Motores especiales y de alta eficiencia

(1)

Motores Especiales y De

Alta Eficiencia

Motores lineales.

Motores sin escobillas.

Motores paso a paso.

Motores monof

á

sicos.

Motores Universales.

Motores de alta

eficiencia

(2)

MOTORES LINEALES

En pocas palabras, un motor lineal es un motor rotatorio “desenrollado”, En un lenguaje mas técnico, un motor lineal esta compuesto por un elemento primario, donde se encuentran los devanados, y un elemento secundario que se extiende a lo largo de la distancia que se va a recorrer, aportando como ventaja la posibilidad de poder disponer de varios primarios sobre un mismo secundario.

(3)

MOTORES LINEALES

50.000 h 50.000 h 6.000 6.000 ––10.000 h10.000 h Fiabilidad Fiabilidad Fiabilidad Fiabilidad Fiabilidad Fiabilidad Fiabilidad Fiabilidad 9.000 N/bobina 9.000 N/bobina 26.700 N 26.700 N Fuerza m Fuerza m Fuerza m Fuerza m Fuerza m Fuerza m Fuerza m

Fuerza mááááááááximaximaximaximaximaximaximaxima

10 10 ––20ms20ms 100 100 msms Tiempo posicionado Tiempo posicionado Tiempo posicionado Tiempo posicionado Tiempo posicionado Tiempo posicionado Tiempo posicionado Tiempo posicionado 6 6––21 21 kgfkgf//mmmm 9 9 ––18 18 kgfkgf//mmmm Rigidez din Rigidez din Rigidez din Rigidez din Rigidez din Rigidez din Rigidez din

Rigidez dináááááááámicamicamicamicamicamicamicamica

2 2 ––10 g10 g 0,5 0,5 ––1 g1 g Aceleraci Aceleraci Aceleraci Aceleraci Aceleraci Aceleraci Aceleraci

Aceleracióóóóóóóón mn mn mn mn mn mn mn mááááááááximaximaximaximaximaximaximaxima

2 m/s (3 2 m/s (3 óó 4 posible)4 posible) 0,5 m/s 0,5 m/s Velocidad m Velocidad m Velocidad m Velocidad m Velocidad m Velocidad m Velocidad m

Velocidad mááááááááximaximaximaximaximaximaximaxima

Motor lineal Motor lineal Motor lineal Motor lineal Motor lineal Motor lineal Motor lineal Motor lineal Husillo a bolas Husillo a bolas Husillo a bolas Husillo a bolas Husillo a bolas Husillo a bolas Husillo a bolas Husillo a bolas Par ParPar Par Par Par Par

(4)

Ventajas

Se eliminan las desventajas de Se eliminan las desventajas de los accionamientos mec

los accionamientos mecáánicos, nicos, realizando la transmisi

realizando la transmisióón de la n de la fuerza directamente por el campo

fuerza directamente por el campo

magn

magnéético, lo que proporciona tico, lo que proporciona mayores valores de velocidad y

mayores valores de velocidad y

aceleraci

aceleracióón, mayor ancho de n, mayor ancho de banda del sistema de

banda del sistema de

accionamiento y mayores valores

del factor Kv, que dan una idea

de la rapidez y calidad de

respuesta del eje.

El sistema es mEl sistema es máás preciso s preciso cuando se desplaza a altas

cuando se desplaza a altas

velocidades, por lo que la calidad

de la interpolaci

de la interpolacióón asn asíí como la como la velocidad y precisi velocidad y precisióón n en en aplicaciones de contorneado se aplicaciones de contorneado se incrementan notablemente, incrementan notablemente, reducci

reduccióón de los niveles de n de los niveles de vibraci

vibracióón, etc.n, etc.

Desventajas

La necesidad de disipaciLa necesidad de disipacióón del n del calor que se genera, lo que

calor que se genera, lo que

obliga el uso de sistemas de

refrigeraci

refrigeracióón n y/o y/o aislamiento aislamiento t

téérmico de los accionamientos rmico de los accionamientos para que puedan operar con

para que puedan operar con

precisi

precisióón. Lo que incrementa los n. Lo que incrementa los costos.

costos.

