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Introducción
Los motores de inducción, también conocidos como motores asíncronos, son el tipo más común de motor eléctrico utilizado actualmente. Gracias a su diseño sencillo, bajo costo y alta fiabilidad, los motores de inducción se emplean en una amplia gama de aplicaciones en todas las industrias de ingeniería.
Motor de Inducción
Tipos/Diseños
Existen dos tipos principales de motores de inducción: monofásico (1~) y trifásico (3~).
Los diseños de motores de inducción monofásicos incluyen:
- Motores de inducción de fase partida - utilizados en máquinas donde la frecuencia de arranque es limitada y donde el accionamiento no supera 1 kW.
- Motores de inducción de arranque con condensador - empleados en máquinas con cargas de inercia más altas y aquellas que requieren arranques frecuentes, como cintas transportadoras.
- Motores de inducción de arranque y funcionamiento con condensador - aplicaciones similares a los motores de arranque con condensador; se instala un condensador adicional cuando el motor está en servicio.
- Motores de inducción de polo sombreado – el motor de inducción de CA original. Aún se utiliza en dispositivos pequeños y aquellos que requieren bajo par de arranque, como tocadiscos, ventiladores de proyectores, ventiladores de fotocopiadoras, secadores de pelo, etc.
Los diseños de motores de inducción trifásicos incluyen:
- Motores de inducción de jaula de ardilla - elegidos por su longevidad y bajo mantenimiento. Este diseño de motor de inducción es el más común.
- Motores de inducción de anillo deslizante - proporcionan un alto par y baja corriente de arranque; utilizados, por ejemplo, en ascensores, grúas y polipastos.
Aunque los motores de inducción existen en numerosas formas, este artículo se centra en el diseño de motor de inducción trifásico de jaula de ardilla porque es, con mucho, el tipo más común de motor de inducción.
Consejo - el término ‘inducción’ se refiere al hecho de que la corriente eléctrica se induce en la jaula del rotor cuando el motor está en funcionamiento; esto difiere de otros motores donde la corriente del rotor se suministra desde una fuente externa.
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Componentes del Motor de Inducción
Los dos conjuntos principales dentro de un motor de inducción son el estator y el rotor; sin embargo, el estator y el rotor están construidos a partir de componentes individuales más pequeños.
Estator
El estator es la parte estacionaria del motor y consiste en una carcasa con ranuras y una serie de bobinados.
Bobinados del Estator
Los bobinados reciben energía de CA trifásica, lo que provoca que un campo magnético alrededor de cada uno de los bobinados se expanda y contraiga cuando fluye corriente. Cada bobinado se energiza en pares y en secuencia para producir un campo magnético rotativo. Los bobinados del estator generalmente se fabrican de cobre, aunque otros materiales están disponibles, por ejemplo, aluminio.
Carcasa del Estator
El estator se construye apilando láminas de acero muy delgadas y altamente permeables dentro de un marco de acero o hierro fundido. El marco se atornilla al suelo y es el exterior del marco el que está pintado y visible para los observadores externos. Los materiales de construcción del marco del motor comunes incluyen varios grados de acero y hierro fundido.
Rotor
Dentro del estator hay un eje metálico sólido, láminas y una jaula de ardilla; este conjunto se conoce como el rotor y es la parte giratoria del motor.
El eje del rotor generalmente tiene una forma cilíndrica larga y delgada, pero esto depende del diseño. Las láminas de acero, la jaula de ardilla y los rodamientos están todos montados en el eje del rotor. Los ejes del rotor generalmente se fabrican de acero inoxidable, ya que es duradero, mecánicamente fuerte y tiene buenas propiedades de resistencia a la corrosión y erosión.
Rotor del Motor de Inducción
La jaula de ardilla es una jaula de forma cilíndrica que se ajusta alrededor del eje con barras que se extienden entre sus dos extremos. En cada extremo de la jaula de ardilla, se adjuntan anillos de extremo para crear un circuito corto a través del cual fluirá la corriente inducida. Las jaulas de ardilla generalmente están hechas de cobre o aluminio.
