Mi inmersión profunda: Pérdidas por histéresis en el núcleo de los motores de inducción - SMC frente a laminado de acero

Un gran consumidor de energía que descubro con frecuencia es la pérdida de núcleo. Un componente importante es la pérdida por histéresis. Realmente puede perjudicar el funcionamiento de un motor de inducción. Esta pérdida transforma la energía eléctrica útil en calor desechado.

En este mensaje, quiero compartir lo que he descubierto sobre esta difícil pérdida por histéresis. Veremos los métodos más antiguos y fiables para eliminarla, como el uso de laminado de acero en el núcleo del motor. Después exploraremos ideas más recientes, como los materiales compuestos magnéticos blandos (SMC). ¿Está clara la elección entre SMC y laminado de acero? Averiguará cuál puede ser mucho mejor para el diseño de su motor. Y lo que es más importante, verá por qué esto es importante para ahorrar energía y estructurar equipos eléctricos mucho mejores. Este breve artículo merece su tiempo si desea comprender realmente la eficacia de los motores y los materiales que la hacen posible.

¿Qué es la pérdida por histéresis en un motor de inducción?

Considérelo similar a esto. El material magnético dentro de un motor de inducción necesita cambiar su dirección magnética muy rápidamente. Esto ocurre muchas veces, a menudo en un segundo. Esta rápida conmutación hace que el estator y el rotor trabajen juntos para hacer girar el motor. Sin embargo, esta conmutación no es completamente suave ni muy fácil para el material magnético. El material resiste un poco este ajuste. Esta resistencia, esta "fricción magnética", crea calor. Ese calor es energía desperdiciada. Llamamos pérdida de histéresis a este desperdicio específico de energía. Es una parte vital de lo que llamamos pérdida de hierro en cualquier tipo de máquina eléctrica.

Un factor importante era la pérdida de histéresis. El material magnético del núcleo del estator no podía mantenerse al día con los rápidos cambios magnéticos sin luchar. Esta lucha, este retraso en reaccionar, es la "histéresis". Se produce en el componente magnético del motor. Cuanto más cambie la densidad de flujo magnético de un lado a otro, más pérdidas por histéresis se producirán. Fabricar buenos motores eléctricos implica descubrir medios para reducir esta pérdida.

¿Y la pérdida total del núcleo? ¿Es importante para un motor?

Sí, la pérdida en el núcleo es un gran negocio para cualquier tipo de motor. La pérdida por histéresis es uno de sus componentes, como acabamos de decir. El otro gran componente es la pérdida por corrientes parásitas. Cuando se juntan estas dos pérdidas - histéresis y corrientes de Foucault - se obtiene la pérdida total del núcleo. También se le puede llamar pérdida de hierro. Esta pérdida se produce en los componentes de hierro del motor, como el núcleo del estator y a veces el rotor. Convierte una excelente potencia eléctrica en un trabajo de rotación caliente y poco útil. Por tanto, un motor con grandes pérdidas en el núcleo no es un motor fiable.

En algunos, la pérdida de núcleo puede consumir una gran parte del pastel energético. Esto significa que acabará pagando mucho más por electricidad para realizar la misma tarea. El motor también se calienta más debido a esta energía desperdiciada. Un motor más caliente puede tener una vida mucho más corta. O puede indicar que necesita sistemas de refrigeración más grandes y caros. Por lo tanto, la búsqueda de métodos para disminuir la pérdida de núcleo es increíblemente esencial para cualquier persona que hace o haciendo uso de una máquina eléctrica. Esto es específicamente real cuando usted va para la alta eficiencia en sus objetivos de eficacia del motor.

¿Por qué utilizamos la laminación en los motores?

Utilizamos el laminado en un motor principalmente para combatir ese componente de la pérdida en el núcleo: la pérdida por corrientes parásitas. Imagínese que el estator de un motor estuviera hecho de un trozo de hierro macizo. Cuando el campo electromagnético dentro del motor se ajusta (lo que hace constantemente cuando está en marcha), crea corrientes de Foucault dentro de ese hierro macizo. Estas son las corrientes de Foucault. Piense en ellas como pequeños remolinos de energía eléctrica. No realizan ningún trabajo beneficioso. Simplemente dan vueltas dentro de la plancha, generando calor. El laminado es una técnica creativa para detenerlas.