Al no existir elementos de Al no existir elementos de transmisi

transmisióón n mecmecáánica nica que que amortig

amortigüüen los cambios de carga en los cambios de carga repentinos o cualquier otro tipo

repentinos o cualquier otro tipo

de perturbaci

de perturbacióón mecn mecáánica, hace nica, hace que esta tarea tenga que

que esta tarea tenga que

realizarla el controlador

electr

electróónico, por lo que nico, por lo que ééste tiene ste tiene que ser extremadamente r

que ser extremadamente ráápido pido parta mantener la estabilidad.

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

the supply voltage of the respective drive system, 380 V–480 V

(11)

MOTORES PASO A PASO

Son un g

é

nero especial

de motores sincr

ó

nicos

dise

ñ

ado para girar un

determinado n

ú

mero de

grados por cada pulso

el

elé

é

ctrico recibido por su

unidad de control, este

á

ngulo

define

el

desplazamiento m

í

nimo

que puede conseguirse.

(12)

Funcionamiento

(13)

Ventajas

Larga vida.Larga vida.

Velocidad de respuesta elevada Velocidad de respuesta elevada (<1ms).

(<1ms).

Posicionamiento dinPosicionamiento dináámico preciso.mico preciso.

ReinicializaciReinicializacióónn a una posicia una posicióón n preestablecida.

preestablecida.

Frecuencia de trabajo variable.Frecuencia de trabajo variable.

Funcionamiento Funcionamiento sincrsincróónico nico bidireccional.

bidireccional.

Sincronismo Sincronismo unidireccional unidireccional en en r

réégimen de gimen de sobrevelocidadsobrevelocidad..

Carencia de escobillas.Carencia de escobillas.

Mientras Mientras que que la la integridad integridad impulso

impulso--paso se aplica, el error no paso se aplica, el error no es acumulativo.

es acumulativo.

El par mEl par mááximo se produce para ximo se produce para velocidades de impulso bajas.

velocidades de impulso bajas.

La corriente de arranque es baja.La corriente de arranque es baja.

La inercia del motor es baja.La inercia del motor es baja.

Desventajas

La eficiencia es baja.La eficiencia es baja.

Las cargas deben analizarse Las cargas deben analizarse cuidadosamente para obtener

cuidadosamente para obtener

un funcionamiento

un funcionamiento óóptimo del ptimo del motor.

motor.

Cuando la inercia de la carga Cuando la inercia de la carga es excepcionalmente alta,

es excepcionalmente alta,

puede requerirse alg

puede requerirse algúún n m

(14)

(15)

(16)

MOTORES SIN ESCOBILLAS

Los motores

“

sin escobillas

”

est

á

n compuestos de

forma similar a los motores

“con escobillas

“

con escobillas

”

pero

de forma inversa. Es decir, el rotor est

á

compuesto

por el eje y los imanes permanentes y en la

carcasa o estator es donde se encuentra el

bobinado del hilo conductor.

(17)

Ventajas

La forma en que estáLa forma en que están distribuidos los elementos de los motores sin n distribuidos los elementos de los motores sin

escobillas aumenta la rapidez de disipaci

escobillas aumenta la rapidez de disipacióón del calor y reduce la n del calor y reduce la inercia del rotor.

inercia del rotor.

Al no tener escobillas la conmutacióAl no tener escobillas la conmutación se controla de manera n se controla de manera

electr

electróónica mediante el variador de velocidad, por lo que no se nica mediante el variador de velocidad, por lo que no se produce rozamiento mec

produce rozamiento mecáánico ni pnico ni péérdidas de energrdidas de energíía y se consigue a y se consigue una eficiencia muy superior, aproximadamente un 90%, frente a un una eficiencia muy superior, aproximadamente un 90%, frente a un 60% de los motores con escobillas.

60% de los motores con escobillas.

