, semicerrada)
    • Las ranuras profundas y sesgadas de los motores de inducción mejoran el par de arranque y reducen significativamente el ruido y la ondulación del par, a costa de perder algo de eficiencia.
  • Colocación del imán (superficie frente a interior)
    • Imanes montados en superficie: más sencillos, alta densidad de par, pero normalmente mayor cogging y riesgo de tensión mecánica a velocidad.
    • Imanes interiores: mejor conformación del campo, amplia gama de velocidades a potencia constante, contención mecánica a altas RPM, pero geometría lamás compleja.
  • Barreras y puentes de flujo (motores IPM)
    • Los huecos cuidadosamente formados en el núcleo del rotor dirigen el flujo para que el par proceda principalmente de la reluctancia y el par del imán juntos. Pequeños cambios en estas formas pueden suponer grandes diferencias en el rendimiento y el ruido.
  • Margen mecánico a velocidad
    • Los patrones de los orificios, los chaveteros, las cavidades de los imanes y la inclinación reducen la sección transversal efectiva para obtener resistencia, por lo que el diseño del rotor es siempre un equilibrio entre el rendimiento magnético y el margen de velocidad de ruptura.

4. Hierro trasero (yugo): la espina dorsal silenciosa del circuito magnético.

"Plancha trasera" o yugo es el anillo de acero situado detrás de los dientes, lejos del entrehierro. Es la vía de retorno del flujo magnético:

1. El campo sale de un diente del estator, atraviesa el entrehierro y pasa por el rotor,
2. Vuelve a través de la plancha trasera del rotor,
3. Vuelve a cruzar el espacio aéreo en otro diente,
4. Luego fluye a través del contrafuerte del estator/yugo para completar el bucle.

Un buen diseño de plancha de espalda consiste en no estorbar de ese flujo:

• Demasiado fino → la densidad de flujo aumenta, el acero se satura, el par deja de escalar con la corriente y las pérdidas se disparan.
• Demasiado grueso → estás transportando acero y costes adicionales con poca ganancia.

Debido a que el contrapeso del estator a menudo se duplica como un bastidor mecánico y superficie de montaje, su geometría tiene que hacer malabarismos con los requisitos magnéticos, mecánicos y térmicos al mismo tiempo.

• Plancha para la espalda: a qué debe prestar atención
  • Objetivos de densidad de flujo
    • Muchos diseños tienen como objetivo mantener la densidad de flujo del hierro de retroceso en una banda que equilibre la capacidad de par frente a las pérdidas (a menudo en algún lugar en el rango ~1,2-1,7 T dependiendo del grado de acero y la aplicación).
  • Puntos de pellizco" locales bajo dientes muy cargados
    • Las regiones de alto par (por ejemplo, los devanados concentrados) pueden crear una saturación local justo debajo de ciertos dientes, mientras que el resto del yugo está bien. FEA tiende a revelar esto rápidamente.
  • Carcasas divididas y características de montaje
    • Los orificios para pernos, las nervaduras, los recortes para cables y los conductos de refrigeración se comen la sección transversal de la plancha de fondo; deben colocarse de modo que no ahoguen el bucle de flujo principal.
  • Rotor de hierro bajo los imanes
    • En las máquinas PM, la contraplancha del rotor debe ser lo suficientemente gruesa como para que los imanes "vean" una trayectoria de baja reluctancia; si es demasiado fina, los imanes saturan el rotor, desperdiciando potencial magnético y arriesgándose a la desmagnetización en condiciones de fallo.

5. Un ciclo eléctrico: cómo funcionan juntos el estator, el rotor, las ranuras, los dientes y el contrafierro.

Veamos una animación mental muy simplificada de un motor PM trifásico durante un ciclo eléctrico:

Imagínese un diente del estator. A su alrededor, en la ranura de cada lado, hay cobre perteneciente a alguna fase. Cuando esa fase se energiza:

• La corriente fluye por las bobinas, convirtiendo ese diente en un potente electroimán.
• El flujo sale de la cara del diente, atraviesa el entrehierro, entra en un imán o diente del rotor, se propaga hacia el núcleo/contrahierro del rotor y regresa a través de otros dientes y el contrahierro del estator.

Ahora imagina la tres fases disparando en secuencia. El patrón "qué diente está energizado" gira alrededor del estator:

• Para los imanes del rotor, esto parece un campo magnético giratorio.
• El rotor intenta seguir este campo giratorio; en las máquinas PM se bloquea con un pequeño deslizamiento, en las máquinas de inducción lo persigue con cierto deslizamiento.

Los detalles, como la fuerza de torsión, la suavidad de la rotación o la temperatura del núcleo, vienen determinados por el motor:

• Cuánta superficie tiene la cara del diente antes de saturarse
• Cómo la forma de la ranura y la combinación ranura/polo forman armónicos en el campo
• El grosor de la plancha trasera y lo bien que transporta el flujo de retorno.

