Electroimanes de maniobra para
corriente continua (JOVE, Aparatos electromagnéticos S.A.)
Introducción
Los motores lineales tienen un gran número de
aplicaciones. Principalmente se utilizan en pequeños actuadores lineales y en tracción
eléctrica.
Pueden ser estudiados en dos grandes familias:
- La familia de los electroimanes, con aplicaciones en relés y contactores.
- La familia de los motores lineales como evolución lineal del motor rotativo.
El electroimán se utiliza normalmente en aplicaciones de corta carrera (pequeño desplazamiento) y con la función de mover piezas anexas para cerrar contactos con una cierta presión.
En cambio el motor lineal se utiliza en aquellas
aplicaciones en las que se requiere un verdadero movimiento de traslación. En
este tipo de motores lo importante es el desplazamiento más que la presión
electromagnética utilizada en los electroimanes.
Descripción
constructiva
El electroimán es la parte básica de numerosos
aparatos eléctricos, como relés, contactores, etc. En este tipo de aparatos, el
electroimán permite la posibilidad de accionar contactos a la hora de realizar
maniobras de conexión o desconexión.
Figura 1: Descripción esquemática de
un electroimán
Leyenda de la figura 1:
(1) Resortes o masa de retorno
En ciertos electroimanes se controla la apertura
y cierre por medio de la corriente de excitación, si bien lo normal es disponer
resortes o masas que retornen la armadura móvil a una posición de equilibrio,
ya sea abierto o cerrado.
(2) Contactos exteriores
Por lo general los electroimanes se usan en relés
y contactores para mover mecanismos de apertura o cierre de contactos.
(3) Armadura
Es quien realiza el movimiento de traslación
gobernada por la bobina de excitación. La armadura móvil está unida a los
contactos, a los cuales arrastra para realizar la maniobra de cierre o apertura
que esté prevista.
(4) Culata
Es la parte del circuito magnético que se
mantiene fija. Por lo general, el núcleo de la culata tiene forma de U o E y se
fabrica con material ferromagnético.
Sobre esta culata, se aloja la bobina de
excitación. Al dar corriente a la bobina de excitación, el núcleo atrae a la
armadura móvil venciendo la fuerza de los resortes o muelles externos de
retorno.
Un electroimán no es más que un circuito
magnético formado por dos piezas una de las cuales puede unirse o separarse de
la otra por acción de una corriente de control o excitación.
Curiosidad
técnica
Un pequeño entrehierro previsto en el circuito
magnético en posición de "cierre" evita el fenómeno de la remanencia.
Este se realiza bien por falta de metal o bien por inserción de un material
amagnético (material que no conserve el magnetismo: el cobre o el latón son dos
ejemplos).
La remanencia aparece cuando un electroimán se
queda cerrado cuando no existe tensión en las bornas de su bobina debido al
magnetismo remanente que queda en el núcleo magnético.
Electroimán
tipo corriente alterna
Figura 2: Electroimán para c.a.
(modelo de rotación)
Figura 3: Electroimán para c.a.
(modelo de traslación)
Características
- Construido con chapas de acero al silicio ensambladas con remaches.
- Las chapas se apilan aisladas entre sí con el fin de reducir las corrientes de Foucault que nacen en la masa metálica sometida a un flujo alterno. Estas corrientes de Foucault reducen el flujo útil para una corriente magnetizante dada y producen un calentamiento en el circuito magnético.
- Rectificación mecánica exacta de las partes fija y móvil, garantizando un funcionamiento silencioso.
- Una o dos espiras de desfase o espiras de Frager (comúnmente llamadas espiras de sombra), que crean en una parte del circuito un flujo retrasado respecto al flujo principal. De esta manera, se evita la anulación periódica del flujo total y por tanto de la fuerza de atracción (lo que provocaría vibraciones ruidosas).
Utilización en corriente continua
Un circuito magnético formado por chapas y
pensado para corriente alterna, puede ser utilizado sin inconveniente en
corriente continua.
En este caso la bobina empleada difiere de la
bobina normalmente prevista para una tensión alterna del mismo valor.
