Un motor de polos consecuentes tiene dos velocidades: tipos de devanado, diseño del núcleo y selección

Dos motores de ventilador de 22 kW, el mismo tamaño de estructura, el mismo fabricante, el mismo ciclo de trabajo: una placa de identificación indica 1800 rpm y la otra 1800/900 rpm. La segunda es una máquina de polos consecuentes de un solo devanado, y cada diferencia entre las dos se encuentra dentro de la pila de laminaciones del estator y la caja de terminales.

Cuando alguien pregunta qué tiene un motor de polos consecuentes, la respuesta comienza con dos velocidades de un devanado, aproximadamente la mitad de los grupos de bobinas de un devanado convencional comparable y un conjunto de polos desenrollados que transportan flujo sin transportar cobre. La mitad menos cómoda de la respuesta es una forma de onda de flujo de entrehierro aplanada, más pérdida armónica en el núcleo y menos enfriamiento a baja velocidad. Esos tres elementos los decide tanto el proveedor de laminación como el diseñador del motor.

La respuesta corta, en números claros

Un motor de polos consecuentes tiene las siguientes características, y cada una tiene una consecuencia directa para los núcleos del estator y del rotor que el comprador debe especificar.

Para un equipo de compras o de ingeniería que especifica núcleos, los polos desenrollados y la forma de onda del flujo son los más importantes. Un estator de polos consiguiente no es un estator de cuatro polos estándar con una placa de identificación diferente; sus secciones de dientes y yugo son impulsadas por la conexión de baja velocidad.

Cómo un devanado produce dos números de polos

Un devanado concéntrico trifásico convencional de cuatro polos necesita doce grupos de bobinas: cuatro polos multiplicados por tres fases. Un polo consiguiente devanado en el mismo estator utiliza seis. Cada grupo está conectado de manera que el flujo que sale de un polo enrollado regresa a través de un polo que no lleva bobina propia. Debido a que el polo desenrollado es alimentado por el mismo camino de hierro, toma la polaridad opuesta a la de sus vecinos y funciona exactamente como un polo enrollado del signo opuesto.

Conecte ese devanado en una dirección y la máquina funcionará como cuatro polos. Vuelva a conectarlo y el mismo cobre se comporta como ocho polos efectivos. La velocidad síncrona sigue el recuento de polos, por lo que una máquina de 60 Hz produce 1.800 rpm y 900 rpm. Con deslizamiento, un motor de jaula de ardilla cargado generalmente se estabiliza cerca de 1750 rpm y 875 rpm.

Las máquinas de inducción de CA construidas según este principio se basan en un conjunto de núcleos de estator y rotor que ya ha sido dimensionado para ambas conexiones, que es el punto en el que se unen el suministro de componentes y el diseño del motor.

Conjunto de núcleo de rotor y estator de motor de CA Núcleos de estator y rotor apilados de alta precisión para motores de CA, relevantes al comparar disposiciones de polos convencionales y consecuentes en el mismo marco. Ver producto →

Polo consiguiente versus devanado convencional

La siguiente comparación se realiza para el mismo bastidor de estator de 60 Hz que funciona como un motor convencional de cuatro polos de una sola velocidad o con un devanado simple de polo consiguiente.

Las métricas que sólo aparecen después del primer prototipo

Las revisiones de diseño tienden a centrarse en la velocidad y el par nominales. El siguiente cuadro compara el mismo marco del estator en la conexión de polos consiguiente con la conexión convencional de cuatro polos, indexada a 100 para el caso convencional. Estas son observaciones típicas de prototipos y bancos de pruebas en lugar de un único valor de hoja de datos, así que trátelas como rangos.

Las dos barras altas son las que generan el trabajo de rediseño. La vibración y el ruido aumentan porque el polo desenrollado cambia la distribución de la fuerza alrededor del entrehierro, y la pérdida armónica del núcleo aumenta porque la forma de onda del flujo ya no es cercana a la sinusoidal. Ambos efectos empujan a los diseñadores hacia laminaciones más delgadas, grados de acero al silicio con menores pérdidas, pilas entrelazadas en lugar de soldadas y, en muchos casos, un rotor sesgado. Para ver más de cerca cómo el método de apilamiento cambia la pérdida del núcleo, esta comparación de núcleos laminados entrelazados cubre las compensaciones prácticas.

Dónde funcionan realmente las máquinas de polos consiguientes

El funcionamiento a dos velocidades resulta rentable allí donde una carga funciona a plena demanda durante una parte del día y a carga parcial durante el resto del día. La distribución a continuación refleja la combinación de aplicaciones observada en trabajos de ventiladores, bombas y compresores industriales.

El hilo conductor es una carga de ley cuadrática. La potencia del ventilador y de la bomba disminuye aproximadamente con el cubo de la velocidad, por lo que una máquina que funciona a la mitad de velocidad necesita aproximadamente un octavo de la potencia del eje a máxima velocidad. Un motor de polos consiguiente captura parte de ese ahorro sin ningún tipo de electrónica de accionamiento, razón por la cual el diseño sobrevive en aplicaciones de alto rendimiento sensibles a los costos, aunque los variadores de frecuencia ahora cubren la mayoría de los demás casos.

El segundo significado: rotores de imán permanente de polos consiguientes

El mismo término describe una construcción completamente diferente en el lado del rotor. En una máquina de imanes permanentes de polos consecuentes, se montan o incrustan imanes de una sola polaridad, y los polos de hierro entre ellos son magnetizados por los imanes adyacentes a la polaridad opuesta. La mitad de los polos son imanes y la otra mitad son hierro.

Para un comprador, las consecuencias son tanto comerciales como mecánicas.