TambiTambiéén debido a esto los motores sin escobillas pueden alcanzar n debido a esto los motores sin escobillas pueden alcanzar

muchas m

muchas máás s r.p.m. y con mucho mr.p.m. y con mucho máás par, hasta cuatro o cinco veces s par, hasta cuatro o cinco veces m

máás que los motores con escobillas, y a la vez con un ahorro de s que los motores con escobillas, y a la vez con un ahorro de energ

energíía de hasta el 30 %. Adema de hasta el 30 %. Ademáás el calentamiento del motor es s el calentamiento del motor es m

míínimo.nimo.

La masa que gira es menor, casi la mitad, debido a que el rotor La masa que gira es menor, casi la mitad, debido a que el rotor lleva lleva

los imanes, que son menos pesados que el bobinado en los motores los imanes, que son menos pesados que el bobinado en los motores cl

cláásicos, por lo que aceleran msicos, por lo que aceleran máás rs ráápidamente. Adempidamente. Ademáás el s el funcionamiento es m

funcionamiento es más suave al reducirse las vibraciones.ás suave al reducirse las vibraciones.

No se producen chispas eléNo se producen chispas eléctricas debido al roce de las escobillas ctricas debido al roce de las escobillas

con el conmutador, por lo que se eliminan las interferencias por con el conmutador, por lo que se eliminan las interferencias por "ruido" el

"ruido" elééctrico.ctrico.

Requieren muy poco mantenimiento, casi nulo, ademáRequieren muy poco mantenimiento, casi nulo, además tienen una s tienen una

vida

vida úútil larga.til larga.

(18)

Desventajas

Solo est

á

n disponibles en tama

ñ

os peque

ñ

os, hasta 20W.

Comparaci

Comparacióón entre motor de corriente continua sin escobillas (Izq.) y moton entre motor de corriente continua sin escobillas (Izq.) y motor de r de corriente continua convencional (Der.).

(19)

(20)

(21)

(22)

MOTORES MONOF

Á

_Á

SICOS

_SICOS

Motores de fase partida

De arranque por capacitor

Motor de fase partida con capacitor permanente

Motor con capacitor de arranque y marcha

Los motores monof

á

sicos tienen un solo devanado en el

estator, que es el devanado inductor. Suelen tener

potencias menores de 1KW, aunque hay notables

excepciones

como

los

motores

de

los

aires

excepciones

como

los

motores

de

los

aires

acondicionados con potencias superiores a 10KW.

Existen diferentes tipos de motores monof

á

sicos, estos

son casi id

é

nticos entre si, excepto por la forma en que

arrancan. Se clasifican en:

(23)

Motores de fase partida

El motor de fase partida tiene dos grupos de devanados, el

de trabajo y el de arranque. Ambos bobinados se conectan

en paralelo y la tensi

ó

n de la red se aplica a ambos. La

corriente del devanado de arranque esta desfasada con

respecto a la corriente del devanado de trabajo, como

resultado de las diferentes reactancias de ambas bobinas.

(24)

Motores de fase partida

El mecanismo de arranque

utiliza

un

interruptor

centrifugo que desconecta

el devanado de arranque de

la red cuando el motor

alcanza el 75-80 % de su

velocidad

quedando

conectado solo el bobinado

de trabajo. El interruptor

esta conectado en serie con

el devanado de arranque

por lo que al abrirse lo

desconecta.

(25)

Motores con capacitor de arranque

Es similar al motor de fase partida en su construcción excepto en que se conecta un capacitor en serie en el bobinado de arranque. La corriente que es liberada por el capacitor durante el arranque hace que el par de arranque de estos motores sea mas de dos veces mayor que uno de fase partida sin capacitor.

(26)

Motor de fase partida con capacitor

permanente

En estos motores tanto el devanado de trabajo como el de arranque tienen un capacitor en serie. Este método evita el uso de interruptor de arranque pero el par es menor en el arranque y trabajo. Este tipo de motor tiene un funcionamiento uniforme y se presta para hacer control de velocidad.

