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Una inmersión profunda en la barra del rotor de jaula de ardilla: El corazón de su motor

En el interior de la mayoría de los motores eléctricos hay una pieza sencilla pero muy inteligente. Se llama rotor de jaula de ardilla. Se parece un poco a una rueda de hámster, pero es la razón por la que el motor gira. En este artículo veremos la barra del rotor, la pieza clave de este rompecabezas. Explicaré en palabras sencillas cómo funciona este rotor de jaula de ardilla. Aprenderá por qué es tan importante y cómo su diseño cambia el rendimiento del motor. Si quieres entender qué hace que tu motor funcione, este artículo es para ti.

¿Qué es exactamente un rotor de jaula de ardilla?

Dentro, hay una parte que parece una jaula para un animal pequeño. De ahí le viene el nombre. Esta pieza es el rotor. Un rotor de jaula de ardilla es un cilindro de láminas de acero. A laminación es una fina lámina de acero. Muchas láminas se apilan para formar el núcleo del rotor. Este diseño ayuda a reducir las pérdidas de energía. A través de este núcleo corren muchas barras, llamadas barras del rotor. Estas barras están unidas en cada extremo por un anillo. Las barras y los anillos juntos parecen una jaula de ardilla. Esta simple jaula es la que hace girar todo el motor.

Todo el conjunto de barras del rotor y anillos terminales es muy resistente. Se trata de un diseño muy robusto. Las barras no están aisladas del núcleo de hierro. Esto se debe a que la corriente seguirá naturalmente la trayectoria de las barras. Las barras tienen mejor conductividad. Toda esta parte, el rotor de jaula de ardilla, es una pieza clave de muchos motores eléctricos. No hay ninguna conexión eléctrica a este rotor desde el exterior. Eso es lo que hace que el motor de jaula de ardilla sea tan fiable. El diseño básico de este rotor es pura genialidad.

¿Cómo arranca un motor de inducción de jaula de ardilla?

Entonces, ¿cómo empieza a girar este motor? Se trata de un truco genial con imanes. La parte exterior del motor se llama estator. Cuando se aplica corriente al estator, circula una corriente alterna por su bobinado. Esta corriente en el bobinado del estator crea un campo magnético giratorio. Piense que es como un imán que gira muy rápido. Este campo magnético es la clave. En cierto modo, el motor funciona como un transformador.

Este campo magnético giratorio del estator corta las barras del rotor de jaula de ardilla. Recuerde que el rotor aún no está en movimiento. Cuando un campo magnético pasa por una barra metálica, hace que la electricidad fluya por la barra. Decimos que induce una corriente. Por lo tanto, se crea una tensión y una corriente en cada barra del rotor. Como las barras del rotor están conectadas por el anillo final en cada extremo, la corriente puede fluir en una trayectoria cerrada, o un circuito del rotor. Este es un paso muy importante para el motor de inducción. La magia se produce cuando se aplica energía al estator.

Rotor de jaula de ardilla de un motor

¿Por qué es tan importante la barra del rotor para el motor?

La barra del rotor es el verdadero héroe dentro de un motor de jaula de ardilla. Cada barra del rotor actúa como un conductor. Cuando el campo magnético del estator pasa por el rotor, crea, o induce, una corriente en la barra del rotor. Ahora tenemos una barra por la que circula corriente, situada dentro de otro campo magnético. De ahí proviene la fuerza. La interacción entre el campo magnético y la corriente en la barra del rotor crea una fuerza que empuja la barra.

Este empuje sobre cada una de las barras del rotor se suma. Este empuje combinado crea una fuerza de torsión, que llamamos par. Es este par el que hace que el rotor empiece a girar. Sin la barra del rotor, no fluiría corriente en el rotor y no se produciría par. El motor se quedaría ahí zumbando. Como ves, la humilde barra del rotor es la pieza que convierte la energía eléctrica en movimiento para el motor. El diseño de la barra del rotor ayuda a decidir cuánto par de arranque tendrá el motor. Un buen diseño de jaula de ardilla es vital para un buen motor.

¿De qué están hechas estas barras del rotor? ¿Cobre o aluminio?