Además debe ser insertada una resistencia de
reducción de consumo en el circuito de mando de la bobina después del cierre
del electroimán.
Figura 4: Resistencia de economía en
el circuito de mando de la bobina
de un electroimán de c.c.
Espiras
de sombra
En los circuitos magnéticos alimentados por c.a.
es necesario colocar las llamadas espiras de sombra para evitar vibraciones del
núcleo con la armadura. En las espiras de sombra se induce una corriente que va
desfasada respecto al campo de excitación de la bobina.
Cuando la corriente de la bobina es cero (flujo
magnético cero), la espira de sombra genera una pequeña corriente, cuyo campo
magnético es capaz de mantener unidos el núcleo con la armadura durante ese
corto espacio de tiempo, que se produce 100 veces por segundo, para frecuencia
de alimentación de 50 Hz.
Electroimán
tipo corriente continua
En el circuito magnético de un electroimán
alimentado en corriente continua no hay formación de corrientes de Foucault.
Figura 5: Electroimán para c.c.
(modelo de rotación)
Figura 6: Electroimán para c.c.
(modelo de traslación)
En determinados casos es preferible, en vez de
utilizar un circuito magnético tipo "corriente alterna" con
adaptaciones imprescindibles, elegir un circuito magnético tipo "corriente
continua". El circuito magnético es entonces de acero robusto, por tanto
de construcción más robusta.
Curva
característica Fuerza-Carrera
Figura 7: Curva característica
Fuerza-Carrera
Leyenda de la figura 7:
(1) Fuerza magnética
Fuerza producida por el electroimán debida al
inductor.
(2) Fuerza de retorno
Fuerza necesaria para devolver la armadura móvil
a su disposición inicial al anular la corriente de excitación.
(3) Fuerza nominal
Fuerza magnética al inicio de la carrera.
(4) Carrera
Distancia s recorrida por la armadura móvil entre
la inicial (Sa) y la posición final (Se).
Característica
de respuesta (Tiempos de respuesta)
Figura 8: Característica de respuesta
(Tiempos de respuesta)
Tipos
de servicio nominal
Servicio
ininterrumpido: SP = Servicio Permanente
La puesta en tensión del electroimán es lo
suficientemente larga para que la temperatura de régimen se alcance
Figura 9: Característica SP =
Servicio Permanente
Servicio
temporal: SBD = Servicio de Breve Duración
La temperatura de régimen no se llega a alcanzar
ya que la puesta en tensión del electroimán es corta.
Figura 10: Característica SBD =
Servicio de Breve Duración
Servicio
intermitente: SI
La duración del tiempo de reposo es suficiente
como para que se vuelvan a alcanzar la temperatura ambiente.
Figura 11: Característica SI =
Servicio Intermitente
Notación para el servicio
intermitente
Este servicio queda definido por el factor de
marcha y la frecuencia de maniobra.
- Factor de marcha: Porcentaje de tiempo de excitación del electroimán por la duración total de un ciclo T.
Ejemplo
de notación para un servicio intermitente:
- Frecuencia de maniobra: Número de ciclos de trabajo que hace el electroimán por hora.
Criterios
de selección
A la hora de seleccionar un electroimán deben
seguirse los criterios siguientes y preferentemente en el mismo orden:
- Selección de la alimentación.
- Relación entre el trabajo a efectuar y el tipo de servicio.
- Tiempo de respuesta del electroimán.
- Frecuencia de maniobra.
Selección
de la Alimentación del electroimán
Los valores preferentes de las tensiones
nominales de alimentación son:
En corriente continua: 24V, 180V, 220V y en
corriente alterna (50Hz monofásica): 220V, 380V, 500V.
En general el electroimán a corriente continua es
más utilizado que el de c.a.
Ventajas
del electroimán de c.c.:
- Material más Standard y más corriente.
- Mejor guiado de la armadura móvil durante su carrera.
- Mejor protección del conjunto.
- Funcionamiento silencioso (el electroimán c.a. tiende a vibrar a 50Hz). Posibilidad de gran carrera y gran cadencia sin reducción del esfuerzo.