(27)

Motor con capacitor de arranque y marcha

Este tipo de motor combina las ventajas de funcionamiento silencioso y de control de velocidad del motor de fase partida con capacitor permanente con el alto par de arranque del motor con capacitor de arranque. Se utilizan dos capacitores, el primero con el objetivo de obtener una fase partida permanente y las resultantes mejoras en las características de funcionamiento, y el segundo, que funciona de igual forma que el del motor con capacitor de arranque, con el propósito de mejorar el torque de arranque.

(28)

Ventajas de los

motores monof

á

sicos

Se pueden alimentar

entre una fase y el

neutro

o

entre

dos

neutro

o

entre

dos

fases. No presentan los

problemas de excesiva

corriente de arranque

como en el caso de los

motores trif

á

sicos de

gran potencia, debido a

su peque

ñ

a potencia,

por tanto todos utilizan

arranque directo.

Desventajas de los

motores monof

á

sicos

Se Se caracterizan caracterizan por por sufrir sufrir vibraciones debido a que la

vibraciones debido a que la

potencia instant

potencia instantáánea absorbida nea absorbida por cargas monof

por cargas monofáásicas sicas es es pulsante de frecuencia doble que

pulsante de frecuencia doble que

la de la red de alimentaci

la de la red de alimentacióón. n.

"No arrancan solos""No arrancan solos", debido a que , debido a que el par de arranque es cero. Por lo

el par de arranque es cero. Por lo

tanto se deben utilizar sistemas

ideados para el arranque que se

basan en provocar un

desequilibrio entre los pares

antagonistas que generan ambos

campos magn

campos magnééticos. ticos. Las Las principales realizaciones se basan

principales realizaciones se basan

en cambiar, al menos durante el

arranque, el motor monof

arranque, el motor monofáásico por sico por un bif

(29)

(30)

(31)

MOTORES UNIVERSALES

El esquema de conexiones y características de funcionamiento de un motor universal corresponden a las de un motor serie de potencia fraccional, de corriente alterna, por lo tanto se caracteriza por disponer de un fuerte par de arranque y la velocidad del rotor varía en sentido inverso de la carga. Estos motores tienen la misma característica de velocidad y par cuando funcionan en c.a. o en c.c.

(32)

Composici

ó

_ó

n y funcionamiento

_{n y funcionamiento}

Los motores universales

tienen bobinado el estator y

el

rotor,

cuentan

con

el

rotor,

cuentan

con

colector

y

sus

dos

colector

y

sus

dos

bobinados est

á

n en serie, el

colector y la escobillas

act

ú

an

como

un

conmutador y mantiene al

rotor girando mediante la

acci

ó

n de invertir los polos

del campo respecto al de la

armadura.

(33)

Aplicaciones de los motores

universales

El motor universal tiene la característica par-velocidad descendente, fuertemente empinada de un motor dc serie, de modo que no es adecuado para aplicaciones de velocidad constante. Sin embargo, por ser compacto y dar más par por amperio que cualquier otro motor monofásico, se utiliza en aplicaciones donde se requieren un peso ligero y alto par. Aplicaciones típicas de este motor son las aspiradoras eléctricas, los taladros y las herramientas manuales similares, así como los utensilios de cocina.

Roscadora eléctrica: con motor universal reversible de 1.020 W-25-60 Hz

(34)

Ventajas

Pueden construirse para Pueden construirse para cualquier velocidad de giro

cualquier velocidad de giro

y resulta f

y resulta fáácil conseguir cil conseguir grandes velocidades, cosa

grandes velocidades, cosa

que no puede conseguirse

con otros motores de

con otros motores de c.ac.a..

Funcionan Funcionan indistintamente indistintamente con

con c.cc.c. y/o con . y/o con c.ac.a. .

Poseen un elevado par de Poseen un elevado par de arranque.

arranque.

La velocidad se adapta a la La velocidad se adapta a la carga.

carga.

Para regular la velocidad de Para regular la velocidad de giro basta con conectar un

giro basta con conectar un

re

reóóstato en serie con el stato en serie con el inducido.

inducido.