Un laminado no es más que una lámina extremadamente fina de acero eléctrico. Para fabricar el núcleo de un estator, se apilan muchas de estas finas láminas. Y lo que es más importante, hay una pequeña capa de aislamiento entre cada lámina. Este aislamiento separa los cursos de esas grandes e ineficientes corrientes de Foucault. Así, en lugar de grandes remolinos de presente que crean muchas pérdidas por corrientes de Foucault, se obtienen unas mucho, mucho más pequeñas. Estos pequeños causan mucha menos dificultad y mucho menos calor por corrientes parásitas. Esta es una forma muy común de construir el estator en numerosos motores eléctricos. El estilo de la laminación en sí es clave para exactamente lo bien que esto funciona.

¿Cómo ayuda el laminado de acero convencional a reducir las pérdidas en el núcleo de un motor de inducción?

Convencional laminado de acero es bastante bueno para reducir las pérdidas por corrientes parásitas en un motor de inducción. Al utilizar finas láminas de acero eléctrico especial, dificultamos enormemente el paso de esas grandes corrientes parásitas. Esto supone una gran ventaja para reducir uno de los componentes de las pérdidas del núcleo. En cuanto a la pérdida por histéresis, el tipo de acero eléctrico utilizado para la laminación es realmente importante. Algunos aceros se fabrican para que sus diminutos dominios magnéticos puedan cambiar de dirección con mayor rapidez. Esto implica mucha menos resistencia y, por tanto, mucha menos pérdida por histéresis.

Sin embargo, el laminado no es la solución perfecta para todas las pérdidas del núcleo. Sigue habiendo cierta pérdida por histéresis en el propio acero eléctrico, independientemente de lo bueno que sea. Y, si las laminaciones no están completamente protegidas unas de otras, o si se daña el ensamblaje coaxial, las corrientes parásitas aún pueden encontrar vías por las que fluir y causar problemas. Asimismo, un gran aspecto de la laminación es que hace que el flujo magnético (la potencia magnética) desee viajar principalmente a lo largo del plano de nivel de las láminas de laminación. Esto puede restringir algunos diseños de motores, especialmente si se necesitan trayectorias de flujo magnético complejas que vayan en todas direcciones. Estos núcleos de acero laminado prevalecen en varios dispositivosRIM hoy.

¿Qué son los compuestos magnéticos blandos (SMC)? ¿Un nuevo actor en los productos del motor?

Hablemos ahora de los compuestos magnéticos blandos (SMC). Se trata de un nuevo tipo de material magnético para motores. Son bastante diferentes de las láminas de acero laminado convencionales que acabamos de ver. Imaginemos que los materiales SMC están formados por millones de diminutas partículas de hierro. Cada una de estas diminutas partículas de hierro está recubierta por una capa superfina de aislamiento eléctrico. Después de eso, todas estas capas se presionan entre sí muy, muy fuertemente. Se introducen en un molde y se enmohecen para crear una forma resistente, como el núcleo de un estator para un motor. Este proceso ayuda a conseguir una buena densidad.

La gente estaba encantada con las posibilidades. Como cada pequeño bit está protegido de sus vecinos, los SMC son fantásticos para detener las corrientes parásitas. La pérdida por corrientes parásitas puede ser realmente baja en un núcleo SMC, especialmente cuando el motor funciona a altas velocidades o frecuencias. Esto abre nuevas puertas a la configuración de los motores, especialmente en el caso de los motores avanzados, que deben funcionar de forma diferente a los antiguos. Estos materiales compuestos utilizan medios totalmente nuevos para pensar en cómo se fabrica un componente magnético de una máquina eléctrica. La aplicación de los SMC es cada vez mayor.

¿Cómo abordan los productos SMC la pérdida por histéresis de forma diferente en un motor de inducción?

Los materiales SMC gestionan la pérdida de histéresis en un motor de inducción de varias maneras, y es un poco diferente. Las partículas de hierro utilizadas para fabricar el compuesto magnético blando (SMC) se eligen para que sean "blandas" magnéticamente. Esto indica que su dirección magnética interior puede girar hacia adelante y hacia atrás con mucha más facilidad. Cuando es mucho más fácil de voltear, se obtiene la reducción de la pérdida de histéresis. Esa es la parte excelente. Sin embargo, el proceso de fabricación de los SMC implica empujar estas partículas con mucha presión. Este empuje a menudo puede añadir un poco de estrés y ansiedad a las diminutas partículas. Lamentablemente, este estrés puede aumentar un poco la pérdida de histéresis.