- Posible conexión en corriente alterna disponiendo un simple rectificador que puede estar integrado en el propio cuerpo del electroimán.
Ventajas
del electroimán de c.a.:
- Esfuerzo nominal alto sobre todo para cadencias bajas.
- Consumo de corriente en función de la posición de la armadura móvil, esto produce una puesta en funcionamiento económica cuando el circuito esta firme.
Criterios
de selección
Trabajo
a efectuar v.s. Servico a realizar
Se trata de elegir un electroimán que permita
efectuar el trabajo demandado (es decir, realizar un cierto esfuerzo durante
una cierta carrera) para una cadencia deseada.
En general fuerza y cadencia son dos criterios
indisociables. Los electroimanes suelen responder a esfuerzos altos para
cadencias cortas, pero en cadencias altas el esfuerzo que pueden mantener es
menor.
Hay que asegurarse que la Fuerza útil (Fuerza
magnética ± peso de la armadura móvil) es superior al esfuerzo resistente
durante toda la carrera.
Figura 12: Curvas características de
la Fuerza magnética/Carrera para diferentes servivios
Fabricantes
Los fabricantes suelen dar la curva
Fuerza-Carrera, para diferentes servicios, preferentemente para SP, SI 40%,
25%, 15%, 5%, y para una cierta duración de referencia del ciclo (2 min, 5 min,
por ejemplo).
Tiempo
de respuesta deseado
El electroimán escogido con los criterios
anteriores debe verificar que su tiempo de respuesta es compatible con la
aplicación en que deba utilizarse:
Figura 13: Tiempos de respuesta al
cierre del circuito de excitación
El tiempo de respuesta a la apertura está
influenciado por ciertos fenómenos transitorios que dependen de que el
electroimán sea de corriente continua o alterna.
Figura 14: Tiempos de respuesta del
electroimán de c.c.
Figura 15: Tiempos de respuesta del
electroimán de c.a. rectificada
Ciertos constructores indican los valores de los
tiempos de atracción y repulsión para cada tipo de aparato, según el tipo de
excitación y el factor de marcha.
Frecuencia
de maniobra
La frecuencia de maniobra es igual al ciclo de
trabajo por hora.
La frecuencia máxima es igual a: fMAX
= 1 / (t1 + t2) · 1000 · 3600
Figura 16: Frecuencia máxima de
maniobra
Para frecuencias próximas a la frecuencia de
maniobra máxima, puede ser necesario un cálculo más preciso (haciendo
intervenir la constante de tiempo electromagnética para calcular la potencia
absorbida). En estos casos es conveniente contactar con los fabricantes.
¿Cómo
conseguir aumentar la frecuencia de maniobra?
Puede conseguirse un pequeño aumento de la
frecuencia de maniobra máxima haciendo:
- Eligiendo un electroimán con una fuerza magnética muy elevada.
- Haciendo nulos los retardos de reacción interviniendo sobre la determinación del ciclo de trabajo lo más corto posible, consiguiendo t12 + t22 en lugar de t1 + t2.
- Reduciendo el retardo de reacción t11 (directamente proporcional a la constante de tiempo electromagnética) insertando una resistencia en serie con la bobina de excitación.
Resumen:
Etapas para la elección de un electroimán
- Elección de la tensión de alimentación: en general corriente continua o alterna rectificada.
- Elección del electroimán capaz de realizar el trabajo demandado, es decir, aplicar un esfuerzo durante toda la carrera y a la cadencia deseada.
- Comparación de los tiempos de respuesta del electroimán en función de las necesidades de nuestra aplicación. Si son demasiado elevados, será necesario escoger un electroimán más fuerte.
- El último cálculo permite verificar que la frecuencia de maniobra nominal máxima del electroimán es superior a la de nuestra aplicación. En caso contrario será necesario volver a la etapa anterior para disminuir los tiempos de respuesta transformando los retardos de reacción en tiempos nulos.
Tabla
Continua en: Máquinas eléctricas de movimiento lineal, Parte 2ª: El Relé Electromagnético
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