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viernes, 29 de marzo de 2019

Máquinas eléctricas de movimiento lineal, y Parte 4ª: El Motor de inducción lineal



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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