Entrada destacada de hoy

Consideraciones sobre las limitaciones de los análisis termográficos

martes, 19 de marzo de 2019

Máquinas eléctricas de movimiento lineal, Parte 1ª: El Electroimán



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
https://imseingenieria.blogspot.com/2019/03/maquinas-electricas-de-movimiento_21.html













No hay comentarios:

Publicar un comentario