Jaula de Ardilla del Motor de Inducción
Las láminas de acero delgadas se deslizan sobre las barras de la jaula de ardilla y se comprimen entre los anillos de extremo; los materiales de laminación del rotor involucrados son similares a los utilizados para las laminaciones del estator. Las laminaciones no siguen una orientación perfectamente recta, sino que están ligeramente inclinadas para aumentar el par producido. Hay un grado máximo de ‘inclinación’ que estas laminaciones pueden adoptar, y esto depende del diseño del motor. La inclinación de las laminaciones también reduce el riesgo de que el rotor del motor ‘se bloquee’ en una posición entre campos magnéticos; este escenario hace que el rotor permanezca estacionario y no gire incluso cuando se suministra corriente a los bobinados del estator.
Escudos de Extremo y Rodamientos
Los escudos de extremo (campanas de extremo) se montan en los extremos opuestos del marco de un motor; el eje del rotor pasa a través de ambos escudos de extremo. Un extremo del eje es el extremo de accionamiento (conectado a la carga) mientras que el otro es el extremo no accionado (generalmente conectado a un ventilador de enfriamiento); ambos extremos del eje tienen llaves de eje para transferir el movimiento mecánico del eje a sus conexiones.
Rodamiento Antifricción
Escudos contra polvo pueden instalarse entre el eje y los escudos de extremo para evitar que partículas extrañas ingresen al interior del motor. Las partículas extrañas pueden llevar al deterioro de los bobinados del motor u otras partes; la entrada de humedad es una de las formas más comunes de falla del motor.
En cada extremo del eje del rotor, se instalan rodamientos antifricción. Cada rodamiento se instala en el eje del rotor y se aloja en un hueco dentro de cada campana de extremo. Un rodamiento generalmente se retiene usando un clip en C (clip de retención) mientras que una arandela de resorte se usa para el rodamiento opuesto (dependiendo del diseño del motor). El uso de rodamientos asegura que el eje gire suavemente y genere mínima fricción, lo cual es especialmente importante ya que el eje puede girar a altas velocidades.
Info – los motores más grandes no usan rodamientos antifricción, usan rodamientos lisos. Cambiar el tipo de rodamiento utilizado también cambia considerablemente el diseño. Por ejemplo, los rodamientos lisos requieren más espacio, una forma de lubricación (generalmente aceite) y no usan arandelas de resorte o anillos de retención tipo clip en C. Los rodamientos lisos también soportan cargas más altas.
Ventilador y Protector de Ventilador
Un ventilador axial está unido al extremo no accionado del eje del rotor; cuando el rotor gira, también lo hace el ventilador. El ventilador fuerza el aire a través del exterior del marco del motor para enfriarlo durante el funcionamiento. Las aletas del marco del motor sirven como intercambiadores de calor y tienen una gran superficie de contacto, lo que aumenta la tasa de transferencia de calor del motor al aire y, por lo tanto, aumenta la capacidad de autoenfriamiento del motor.
Un protector de ventilador protege el ventilador de cuerpos extraños grandes y protege a las personas u objetos cercanos de las aspas del ventilador en movimiento.
Protector de Ventilador del Motor
Info - un motor sobrecalentado puede derretir el aislamiento alrededor de los bobinados y causar un cortocircuito en el motor; este modo de falla, lamentablemente, no es infrecuente pero se puede evitar fácilmente siempre que se proporcione un enfriamiento adecuado.
Ventajas y Desventajas
Ventajas del Motor de Inducción
- Amplio uso - los motores de inducción se utilizan para una amplia gama de aplicaciones tanto en entornos domésticos como industriales. Se estima que alrededor del 70% de las máquinas utilizadas en la industria hoy en día son accionadas por motores de inducción trifásicos.
