Comprensión de los motores sin escobillas: separación de flujo óptima para una alta densidad de par

¿Qué es un espacio de aire?

Una forma sencilla de definir el entrehierro es decir que es el aire en el espacio entre el estator y el rotor del motor.

Más concretamente, podemos tener definiciones similares para motores de corriente alterna o AC y motores de corriente continua o corriente continua.

En un motor de CA, el entrehierro es el espacio de aire entre el núcleo del rotor y el estator. Por otro lado, se dice que es el espacio entre los polos y la armadura de un motor DC.

La brecha de flujo es la distancia entre el material de alta permeabilidad en el estator ("hierro del estator") y el correspondiente material de alta permeabilidad en el rotor ("hierro trasero" del rotor). Este material suele estar fabricado a partir de finas laminaciones de acero Fe-Si.

Como todos sabemos, en general, la brecha de flujo debe ser lo más pequeña posible. 

Tenga en cuenta que la brecha de flujo incluye imanes. Los imanes de tierras raras (magnetizados o no) tienen esencialmente la misma permeabilidad que el aire. Por lo tanto, desde el punto de vista del estator, los imanes son indistinguibles del aire y deben incluirse como parte del espacio de flujo.

¿Cómo funciona el entrehierro?

Para comprender cómo funcionan los espacios de aire, primero recuerde que los motores y generadores eléctricos son máquinas eléctricas giratorias.

Esto significa que los motores y generadores eléctricos funcionan de manera muy similar. La diferencia es que los motores eléctricos convierten la energía eléctrica suministrada en energía mecánica. En cambio, los generadores toman energía mecánica específica y la convierten en energía eléctrica.

En ambos casos, el proceso de conversión de energía ocurre cuando el estator y el rotor trabajan juntos para generar flujo magnético a través de sus propios devanados de cobre. Aquí es donde entra en juego el espacio de aire.

Se forma un campo magnético en el entrehierro, y uno de los devanados antes mencionados se encarga de generar el flujo magnético, que tiene que pasar a través del entrehierro dos veces por cada polo de cada fase del motor.

Algunos de los factores clave relacionados con la operación del espacio de aire son:

La fuerza magnética es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia. A medida que aumenta el tamaño del entrehierro, la atracción magnética disminuye y se vuelve más difícil de controlar.

Al aumentar el tamaño del entrehierro, aumenta la corriente magnetizante, que representa la cantidad de corriente necesaria para impulsar el flujo magnético a través del entrehierro.

Cuantos más polos tenga un motor o generador, más veces el flujo deberá cruzar el entrehierro por revolución.

Todos estos factores nos llevan a concluir que cuanto menor sea el entrehierro, mejor. Sin embargo, un entrehierro más pequeño significa menos separación entre las partes móviles del rotor y el estator. Es por esto que monitorear el entrehierro en motores y generadores es crítico, ya que la más mínima variación en la alineación del entrehierro con estas características puede crear problemas operativos en la máquina.

El circuito magnético consta de un anillo de hierro dulce, un devanado de cobre (2A, 250 vueltas) representado por un rectángulo verde y un espacio de aire en el anillo. La densidad de flujo (unidades de Tesla) está representada por la distancia entre las líneas de flujo y el color, siendo el rojo la densidad más alta y el azul la más baja. La densidad de flujo es claramente mayor en anillos con espacios de flujo pequeños. Este anillo también tiene la menor cantidad de flujo que se "fuga" al aire circundante.

La razón de esta diferencia es que el entrehierro aumenta la reluctancia del circuito. La reluctancia es un flujo en un circuito magnético, al igual que la resistencia es la corriente en un circuito. Por lo tanto, el flujo magnético en un circuito depende de la reluctancia total y de la fuerza magnetomotriz aplicada (número de vueltas multiplicado por la corriente), del mismo modo que la corriente depende de la resistencia total en el circuito y el voltaje aplicado.

Echemos un vistazo más de cerca a cómo varía el flujo con la propia brecha de flujo. Podemos hacer esto dibujando una línea a través del espacio de flujo y midiendo la densidad de flujo en cada punto de la línea.

Al hacer esto para espacios de flujo de 1 mm y 4 mm, queda claro que el flujo en el medio de cada espacio sigue siendo el mismo. También se puede ver que el flujo en la separación de flujo de 4 mm es cuatro veces menor que el flujo en la separación de flujo de 1 mm. Entonces, para producir la misma densidad de flujo en un espacio de 4 mm, necesitamos cuadruplicar los devanados con la misma corriente, o mantener el mismo número de devanados y cuadruplicar la corriente. Este concepto también se puede aplicar a los motores eléctricos y explica por qué los ingenieros suelen hacer todo lo posible para mantener la brecha de flujo lo más pequeña posible.

Influencia del tamaño del espacio de flujo en el par de un motor simple

El par producido por el motor depende de la densidad de flujo en el entrehierro y, a medida que aumenta el tamaño del entrehierro, el par disminuye gradualmente.

De la discusión anterior queda claro que, en general, queremos que la brecha de flujo sea físicamente lo más pequeña posible para aumentar la salida de par del motor, por lo tanto, es la constante del motor. Sin embargo, además de las tolerancias de fabricación, también debemos considerar el grosor del imán. En general, si alargas los imanes del rotor, la densidad de flujo en sus polos también aumenta. Esto aumentará la salida de par del motor.

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