Aplicación del motor de inducción
lineal (Tren de levitación magnética)
Introducción
Un motor de inducción lineal es un tipo de motor
asíncrono, en el que se ha sustituido el movimiento de rotación de la máquina
por uno de traslación, lo cual confiere unas características peculiares que lo
hacen aplicable a una diversidad de casos prácticos.
Los motores lineales son máquinas impulsoras cuya
fuerza de accionamiento es lineal y no circular como en los demás motores
eléctricos.
Una forma intuitiva de entender este motor es
considerar que se deriva de la máquina de inducción convencional, por
desarrollo de la misma al cortarla por una generatriz.
Según imaginemos este proceso de corte y
desarrollo de la máquina convencional se obtienen dos tipos de motores
lineales:
1.
El Motor lineal con inductor simple
Este tipo de
motor lineal se obtendría cortando el motor en dirección longitudinal hasta
llegar a su eje de rotación. A continuación vamos torciendo (abriendo) el rotor
y el estátor hasta que queden rectilíneos (planos).
Figura 1: Ejecución de un motor
lineal con inductor simple
1.
El Motor lineal con inductor doble
Este tipo de
motor lineal se obtendría cortando el motor en dos mitades y torciéndolas hasta
que queden planas.
Figura 2: Ejecución de un motor lineal con inductor doble
Motor lineal con inductor simple
En este tipo de
motores lineales se utiliza un único inductor, también construido con chapas
magnéticas en forma de peine, en cuyas ranuras se coloca el devanado trifásico.
Figura 3:
Solución constructiva de un motor lineal con inductor simple
En los motores
con inductor simple, para poder conseguir que las líneas de flujo tengan
recirculación hacia el devanado inductor, se utiliza un inducido de material
magnético, por ejemplo acero. Con esta solución puede eliminarse uno de los
inductores, pues las líneas de campo magnético vuelven, a través del acero, al
próximo polo del inductor. El inducido de acero puede recubrirse también con
material conductor, por ejemplo aluminio.
Motor lineal con inductor doble
En el motor
lineal, la parte correspondiente al estátor de los motores trifásicos se llama
inductor o peine inductor y consta de un paquete de chapas en forma de peine,
en cuyas ranuras va colocado un devanado trifásico. En el motor lineal con
inductor doble se utilizan dos inductores uno situado encima del otro.
La parte que, en
el motor lineal corresponde al rotor en cortocircuito se llama inducido o riel
inducido. Está situado entre los dos inductores (caso del motor con doble
inductor) o encima del riel si el motor es de un solo inductor.
Figura 4:
Solución constructiva de un motor lineal con inductor doble
Se construye con
un material conductor macizo, por ejemplo aluminio. Empleando un inducido de
material magnético, por ejemplo acero, se puede eliminar uno de los inductores,
pues las líneas de campo magnético vuelven, a través del acero, al próximo polo
del inductor. El inducido de acero puede recubrirse también con material
conductor, por ejemplo aluminio.
Funcionamiento
El funcionamiento
de los motores lineales es muy similar al de la máquina asíncrona rotatoria.
Al aplicar un
sistema de corrientes trifásico al devanado inductor, se produce un campo
magnético que se propaga a la velocidad de sincronismo por el entrehierro de la
máquina.
Figura 5:
Funcionamiento del motor lineal
En una máquina
rotatoria aparecía un campo giratorio, pero aquí el campo magnético sólo puede
desplazarse en una dirección. Se dice que este campo magnético es un campo
migratorio o progresivo.
Figura 6:
Desplazamiento del campo magnético en un motor lineal
El campo
magnético progresivo, que se mueve en línea recta, induce una tensión en el
inducido, debido a lo cual comenzarán a circular unas corrientes por él. Según
la Ley de Lenz, el sentido de éstas corrientes inducidas es tal, que frenan el
movimiento del campo magnético.
Figura 7: Sentido
de la fuerza, campo y corriente en los conductores del motor lineal
Tendremos pues
una serie de conductores situados en un campo magnético y recorridos por
corrientes. Entre el conductor y el campo actuará una fuerza que, según la
regla del motor, moverá el inducido en el mismo sentido que el campo
migratorio.
Inductor fijo o inductor móvil. Dos casos prácticos.
- Según la aplicación a que se destinen, se diseñan motores lineales de inductor fijo o de inductor móvil.
- Si el inductor es fijo y el inducido móvil, como por ejemplo en el transporte de chapas, el inducido se mueve arrastrado por el campo móvil.
- Si por el contrario, el inductor es móvil y el inducido fijo, como en el caso del accionamiento de un carro de grúa, el inductor se mueve en sentido contrario a su propio campo móvil.
- Cualquiera de los dos elementos de un motor lineal, según sea fijo o móvil, puede actuar como estátor o como rotor.
Ventajas de los motores lineales
El sistema tiene
las ventajas de poder trabajar con velocidades ilimitadas ya que ningún
elemento está sometido a velocidades centrífugas. El movimiento lineal se
obtiene sin necesidad de utilizar ruedas, engranajes o cualquier otro
dispositivo mecánico similar.