- Baratos y fáciles de instalar - los motores de inducción de jaula de ardilla no contienen escobillas, anillos deslizantes, conmutadores, imanes permanentes, sensores de posición u otros componentes que aumenten su costo general. Su construcción simple asegura que generalmente sean fáciles de instalar y mantener. La ausencia de escobillas dentro de los motores de inducción de jaula de ardilla significa que no se crean descargas eléctricas (chispas) dentro del motor (teóricamente). Por lo tanto, los motores de inducción pueden operarse en condiciones ambientales más peligrosas siempre que se modifiquen para hacerlo (motores con clasificación Ex, etc.).
- Bajo mantenimiento - los motores de inducción requieren niveles de mantenimiento relativamente bajos, especialmente en comparación con los motores de CC que contienen escobillas de carbono que se deterioran fácilmente.
- Larga vida útil - los motores de inducción se consideran que tienen una vida útil comparativamente larga porque sus partes son mecánicamente fuertes, resistentes a la corrosión y erosión, y tienen bajas tasas de desgaste.
- Alta eficiencia - los motores de inducción tienen alta eficiencia.
- Autoarranque - los motores de inducción trifásicos son inherentemente autoarrancables, es decir, siempre que se suministre corriente eléctrica a los bobinados del estator, el motor girará, no se requiere ninguna otra fuerza externa.
Desventajas del Motor de Inducción
- Pobre par de arranque - basado en su diseño, los motores de inducción típicamente tienen un bajo par de arranque, un costo colateral de su alta eficiencia. Por esta razón, los motores de inducción no son adecuados para su uso en aplicaciones que requieren un alto par de arranque. Sin embargo, conectar el motor indirectamente a la carga, es decir, a través de engranajes, poleas, etc., puede eludir este problema.
- Bajo factor de potencia durante condiciones de carga ligera – durante el arranque y baja carga, el motor requiere una gran corriente de magnetización para superar la resistencia producida por el espacio de aire entre el estator y el rotor. La suma vectorial de las corrientes de carga y magnetización hace que el voltaje se retrase, lo que da como resultado un bajo factor de potencia. Debido a la alta corriente de magnetización, el motor también experimentará un aumento en las pérdidas de cobre, lo que reduce su eficiencia general.
- Dificultad para lograr el control de velocidad - como un motor de inducción trifásico es un motor de velocidad constante, naturalmente experimenta muy poca variación de velocidad, lo que hace difícil la manipulación de su velocidad. Sin embargo, este problema se ha mitigado significativamente en los últimos años debido al avance y aplicación de la tecnología de variador de frecuencia de velocidad variable.
Anotaciones del Modelo
Cubierta del Ventilador
Una cubierta previene daños accidentales al ventilador y al personal.
Ventilador Axial
Se utiliza un ventilador para forzar el enfriamiento del motor. El aire se extrae a través de las rejillas de la cubierta del ventilador debido a la presión negativa creada por el ventilador, luego el aire se dirige a través de la carcasa del motor. El aire en movimiento enfría el motor y reduce el riesgo de sobrecalentamiento.
Tuerca
Las tuercas y los pernos se utilizan para asegurar las partes del motor juntas. Las tuercas elegidas deben tener características adecuadas de resistencia a la tracción y resistencia a la corrosión.
Las tuercas son la parte ‘femenina’ de un conjunto de tuerca y perno.
Arandela de Bloqueo
Las arandelas de bloqueo se utilizan para aplicar una fuerza de tracción continua (fuerza de estiramiento) al conjunto de perno y tuerca. La fuerza de tracción reduce la posibilidad de que la tuerca se afloje debido a la vibración.
Arandela Llana
La arandela llana distribuye la fuerza de compresión ejercida por el conjunto de perno y tuerca cuando se aprieta. La arandela también previene que el perno y la tuerca ‘se claven’ en las superficies metálicas cuando se aprietan.
Cubierta de Extremo del Motor
La cubierta de extremo alberga el rodamiento, el clip en C y, a veces, un sello contra polvo. Las dos cubiertas de extremo soportan el peso del eje.
Alojamiento del Rodamiento
El rodamiento se aloja en este espacio.