• La masa del imán cae sustancialmente por par de polos, y los imanes son el elemento de costo dominante en los motores de tracción, servomotores y electrodomésticos.
• El rotor se vuelve saliente, por lo que el par de reluctancia se suma al par del imán y el rango de velocidad de potencia constante se amplía, lo que ayuda en la operación de debilitamiento del campo.
• La trayectoria del flujo es asimétrica, lo que aumenta la ondulación del par, la atracción magnética desequilibrada y la pérdida de armónicos del rotor.
• La geometría de la laminación del rotor se vuelve crítica: los arcos polares, las barreras de flujo y el espesor de los puentes deben ajustarse juntos.

Este último punto es una cuestión de fabricación, no sólo una cuestión de simulación. Las pilas de rotores de este tipo suelen estar entrelazadas en lugar de soldadas, porque la soldadura provoca un cortocircuito en las laminaciones a lo largo de la pila y añade pérdida en el núcleo exactamente donde la pérdida de armónicos ya es alta.

Núcleo laminado entrelazado para pilas de motores sin soldadura Conjunto de núcleo de motor entrelazado terminado con construcción sin soldaduras ni pegamento, relevante para pilas de rotores de dos velocidades donde las pérdidas de soldadura y el control de fabricación son motivo de preocupación. Ver producto →

Especificación de núcleos para una máquina de dos velocidades: una secuencia viable

1. Primero arregle el par de velocidades y el deber. Confirme si la velocidad baja es continua o se usa solo para arranque, posicionamiento u operación nocturna. Una relación de 2:1 es estándar, pero son posibles otras relaciones a costa de la complejidad del bobinado.
2. Dimensione el circuito magnético para la peor condición de flujo. Los dientes del polo desenrollados y el yugo detrás de ellos transportan flujo concentrado, por lo tanto, verifique la densidad de flujo en la conexión de baja velocidad en lugar de solo a la velocidad alta nominal.
3. Vuelva a comprobar el enfriamiento a baja velocidad. Si el ventilador está montado en un eje, planifique una ventilación forzada, un ventilador más grande o una clase de aumento de temperatura más baja. Esta decisión cambia a menudo el marco y la vivienda.
4. Elija deliberadamente el método de apilamiento. El entrelazado es rápido y dimensionalmente estable en volumen; la unión adhesiva proporciona la menor pérdida del núcleo; Las herramientas de soldadura láser o TIG se cargan rápidamente pero crean cortocircuitos entre laminaciones que generan pérdidas. Las máquinas de dos velocidades con alto contenido armónico sienten esa penalización con mayor intensidad que las máquinas de una sola velocidad.
5. Valide con muestras cortadas con láser antes de comprometerse con herramientas duras. Las laminaciones de muestra permitieron al equipo medir la corriente sin carga, el aumento de temperatura y el ruido en la conexión real.
6. Bloquear la documentación. Acuerde el espesor de la laminación, el grado de acero al silicio, el método de apilamiento, los límites de rebabas y los registros de inspección antes del primer pedido de producción.

Un proveedor que controla tanto la entrada de acero al silicio como la pila terminada elimina uno de los modos de falla habituales, lo cual es una buena razón para revisar el cadena de fabricación antes de realizar un pedido de núcleo de dos velocidades.

Detalles de mantenimiento y cumplimiento que se pasan por alto

• Identificación de terminales. Un devanado de polo resultante suele aterrizar en seis conductores. Volver a conectar un motor reparado con la conexión incorrecta produce una máquina que funciona, pero a la velocidad incorrecta y con corriente excesiva.
• Contactores y maniobras. El cambio de velocidad se realiza mecánicamente, no electrónicamente. Los contactos picados y los eslabones sueltos son razones comunes por las que un motor se niega a alcanzar la velocidad baja.
• Temperatura a baja velocidad. Verifíquelo después de cualquier rebobinado. Si un taller de reparación instala un ventilador de eje genérico, el margen de baja velocidad desaparece.
• Límites de aislamiento y aumento de temperatura. Verifique con IEC 60034-1 o NEMA MG 1 y confirme la clase de aislamiento que realmente utilizó el taller de reparación en lugar de la clase que figura en la placa de identificación original.
• Grado del material después de una reconstrucción. En una máquina de dos velocidades, la pérdida de armónicos hace que el grado de acero al silicio sea más influyente que en un motor de una sola velocidad, por lo que la sustitución por un grado más bajo para ahorrar costos generalmente se manifiesta en forma de calor.

Del lado de la oferta, solicite sistemas de calidad documentados en lugar de certificados en un folleto: ISO 9001 como base, IATF 16949 cuando el motor termina en un vehículo, ISO 14001 para cumplimiento ambiental e ISO 3834 para marcos soldados, como bases de máquinas tipo caja. Esos documentos son los que mantienen auditable un pedido de núcleo de dos velocidades desde la bobina de acero al silicio hasta la pila terminada, incluido el lado de la materia prima, como el acero al silicio no orientado de alta calidad en forma de bobina, tira o lámina.

Rollos, tiras y láminas de acero al silicio Acero al silicio de calidad controlada en rollos, tiras y láminas para núcleos de motores y estampado de precisión, relevante a la hora de especificar el material de laminación y la documentación de suministro. Ver producto →

Un motor de polos consiguiente tiene dos velocidades de un devanado, seis grupos de bobinas en lugar de doce, polos desenrollados que transportan flujo pero no cobre, y una forma de onda de flujo que es más dura para el núcleo que un devanado convencional. Esos hechos se convierten en costos y riesgos en la etapa de laminación, porque el grado del acero, el espesor de la laminación, el método de apilado y la longitud de la pila deben elegirse para la conexión de baja velocidad y no solo para la velocidad nominal.