Inconvenientes de los motores lineales
- En el motor lineal de un solo inductor, aparecen fuerzas de atracción entre el estátor y rotor muy superiores que la fuerza de traslación de las máquinas. Estas fuerzas se equilibran en el motor cilíndrico en virtud de su simetría, pero aquí es preciso duplicar el devanado del estátor con objeto de anular estas acciones.
- Al disponer dos inductores, es preciso igualar los entrehierros de ambas caras para que no existan fuerzas transversales.
- En los extremos del devanado corto, se obtienen deformaciones en el campo debido a la gran dispersión que se produce. Esto conduce a una serie de fenómenos transitorios que pueden hacer que las características del motor sean muy diferentes de las que cabría esperar.
Curvas
características
El comportamiento de régimen es análogo al de las
máquinas asíncronas trifásicas. El factor de potencias cos φ y el rendimiento η dependen en gran manera del tipo de construcción del
inducido. Sus valores son no obstante menores que los de las máquinas
asíncronas normales.
La forma de la curva característica de la fuerza
de empuje en función de la velocidad también depende en gran medida del tipo de
construcción de la máquina.
Figura 8: Curvas características del
motor lineal
En carga, la velocidad del motor lineal disminuye
rápidamente. Su arranque es suave, siendo la fuerza desarrollada por el mismo
máxima en dicho arranque, es decir, a velocidad cero.
El motor lineal desarrolla la máxima fuerza al
arrancar y se comporta elásticamente al ser cargado.
En servicio, la velocidad se mantiene bastante
inferior a la del campo móvil; el deslizamiento vale generalmente más del 50 %.
Comparación
motor lineal - motor de rotor en cortocircuito
En el motor lineal, el entrehierro es mayor que
en un motor en cortocircuito. Además, la resistencia del inducido del motor
lineal es mayor que la resistencia rotórica. En consecuencia, su característica
fuerza-velocidad es más plana que la curva par motor-velocidad de giro del
motor asíncrono correspondiente.
Figura 9:
Comparación de curvas motor lineal – motor de rotor en cortocircuito
Utilización del motor de inducción lineal
Aplicaciones como ACCIONADOR
Accionamiento de
puertas y compuertas corredizas, máquinas herramientas con movimientos de
vaivén, etc.
(*) Controlador: Permite
el control del movimiento con capacidad de entrada y salida de información,
estando conectado a los preceptivos sensores de velocidad y posición.
Figura 10: Actuador
posicionador de movimiento lineal con su equipo de control
Figura 11: Motor lineal y equipo de
control
Figura 12: Esquema
de montaje del equipo de control de un motor lineal
Motor lineal
utilizado en una bobinadora
Los motores
lineales pueden utilizarse en procesos discontinuos (arranque/parada) en
procesos continuos. Uno de los casos es una máquina de formado y corte de
material (ejemplo de perfiles en U).
(*)Motor lineal
de sincronización: Este motor lineal tiene una velocidad en sincronismo con la
del flujo de materia, de forma que va efectuando el corte en movimiento, sin
parar el flujo del material.
Figura 13: Motor
lineal utilizado en una bobinadora
Figura 14: Motor
lineal utilizado en un proceso de fabricación de perfiles
Aplicación en TRACCIÓN ELÉCTRICA
En las
aplicaciones a la tracción eléctrica, el motor lineal se utiliza como medio de
transporte no convencional de alta velocidad. En este caso el primario, es el
órgano móvil (vagón), estando el secundario fijo que sirve como sistema de
guiado (vía). Para mejorar el rendimiento y obtener velocidades elevadas (no
inferiores a 300 Km/h) se emplean imanes superconductores, que provocan una
suspensión o levitación magnética del vehículo, lo que evita todo tipo de
rozamientos. La superconductividad se obtiene haciendo circular por los
devanados, helio líquido, a temperaturas que oscilan entre 3 y 4 ºK.
Figura 15: Tren
con tracción eléctrica por levitación magnética
Otras
aplicaciones: Otra aplicación curiosa de este tipo son las lanzaderas para los
aviones de los portaviones.
Motor lineal polisolenoide o tubular
El motor lineal
polisolenoide es una forma especial con inductor tubular. Se puede imaginar un
inductor plano, curvado hasta formar un tubo.
Figura 16: Motor
lineal polisolenoide o tubular
El devanado de
este motor lineal está formado por bobinas circulares. Su inducido es una barra
maciza de acero. El inductor es el polisolenoide (bobina múltiple). En ella se
origina un campo magnético móvil, campo que hace moverse a la barra de acero
con velocidades de hasta 5m/s.
Estos motores
lineales polisolenoides (motores lineales tubulares) se emplean por ejemplo
como dispositivos de elevación, de traslación, posicionadores de agujas,
abridores de puertas y accionamiento de bombas de émbolo.
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