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.
Las máquinas eléctricas pueden parecer misteriosas hasta que conoces a los dos protagonistas de la historia: el estator, que se queda quieto, y el rotor, que corre para seguirle. Piense en ellos como parejas de baile: uno marca el ritmo, el otro se acopla y se mueve. Este artículo es un recorrido sencillo pero técnicamente riguroso sobre cómo esa danza crea par en las principales familias de motores y cómo diseñarlos, seleccionarlos, refrigerarlos, diagnosticarlos y cuidarlos para que funcionen silenciosamente y duren años.
El estator es el "escenario" magnético estacionario que lleva bobinados o imanes. El rotor es la "bailarina" giratoria que desarrolla el par al interactuar con el campo del estator y suministra potencia mecánica a través del eje. En la mayoría de las máquinas de CA, el estator crea un campo magnético giratorio; el rotor lo persigue con una pequeña diferencia de velocidad (inducción) o se fija a él (síncrono).
Todos los motores aprovechan dos pilares: los campos magnéticos cambiantes inducen corrientes (Faraday), y las corrientes en campos magnéticos sienten fuerza (Lorentz). Disponga los bobinados de modo que el campo del estator gire; disponga las vías conductoras en el rotor de modo que las corrientes inducidas o alimentadas interactúen con ese campo. El producto cruzado del campo y la corriente produce una fuerza tangencial que, sumada alrededor del entrehierro, da lugar al par.
Los devanados trifásicos del estator crean un campo magnético giratorio cuya velocidad mecánica en vacío es la velocidad síncrona Ns = 120-f/P (rpm), donde f es la frecuencia de línea (Hz) y P es el número de polos. Esta única relación establece el límite máximo de velocidad de las máquinas de CA.
En un motor de inducción de jaula de ardilla, el campo giratorio del estator barre las barras del rotor, induciendo corrientes que crean su propio campo; la interacción desarrolla el par. El rotor debe retrasarse ligeramente; esta diferencia con respecto a Ns se denomina "deslizamiento" y, a carga nominal, la mayoría de los motores industriales funcionan con un deslizamiento aproximado de 1-5%. La construcción es robusta: un estator de hierro laminado con bobinados de cobre y un rotor laminado con conductores de fundición a presión o de barra y anillo (aluminio o cobre).
En este caso, el rotor lleva su propio campo magnético constante (campo bobinado de CC mediante anillos rozantes o imanes permanentes). No "persigue" la onda del estator, sino que se fija a ella. Como el campo del rotor es constante, el motor puede funcionar con un factor de potencia unitario o incluso superior recortando la corriente de campo, algo muy apreciado en las grandes plantas industriales. Nota: un motor síncrono no es autoarrancable; se utilizan bobinados de amortiguación o un variador de frecuencia para acelerarlo hasta una velocidad casi síncrona antes del arranque.
Un campo estacionario de bobinas de estator o imanes permanentes atraviesa el entrehierro; los devanados del rotor (inducido) se conectan a través de un conmutador que conmuta mecánicamente la corriente para mantener el par unidireccional. Elegante, alto par de arranque, amplio control de velocidad, a costa del desgaste de las escobillas y el mantenimiento.
Tanto el núcleo del estator como el del rotor son pilas de núcleos aislados. laminados de acero eléctrico. El laminado rompe los bucles de corriente de Foucault en el hierro y reduce drásticamente el calentamiento y las pérdidas. Los laminados industriales típicos rondan los 0,5 mm, y los más finos, como los de 0,35 mm o 0,27 mm, reducen aún más las pérdidas de hierro a frecuencias eléctricas más altas.
Los diseñadores inclinan las barras de la jaula una fracción del paso de una ranura para que una barra del rotor nunca esté perfectamente alineada con una única ranura del estator. La recompensa: menor cogging, par más suave y menor ruido acústico, especialmente a baja velocidad. Es una forma clásica y económica de suavizar el par sin electrónica.
La mayoría de los motores industriales de uso general están totalmente cerrados y refrigerados por ventilador (TEFC): el aire exterior nunca pasa por los devanados; un ventilador montado en el eje sopla a través del bastidor aleteado para disipar el calor. Para trabajos más duros, se utilizan intercambiadores de calor aire-aire o agua-aire, además de sistemas de aislamiento de clase F o H para soportar el aumento de temperatura.
Al cambiar la jaula de aluminio por una de cobre fundido a presión, aumenta la conductividad del rotor, se reducen las pérdidas I²R y aumenta la eficiencia; los ensayos de laboratorio y de campo indican una reducción de las pérdidas del motor de ~15-23% y un aumento de la eficiencia de 1,2-1,7 puntos porcentuales, dependiendo del diseño. En algunos diseños, esto permite un bastidor más pequeño con el mismo rendimiento. 6
En todas las flotas, aproximadamente la mitad de los fallos de los motores se deben a los rodamientos, normalmente a la lubricación, la contaminación, la desalineación o las corrientes parásitas en los ejes con variadores de frecuencia. La mitigación abarca prácticas adecuadas de engrase, puesta a tierra del eje, rodamientos aislados y alineación limpia. La supervisión del estado (vibración, temperatura y análisis de la firma de la corriente del motor) detecta los problemas en una fase temprana.
| Tipo de máquina | Fuente de campo del estator | Campo del rotor/fuente de corriente | Comportamiento inicial | Velocidad frente a Ns | Victorias típicas |
|---|---|---|---|---|---|
| Inducción (jaula de ardilla) | Devanados trifásicos de corriente alterna → campo giratorio. | Inducido en las barras del rotor (jaula Al/Cu) | Autoarranque | Nr < Ns (deslizamiento 1-5% típico en carga) | Resistente, de bajo mantenimiento y rentable |
| Sincrónico (bobinado) | Devanados trifásicos de corriente alterna → campo giratorio. | Campo de CC en el rotor (anillos rozantes/excitador sin escobillas) | Necesita amortiguador/VFD para arrancar | Nr = Ns | Velocidad constante, control del factor de potencia |
| PM Síncrono | Devanados trifásicos de CA + imanes en el rotor | Imanes permanentes | VFD para arranque/control | Nr = Ns | Alta eficiencia, alta densidad de potencia |
| CC cepillada | Campo estator PM o DC | Bobinas del inducido mediante conmutador | Autoarranque | Amplio, con tensión | Alto par de arranque, control sencillo |
Los motores lineales "desenrollan" la geometría: un "estator" plano en el vehículo y un "rotor" en la vía (o viceversa). El mismo principio del estator que hace la onda y el rotor que monta la onda permite el tránsito a alta aceleración sin depender de la adherencia de las ruedas.
Una vez interiorizado que el estator escribe un guión magnético en movimiento y el rotor aprende a leerlo -por inducción o transportando su propio campo-, el resto son palancas de ingeniería: frecuencia, polos, deslizamiento, materiales, refrigeración y cuidado. Utiliza la fórmula de la velocidad para establecer las expectativas, la inclinación y las ranuras para domar la ondulación, el cobre y el acero fino para perseguir la eficiencia, el TEFC y el aislamiento para mantener la línea de temperatura, y la monitorización del estado para mantener contentos a los rodamientos. Esta es la historia del estator y el rotor, contada para que pueda ponerla en práctica en su próxima especificación, actualización o causa raíz.
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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