• Secuencia de acontecimientos a lo largo de un ciclo (simplificada)
  • Los dientes de la fase A están fuertemente excitados → picos de flujo a través de esos dientes y las correspondientes regiones del rotor.
  • A medida que las corrientes giran (A→B→C), los dientes vecinos toman el relevo, y el "punto caliente" de flujo marcha alrededor de la circunferencia del estator.
  • Los imanes del rotor o los conductores de la jaula ven un vector de campo giratorio y desarrollan un par tratando de alinearse con ese vector.
  • En cada instante, algunos dientes y regiones del yugo están cerca de la saturación, otros están ligeramente cargados - el patrón depende en gran medida de las ranuras, los dientes y la geometría del hierro trasero.
  • A lo largo de muchos ciclos, las pérdidas en los dientes y en el hierro dorsal (histéresis, corrientes de Foucault) se convierten en calor; el grosor del laminado y el grado del acero se eligen para minimizarlas sin que dejen de ser fabricables.

6. Cómo se manifiestan estas opciones geométricas en el mundo real

Todo esto puede parecer abstracto hasta que lo relacionas con lo que realmente experimentas con un motor:

• Densidad de parcuánto par se obtiene por unidad de tamaño/peso
• NVH (ruido, vibración, aspereza)lo "quejumbroso" o "dentado" que se siente
• Eficacia y autonomía (para vehículos eléctricos, robótica, baterías)
• Margen térmico y fiabilidad

Los fabricantes ajustan silenciosamente las ranuras, los dientes y la contraplancha para dar con sus compensaciones preferidas.

Por ejemplo:

• Más dientes, más estrechos (mayor número de ranuras) con una buena combinación de ranura y polo puede dramáticamente reducir el par de arrastre y el ruido acústico.
• El uso de acero laminado de mayor calidad y de láminas más finas puede reducir los costes. pérdidas en el núcleo, especialmente a alta frecuencia (alta velocidad eléctrica), mejorando la eficiencia.
• La geometría de las ranuras del rotor o la colocación de los imanes, cuidadosamente optimizadas, pueden dar lugar a un rotor más plano. eficacia frente a velocidad curva o región de potencia constante más utilizable.

• Si quieres... entonces tu geometría central debería inclinarse hacia...
  • Funcionamiento silencioso (por ejemplo, electrodomésticos de alta gama, bicicletas eléctricas)
    • Mayor número de ranuras en el estator con combinaciones fraccionarias de ranuras y polos que minimizan el cogging.
    • Ranuras del rotor o imanes inclinados para eliminar los armónicos de ondulación del par.
  • Par brutal a baja velocidad (por ejemplo, motores industriales, vehículos eléctricos todoterreno)
    • Generosas secciones transversales de diente y contrahierro para evitar la saturación a altas corrientes.
    • Geometría del imán o de la barra del rotor optimizada para mantener un par elevado sin sobrecalentamiento.
  • Velocidad ultraelevada (por ejemplo, husillos, turbocompresores)
    • Rotor con masa cuidadosamente controlada y fuerte contención (IPM o imanes enterrados; pequeños "agujeros" en el hierro trasero del rotor).
    • Las ranuras del estator están diseñadas para mantener las pérdidas y la tensión controlables a alta frecuencia eléctrica.
  • Bajo coste y fácil fabricación
    • Número moderado de ranuras, formas de ranura sencillas, grados de laminación buenos pero no exóticos.
    • Estator y rotor diseñados para estampación con un mínimo de desechos y fácil apilamiento.

7. Preguntas para hacer a un proveedor de motores (que le muestren realmente comprender los núcleos)

No hace falta ser la persona encargada del análisis de elementos finitos para parecer muy competente en una revisión de diseño. Unas cuantas preguntas bien dirigidas sobre el estator, el rotor, las ranuras y el contrafuerte indicarán inmediatamente que estás pensando más allá de "kW y RPM".

• Preguntas prácticas centradas en la geometría
  • "¿Qué combinación ranura/polo y cómo lo ha elegido en relación con el par de torsión y los armónicos".
  • "¿Qué grado de laminación y grosor para el estator y el rotor, y cómo afecta eso a las pérdidas en el núcleo a nuestra velocidad de funcionamiento".
  • "¿Cuáles son sus objetivos? densidades de flujo en los dientes del estator y el hierro trasero con el par nominal? ¿Dónde está más cerca de la saturación?".
  • "¿Es el rotor inclinado? En caso afirmativo, ¿en cuántos pasos de ranura y qué compensación se ha hecho entre par y NVH?".
  • "¿Cómo te las arreglas trayectorias térmicas de los dientes y el hierro posterior en la carcasa: ¿se conocen puntos calientes en el núcleo bajo carga máxima?".
  • "¿Qué tipo de Validación FEA has hecho para la saturación local en el yugo cerca de las características de montaje o canales de refrigeración?"
  • "Si le pidiéramos +10% de par máximo, ¿dónde se encontraría primero el cuello de botella de su diseño: dientes, ranuras, contraplancha o rotor?".

8. Para terminar

Si desmenuzas un motor eléctrico hasta su esencia, obtienes:

• Dos anillos de acero laminado
• Un patrón de ranuras y dientes que guía el cobre y el fundente
• A plancha trasera estructura que cierra silenciosamente el bucle magnético

Pero es en la disposición de esos anillos y dientes donde reside realmente la magia y la ventaja competitiva.

• Estator: da forma al campo giratorio y transporta la mayor parte del cobre.
• Rotor: convierte ese campo en trabajo mecánico y sujeta imanes o barras.
• Ranuras y dientes: deciden la limpieza del par y el nivel de ruido del motor.
• Plancha trasera: decide la comodidad con la que fluye el flujo y lo cerca que se está del borde de la saturación.