Por lo tanto, en lo que respecta a la pérdida por histéresis, a menudo se trata de un compromiso con los materiales SMC. Las reducidas dimensiones de los trozos y el aislamiento son excelentes para reducir la pérdida total de hierro, especialmente el componente de pérdida por corrientes parásitas. Sin embargo, la densidad de un núcleo de SMC suele ser algo menor que la de un núcleo fabricado con fuertes laminaciones de acero eléctrico. Esta menor densidad puede sugerir que el rendimiento magnético no es tan fuerte. Es posible que se necesite un poco más de material SMC para transportar la misma cantidad de potencia magnética. Esto puede afectar indirectamente a la imagen de pérdida de histéresis. Un diseño óptimo para el motor tiene que estabilizar estos factores. Los diseñadores suelen utilizar herramientas informáticas como el análisis de elementos finitos (FEA) para investigar este aspecto y optimizar la elección del material magnético.

SMC vs. Laminación de acero: ¿Cuál es la verdadera comparación para los motores de inducción?

Cuando hacemos un contraste directo entre SMC y laminado de acero para motores de inducción, las cosas se ponen muy fascinantes. En el caso de numerosos motores de inducción básicos que funcionan a frecuencias bastante bajas (como las 50 ó 60 veces por segundo de la toma de corriente de la pared), el viejo laminado de acero eléctrico suele salir ganando cuando nos limitamos a comprobar la pérdida por histéresis. El acero eléctrico especial utilizado en la laminación es extremadamente refinado y procesado para tener una pérdida de histéresis muy baja a estas velocidades. Los SMC, por su parte, tienen tendencia a revelar sus mayores ventajas cuando las regularidades de funcionamiento son mayores. Esto se debe a que su superpotencia es reducir considerablemente la pérdida por corrientes parásitas, que se convierte en un problema importante a altas velocidades.

Por tanto, la mejor opción en esta comparación depende realmente del motor de inducción concreto y de cómo se utilice. En varios tipos típicos de motores eléctricos de inducción, los campos magnéticos en el estator cambian a lo que llamamos frecuencia de línea. A estas velocidades bastante reducidas, la parte de pérdida por histéresis de la pérdida total del núcleo puede ser mucho más considerable que la pérdida por corrientes de Foucault, especialmente si el núcleo de acero laminado está bien fabricado. En estos casos, el material compuesto magnético blando podría realmente mostrar una pérdida por histéresis un poco mayor. Pero también para algunos diseños especiales de motores de inducción, o para motores eléctricos que necesitan girar muy, muy rápido, los SMC podrían ser los vencedores. A menudo, un documento técnico ofrece una evaluación comparativa exhaustiva para determinados fabricantes.

¿Puede el SMC reducir las pérdidas en el núcleo más que el acero laminado en un motor?

Esta es la gran pregunta que todo el mundo se hace: ¿puede el material SMC minimizar las pérdidas totales del núcleo más que el acero laminado en un motor? La verdadera solución es: "depende". El material compuesto magnético blando (SMC) es sin duda excelente para reducir las pérdidas por corrientes parásitas. Si el diseño de su motor es uno en el que la pérdida por corrientes parásitas es la principal causa de problemas, el uso de un núcleo de SMC puede reducir mucho la pérdida total del núcleo. Esto ocurre con frecuencia en motores eléctricos de alta velocidad o en motores eléctricos con trayectorias de flujo magnético tridimensionales (3D) muy complejas. Se trata de recorridos en los que resulta difícil e incluso complicado hacer uso de las láminas de laminación de nivel típico de forma eficiente.