Las barras de los rotores se fabrican con distintos materiales. Los más comunes son de aluminio o cobre. La elección del material es muy importante para el rendimiento del motor. El aluminio o el cobre se utilizan porque son buenos conductores de la electricidad. Esta propiedad se denomina conductividad. El cobre tiene mejor conductividad que el aluminio. Esto significa que un motor con barras de cobre suele ser más eficiente. Desperdicia menos energía en forma de calor.

Sin embargo, el aluminio es más barato y ligero. Muchos motores utilizan aluminio fundido a presión. En este proceso, el aluminio fundido se introduce a presión en las ranuras del rotor lamination stack para formar las barras del rotor y los anillos extremos de una sola vez. Esto hace que la jaula de ardilla sea resistente y no muy cara. Los motores de alta eficiencia, establecidos por normas como NEMA e IEC, suelen utilizar cobre para la construcción de las barras del rotor. Un motor con rotor de jaula de ardilla de cobre puede tener menores pérdidas de energía. Por tanto, la elección del material de la barra del rotor es un equilibrio entre el coste y la eficiencia del motor. Algunos motores especiales pueden incluso utilizar una aleación de latón.

¿Cómo crean par las barras del rotor?

Hablemos más sobre el par motor. El par producido por el motor es lo que hace el trabajo. Se induce una corriente en las barras del rotor. Se denomina corriente inducida. Esta corriente crea sus propios pequeños campos magnéticos alrededor de cada barra del rotor. Estos pequeños campos magnéticos empujan contra el gran campo magnético giratorio del estator. Este empuje y tracción es lo que crea el par que hace girar el eje. Es como si dos imanes se empujaran mutuamente.

La cantidad de par depende de varias cosas. Depende de la intensidad del campo del estator. También depende de la cantidad de corriente en el rotor. El objetivo de un buen diseño de motor es tener un par elevado. El perfil de las barras del rotor se puede moldear para cambiar las características de velocidad-par. Por ejemplo, algunos diseños utilizan una barra de rotor profunda y estrecha. Esto ayuda a aumentar el par de arranque del motor. Esto es útil para motores que necesitan arrancar con una carga pesada. El par es lo que hace que el motor pase de cero a plena velocidad.

¿Qué es el "deslizamiento" en un motor de jaula de ardilla?

Suena extraño, pero es muy importante para un motor de inducción de jaula de ardilla. ¿Recuerdas el campo magnético giratorio del estator? Gira a una velocidad fija. La llamamos velocidad síncrona. Para que el rotor tenga una corriente inducida, debe girar más lento que el campo magnético. Si el rotor girara a la misma velocidad, las barras del rotor estarían paradas con respecto al campo. No se induciría corriente y no habría par.

Esta diferencia de velocidad entre el campo del estator y el rotor se denomina deslizamiento. El deslizamiento es lo que permite que el motor funcione. Cuando el motor no tiene carga, el deslizamiento es muy pequeño. El rotor gira a una velocidad muy próxima a la velocidad síncrona. Cuando se pone una carga completa en el motor, el rotor se ralentiza un poco. Esto aumenta el deslizamiento. Un deslizamiento mayor significa que el campo magnético corta las barras del rotor más rápidamente. Esto inducirá una corriente mayor, que crea más par para manejar la carga. Por tanto, el deslizamiento es necesario. La frecuencia de deslizamiento está relacionada con el par producido.

¿Por qué están torcidas las barras de un rotor de jaula de ardilla?

¿Ha observado alguna vez de cerca un rotor de jaula de ardilla? Observará que las ranuras de la barra del rotor no son paralelas al eje del rotor. Están ligeramente inclinadas. Esto se llama inclinación. Hay buenas razones para ello. En primer lugar, la inclinación ayuda a que el motor funcione de forma más suave y silenciosa. Ayuda a reducir el ruido producido por el motor. También evita el llamado bloqueo magnético, en el que los dientes del rotor y del estator pueden alinearse e impedir que el motor arranque.

Otra razón importante para la inclinación es mejorar el rendimiento del motor. La inclinación de la barra del rotor ayuda a producir un par más uniforme a medida que el rotor gira. Esto hace que el funcionamiento del motor sea más suave. La inclinación también ayuda a reducir ciertos efectos eléctricos no deseados. La longitud de la barra del rotor aumenta ligeramente con la inclinación, lo que modifica su resistencia. El grado de inclinación es una cuidadosa elección de diseño. Se basa en el número de ranuras del estator y el número de barras del rotor para obtener el mejor rendimiento del motor.