Alojamiento del Clip en C
El clip en C se instala con alicates para clip en C. Después de abrir los alicates, el clip en C se expande debido a las fuerzas de tracción residuales. La fuerza residual mantiene el clip en C firmemente dentro de la ranura y previene el movimiento axial del rodamiento.
Rodamiento de Bolas Sellado
Un rodamiento de bolas sellado permite que el rotor gire sin transferir el movimiento rotatorio a otras partes estacionarias, es decir, la carcasa del motor.
Clip en C / Anillo de Retención
Un anillo de retención se utiliza para retener el rodamiento dentro de la carcasa de la cubierta de extremo del motor. El anillo previene el movimiento axial del rodamiento.
Perno
Las tuercas y los pernos se utilizan para asegurar las partes del motor juntas. Los pernos elegidos deben tener características adecuadas de resistencia a la tracción y resistencia a la corrosión.
Los pernos son la parte ‘masculina’ de un conjunto de tuerca y perno.
Carcasa del Motor
La carcasa del motor alberga el conjunto del estator y el rotor. La carcasa debe ser lo suficientemente fuerte como para soportar las tensiones eléctricas y mecánicas generadas por el motor, así como las demandas físicas de su entorno de trabajo, por ejemplo, clima severo.
Estator
El estator contiene los bobinados aislados para las tres fases del motor.
La corriente eléctrica que fluye a través de estos bobinados es lo que hace que el rotor gire.
El núcleo del estator generalmente se construye de hierro para reducir las pérdidas de carga.
Intercambiador de Calor
Las aletas del radiador aumentan la superficie de la carcasa del motor. Una superficie más grande permite que el calor se elimine más rápidamente por el flujo de aire forzado del ventilador.
Terminal de Conexión
El suministro trifásico y el cable de tierra se conectan a la placa de terminales. Cada una de las tres fases del motor debe estar correctamente cableada al suministro entrante. Los motores se conectan en una configuración de cableado en estrella o delta.
Carcasa de Terminal
La carcasa de terminal protege la placa de conexión y las conexiones eléctricas de daños por objetos extraños como el agua.
Ojo de Elevación
El ojo de elevación permite mover el motor usando una eslinga, cuerda, grúa, polipasto de cadena o cable, etc. Es un requisito si el motor es demasiado grande para ser movido solo con mano de obra manual. Se pueden usar múltiples ojos de elevación para motores grandes.
Junta
Generalmente construida de goma o cartón. La junta se ‘aprieta’ entre las dos superficies metálicas para crear un espacio sellado. La junta previene que el agua o la contaminación pasen entre las superficies metálicas y entren en la carcasa del terminal.
Patas / Base
El peso completo del motor se transfiere a la estructura o al suelo a través de las patas. La base tiene agujeros o canales perforados para permitir la alineación y fijación del motor.
Eje del Rotor
El eje del rotor conecta el rotor a los rodamientos, ventilador y carga. Al instalar, el rotor a veces se enfría y los rodamientos se calientan para permitir un montaje fácil (solo para motores pequeños).
Rotor
El núcleo del rotor se construye de laminaciones de acero. El campo magnético creado por los bobinados del estator actúa sobre el rotor y lo hace girar. El tipo de rotor utilizado en este ejemplo es un rotor de jaula (motor de jaula de ardilla).
Llave del Eje
La llave del eje es la única conexión entre el eje del rotor y la carga que se está impulsando, por lo tanto, es imperativo que la llave pueda soportar las características de carga completa del motor sin fallar.
Anillo de Extremo
El anillo de extremo se utiliza para comprimir las laminaciones de acero juntas.
Ranura de Llave del Eje
La llave del eje se asienta dentro de esta ranura.
Sello contra Polvo
Dependiendo del diseño, un sello de goma contra polvo puede asentarse en este espacio. El sello reduce el riesgo de que la contaminación entre en la carcasa del motor. El sello se presiona entre el eje del rotor y la cubierta de extremo del motor.
Recursos Adicionales
https://en.wikipedia.org/wiki/Induction_motor
https://www.electrical4u.com/induction-motor-types-of-induction-motor
https://www.elprocus.com/induction-motor-types-advantages