No obstante, si la pérdida por histéresis es el mayor componente de su problema de pérdida en el núcleo (lo que puede ocurrir en motores de baja velocidad), entonces el laminado de acero eléctrico de última generación podría seguir siendo la mejor opción para reducir las pérdidas de hierro. Otra cosa a tener en cuenta es que la densidad del SMC es normalmente menor que la del laminado de acero fuerte. Esto puede significar que su rendimiento magnético (la cantidad de potencia magnética que puede manejar para su dimensión) es un poco reducido, a menos que el motor esté cuidadosamente desarrollado para ello. Por lo tanto, normalmente no se puede cambiar un núcleo de estator de acero laminado por un núcleo SMC y esperar magia. Es necesario maximizar todo el diseño del motor, incluidos el estator y el rotor, para el material magnético seleccionado. A continuación, es fundamental utilizar los resultados de simulación del análisis de elementos finitos (FEA).

¿Hay inconvenientes en utilizar SMC en el núcleo de un motor de inducción?

Sí, como ocurre con cualquier tipo de producto, hay algunos aspectos que debe tener en cuenta si está pensando en utilizar un compuesto magnético blando (SMC) en el núcleo de un motor de inducción. Un factor crucial es que los productos de SMC suelen tener un valor de saturación reducido para la densidad de flujo magnético en comparación con el acero eléctrico de alta calidad. Esto implica que no puede transportar tanta "potencia" magnética en la misma cantidad de espacio antes de "completarse". Si no tiene esto en cuenta en su diseño y optimización, puede indicar que el motor debe ser un poco más grande o que no sea tan potente. La resistencia mecánica de los SMC también puede ser inferior a la del acero resistente, lo que puede ser importante en algunas aplicaciones de motores.

Otro aspecto a tener en cuenta es el coste y la forma de fabricar las piezas. Aunque los SMC permiten formas tridimensionales muy modernas y complejas para el núcleo del estator, lo que puede ser una gran ventaja para determinadas topologías de motor, como las máquinas de imanes permanentes de flujo axial (AFPM) o los diseños que buscan minimizar la ondulación del par, el propio producto SMC y el procedimiento de fabricación del núcleo SMC pueden ser mucho más caros para algunos tipos de motores eléctricos o cantidades de fabricación. La menor densidad también significa que se puede necesitar un poco más de material SMC en peso o volumen para realizar la misma tarea magnética que con mucho menos hierro en un estator de acero. Es necesario pensar en todo el proceso de diseño y fabricación. La fiabilidad de estos nuevos materiales y estrategias de fabricación es también un tema de estudio continuo para la eficacia de los SMC.

Entonces, ¿cuándo debería considerar el SMC para mi diseño de motor?

En primer lugar, si se trata de fabricar motores eléctricos de alta eficiencia y alta velocidad, los SMC son un rival muy fuerte. Su capacidad para mantener increíblemente reducidas las pérdidas por corrientes de Foucault a altas frecuencias supone una enorme ventaja. Esto ayuda a aumentar el rendimiento del motor. En segundo lugar, si el tipo de motor requiere trayectorias de flujo magnético tridimensionales exigentes -formas que son realmente difíciles o engorrosas de fabricar con laminado de acero plano-, la aplicación de SMC es una idea estupenda. Este suele ser el caso en algunos tipos de máquinas de imanes permanentes de flujo axial (AFPM), diseños de máquinas de imanes permanentes de conmutación de flujo (FSPM) o conceptos especializados como los motores sin yugo y de ranura fraccional. Los motores SMC permiten estas opciones de topología únicas.

Además, si está descubriendo la fabricación innovadora como la producción aditiva para su componente magnético, los materiales compuestos similares a los SMC podrían ser un componente importante de ese futuro. En el caso de los diseños de motores síncronos de imanes permanentes, o incluso de motores de corriente continua sin escobillas de imanes permanentes, en los que se desea maximizar aspectos como un par de arrastre extremadamente bajo o un par de salida suave (ondulación de par reducida), los SMC ofrecen a los ingenieros una nueva libertad de diseño para el estator. Utilice siempre potentes dispositivos informáticos, como el análisis de elementos finitos (FEA), para realizar una evaluación relativa basada en determinados parámetros de diseño. Piense en el rendimiento total del dispositivo, el análisis térmico DUC, el factor de potencia y su influencia en la eficacia del motor. Se trata de encontrar la opción óptima para diferentes aplicaciones, posiblemente también para un camión eléctrico donde la alta densidad de par y la fiabilidad son vitales. Esta investigación pretende ayudar a tomar esa decisión. Los resultados demuestran que un diseño cuidadoso y la optimización son cruciales.