¿Puede afectar al motor la rotura de una barra del rotor?

Sí, una barra de rotor rota puede causar grandes problemas a un motor. La jaula de ardilla es un circuito cerrado. Si una barra del rotor se agrieta o se rompe, el circuito queda abierto. Esto es malo para el equilibrio del rotor. Una barra del rotor rota significa que puede fluir menos corriente, lo que se traduce en menos par. El motor perderá potencia. Es posible que oiga un ruido extraño o que el motor vibre más de lo normal. Esto puede causar una tensión adicional en los rodamientos y en todo el motor.

Una barra del rotor rota también puede hacer que el motor se sobrecaliente. La corriente que habría pasado por la barra rota ahora tiene que pasar por las otras barras. Esto puede sobrecargarlas. Se trata de un fallo común en los motores de inducción de jaula de ardilla. Puede deberse a que el motor arranca y se para con demasiada frecuencia, o a un problema durante la fabricación. Si cree que tiene una barra del rotor rota, es importante que haga revisar el motor. La desalineación del estator y el rotor también puede causar problemas. La salud de cada barra del rotor es importante para la salud de todo el motor.

¿Cómo cambia el diseño del rotor de la jaula el rendimiento del motor?

El diseño de la jaula del rotor influye enormemente en el funcionamiento de un motor. Los ingenieros pueden cambiar muchas cosas de la jaula de ardilla para obtener el rendimiento que desean. Por ejemplo, la forma de la barra del rotor es muy importante. Una barra profunda tiene propiedades diferentes a las de una barra redonda. Las barras profundas pueden utilizarse para maximizar el par a baja velocidad. Esto se debe a algo llamado efecto piel. Al principio, la corriente fluye cerca de la parte superior de la barra. A medida que el motor acelera, la corriente utiliza toda la barra. Este diseño proporciona un buen par de arranque, pero también un buen rendimiento en funcionamiento.

El material de la barra del rotor también importa. Utilizar cobre en lugar de aluminio cambia la resistividad del bobinado del rotor. Una menor resistencia suele significar un motor más eficiente, pero puede reducir el par de arranque. El número de barras del rotor y su ángulo de inclinación también son opciones de diseño importantes. Todos estos factores afectan a las características de velocidad-par, la intensidad de arranque, el factor de potencia y el rendimiento global del motor de inducción de jaula de ardilla. El diseño de un rotor de jaula de apariencia sencilla es en realidad muy complejo.

Motor industrial que acciona una bomba

¿Es diferente un motor de jaula de ardilla de otros motores?

Sí, el motor de inducción de jaula de ardilla es un tipo de motor, pero hay otros. Una alternativa común es el motor de rotor bobinado. La mayor diferencia está en el rotor. Como sabemos, el rotor de jaula de ardilla tiene barras conductoras que se cortocircuitan en los extremos mediante anillos de cortocircuito. El bobinado del rotor es fijo. No se puede cambiar. Esto hace que el diseño de inducción de jaula de ardilla sea muy sencillo y fiable.

Un motor de rotor bobinado tiene un rotor más complejo. En lugar de barras, tiene un bobinado trifásico completo, muy parecido al bobinado del estator. Los extremos de este devanado del rotor se llevan a anillos rozantes en el eje. Esto permite conectar resistencias externas al circuito del rotor. Cambiando la resistencia, se pueden controlar las características de velocidad-par del motor. Esto proporciona más control, especialmente para el arranque. Sin embargo, el motor es más caro y menos robusto que un motor de jaula de ardilla. Para la mayoría de los trabajos, el motor de jaula de ardilla, sencillo y resistente, es la mejor opción.

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Charlie
Charlie

Cheney es un ingeniero de aplicaciones sénior de Sino con una gran pasión por la fabricación de precisión. Es Ingeniero Mecánico y posee una amplia experiencia práctica en fabricación. En Sino, Cheney se centra en optimizar los procesos de fabricación de pilas de laminación y en aplicar técnicas innovadoras para conseguir productos de pilas de laminación de alta calidad.

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