Desventajas

Contienen Contienen elementos elementos delicados delicados que que

requieren una revisi

requieren una revisióón perin perióódica; es dica; es preciso entonces comprobar el desgaste

preciso entonces comprobar el desgaste

del colector, de las escobillas, el

envejecimiento de los muelles que las

oprimen contra las delgas del colector, etc.

El contacto deslizante entre colector y El contacto deslizante entre colector y

escobillas produce chispas que pueden

perturbar el funcionamiento de los

receptores de radio y de televisi

receptores de radio y de televisióón que se n que se encuentran en zona pr

encuentran en zona próóxima al motor.xima al motor.

Por causa de la gran velocidad de giro, Por causa de la gran velocidad de giro,

estos motores son algo ruidosos.

Debido a que la velocidad del rotor varDebido a que la velocidad del rotor varíía a

en sentido inverso de la carga, pueden

llegar a embalarse cuando funciona en

vac

vacíío.o.

Su inducido es de difSu inducido es de difíícil reparacicil reparacióón, casi n, casi

siempre resulta m

siempre resulta máás ventajoso sustituirlo s ventajoso sustituirlo por otro nuevo.

por otro nuevo.

La vida de las escobillas y el colector es La vida de las escobillas y el colector es

corta, inconveniente que reduce mucho el

campo de aplicaci

campo de aplicacióón de los motores n de los motores universales.

(35)

(36)

MOTORES DE ALTA EFICIENCIA

Los motores de alta eficiencia empezaron a ser fabricados a mediados de la

década de los 70 inicialmente en USA pero su aplicación se hizo masiva al llegar el año 2000 también en otros países industrializados.

EEUU => Nema

Comunidad => Acuerdo Voluntario Europea Europeo

(37)

Eficiencia de los motores

el

é

_é

ctricos.

_ctricos.

Como:

Potencia mecánica de salida = Potencia eléctrica de entrada – Pérdidas

(38)

P

Péérdidas por efecto Joule estatorrdidas por efecto Joule estator

•Aumentar la cantidad cobre alojado en las ranuras del estator •Mayor tamaño de ranura

•Disminuir cabeza de bobina

P

Péérdidas Magnrdidas Magnééticasticas

•Mejorar la calidad de la chapa magnética

•Disminuir el grosor de las chapas que componen el empilado del motor •Mejorar los procesos de fabricación, evitar rebabas

•Aumento entrehierro

•Mejorar el factor de bobinado.

•Aumentar el tamaño del empilado, longitud del paquete magnético

P

Péérdidas por efecto Joule en el rotorrdidas por efecto Joule en el rotor

•Aumentar la inducción en el entrehierro

•Aumentar tamaño de las barras conductoras del rotor

•Aumentar la conductividad de las barras, utilizar rotores de cobre.

Mejoras

(39)

P

Péérdidas Mecrdidas Mecáánicasnicas

•Optimización de la ventilación: Utilización de ventiladores más eficientes

•Disminuir las pérdidas por rozamiento: Utilización de rodamientos con bajo nivel de pérdidas y rodamientos más pequeños.

•En muchos casos las perdidas mecánicas no son debidas al propio motor sino al sistema de transmisión. Este fenómeno se puede evitar controlando las tensiones de las transmisiones por correas. También hay que estudiar la posibilidad de sustituir el sistema por un variador de velocidad.

P

Péérdidas dependientes de la carga Joule y magnrdidas dependientes de la carga Joule y magnééticasticas

•Modificación del número ranuras del rotor •Inclinación ranuras del rotor

•Bobinado paso acortado •Devanado 2 capas

•Conexión en triangulo/estrella •Grupos en paralelo

•Tamaño espineta rotor

•Resistencia transversal del rotor •Forma de les ranuras del rotor •Mejorando el mecanizado

•Actuando sobre el entrehierro

Mejoras

(40)

No comprar el motor solamente por el

precio de venta.

La diferencia de rendimiento hace que en tan sólo 128 días se ahorre la diferencia que costaría haber comprado un motor eff1. Para un valor del precio de energía eléctrica de 0,071238 Eur/kWh, por cada hora de utilización se ahorrarían 0,0376 Euros respecto a lo que se tendría que pagar con el motor eff2.

Desde el punto de vista medioambiental, un ahorro de 0,528 kWh, significaría la disminución de emisiones en 0,311kg de CO2 por hora.

(41)

Ventajas

El hecho de que se tenga una El hecho de que se tenga una eficiencia mayor significa que se eficiencia mayor significa que se disminuye los costos de operaci

disminuye los costos de operacióón del n del motor y se puede recuperar la motor y se puede recuperar la inversi

inversióón adicional en un tiempo n adicional en un tiempo razonable, sobre todo si se opera a razonable, sobre todo si se opera a una carga cercana a la potencia una carga cercana a la potencia nominal, teniendo en cuenta que en nominal, teniendo en cuenta que en un a

un añño el costo de la energo el costo de la energíía es a es aproximadamente seis veces el costo aproximadamente seis veces el costo de compra del motor.

de compra del motor.

Los motores de alta eficiencia poseen Los motores de alta eficiencia poseen generalmente un menor deslizamiento generalmente un menor deslizamiento (mayor velocidad de operaci

(mayor velocidad de operacióón) que n) que los motores de eficiencia est

los motores de eficiencia estáándar, ndar, debido a los cambios que se producen debido a los cambios que se producen en los par

en los paráámetros del motor. La mayor metros del motor. La mayor velocidad puede ser ventajosa en velocidad puede ser ventajosa en muchos casos, pues mejora la muchos casos, pues mejora la ventilaci

ventilacióón.n.

Los motores de alta eficiencia son Los motores de alta eficiencia son normalmente m

normalmente máás robustos y mejor s robustos y mejor construidos que los motores est

construidos que los motores estáándar, ndar, lo que traduce en menores gastos en lo que traduce en menores gastos en mantenimiento y mayor tiempo de mantenimiento y mayor tiempo de vida.

vida.

Desventajas

El hecho de que los motores de alta El hecho de que los motores de alta eficiencia operan a una velocidad mayor,

eficiencia operan a una velocidad mayor,

puede ocasionar un incremento en la carga,

sobre todo cuando se accionan ventiladores

o bombas centr

o bombas centríífugas, este hecho debe fugas, este hecho debe

valorarse en cada situaci

valorarse en cada situacióón.n.

El momento de arranque y el momento El momento de arranque y el momento m

mááximo ximo son son en en algunos algunos disediseñños os ligeramente mayores y en otros ligeramente

ligeramente mayores y en otros ligeramente

menores, por lo tanto es necesario analizar

detalladamente en cada aplicaci

detalladamente en cada aplicacióón. n.

La corriente de arranque suele ser mayor. La corriente de arranque suele ser mayor. Esto puede provocar que se sobrepasen los

Esto puede provocar que se sobrepasen los

l

líímites mmites mááximos de caximos de caíída de voltaje en la da de voltaje en la red. Tambi

red. Tambiéén puede influir en la capacidad n puede influir en la capacidad de los equipos de maniobra, aunque

de los equipos de maniobra, aunque

muchas veces se puede operar con los

mismos que se usan con los motores

est

estáándar y en ocasiones sndar y en ocasiones sóólo resulta lo resulta necesario cambiar los elementos t

necesario cambiar los elementos téérmicos.rmicos.

El factor de potencia del motor puede ser El factor de potencia del motor puede ser menor que un motor est

(42)

(43)

(44)

REFERENCIAS

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catarina.udlap.mx//u_dl_au_dl_a/tales/documentos//tales/documentos/leplep//salvatori_a_msalvatori_a_m/capitulo2./capitulo2. pdf

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Motores Universales. Ministerio De EducaciMotores Universales. Ministerio De Educacióón Superior. Instituto n Superior. Instituto Universitario De Tecnolog

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