Motor de histéresis

    1. Histéresis
    2. Motores de histéresis
    3. Principio de funcionamiento del motor de histéresis
    4. Polos sombreados en un motor de histéresis
    5. Motor de histéresis con materiales superconductores
    6. Motor síncrono de precisión (motor de histéresis)
    7. Resumen

    Un motor eléctrico es una maquina que transforma energía eléctrica en energía mecánica. Por estos motivos son ampliamente utilizados en instalaciones industriales y demás aplicaciones que no requieran autonomía respecto de la fuente de energía, dado que la energía eléctrica es difícil de almacenar. En los diferentes tipos de motores existen entre los especiales el motor de histéresis que es utilizado en aplicaciones especiales la diferencia radica en la construcción del rotor no así en el estator con la construcción de los otros tipos de motores se pueden construir tanto monofásicos como trifásicos. Así estos motores utilizan la energía de acoplamiento de los dominios magnéticos del material ferromagnético cuando sus dominios son reacomodados por un campo magnético externo, de esta forma el rotor se retrasa con respecto a los polos cambiantes por el fenómeno de histéresis en el material, modificando su eficiencia con polos simples o sombreados los polos sombreados reducen el par de arranque utilizados en motores pequeños por ser más baratos la construcción.

    Se puede comparar en ocasiones con motores de inducción y síncrono ya que trabaja a la frecuencia de la línea de alimentación a su velocidad máxima. Aprovechando la permeabilidad del flujo magnético en los materiales ferromagnéticos superconductores con una menor resistencia se saca más provecho al motor. El par y la velocidad dependen de la histéresis del rotor.

    1. HISTÉRESIS:

    Fenómeno causado cuando los átomos de un material ferromagnético se alinean en forma diferente a la curva de magnetización. Es la energía que se requiere para que los átomos del material ferromagnético vuelvan a su posición inicial en el proceso de magnetización. Un material ferromagnético es el que se magnetiza fácilmente por sus propiedades ya que las líneas de campo no escapan con facilidad.

    Dentro de un metal hay pequeñas regiones llamadas dominios en donde todos los átomos se alinean con sus campos magnéticos apuntando en la misma dirección de modo que el domino actúa dentro del material como un imán permanente pequeño. Un material ferromagnético no representa polaridad magnética definida porque los dominios se encuentran al azar en la estructura del metal cuando se añade campo magnético externo los dominios se alinean en dirección del campo magnético y al quitar el campo magnético estos regresan a su posición original, los átomos alineados incrementan el flujo magnético en el hierro lo cual causa más alineamiento de los dominios es por esto que el material ferromagnético adquiere una permeabilidad mayor a la del aire.

    Ahora en la figura 1 se observa la curva de histéresis de un material cuando se agrega un campo externo y luego eliminado se nota que la magnetización no es igual a la de origen.

    Figura 1 curva de magnetización




    2. MOTORES DE HISTÉRESIS:

    Es un motor que usa el fenómeno de la histéresis para la producción de un par mecánico. El rotor del motor es un cilindro de material magnético sin dientes, protuberancias ni devanados. El estator del motor puede ser monofásico o trifásico: pero si es monofásico, se debe usar un condensador permanente con un devanado auxiliar para suministrar un campo tan uniforme como sea posible, puesto que esto reduce la gran pérdida del motor en gran escala.

    Cuando se le aplica una corriente trifásica o monofásica con el devanado auxiliar al estator del motor, aparece un campo magnético giratorio dentro de la maquina. Este campo magnético giratorio magnetiza el metal del rotor e induce polos dentro de él.

    Cuando el motor opera por debajo de la velocidad sincrónica, hay dos fuentes de par dentro de él. La mayoría del par lo produce la histéresis. Cuando el campo magnético del estator barrera (alrededor de la superficie del rotor), el flujo no lo puede seguir exactamente puesto que el metal del rotor tienen una gran pérdida por histéresis. Mientras más grande sea la perdida intrínseca (Valor por si a diferencia del convencional) por histéresis del material del rotor, mayor será el ángulo por el campo magnético del rotor, estará en retraso con el campo magnético del estator. Puesto que los campos magnéticos del estator y el rotor tienen diferentes ángulos, se producirá un par finito en el motor. Además, el campo magnético del estator producirá corrientes parasitas en el rotor, las cuales producen su propio campo magnético incrementando aun más el par del motor. Mientras más grande sea el movimiento relativo entre el campo magnético del estator y el rotor, mayores serán las corrientes parasitas y el par de corrientes parasitas.

    Cuando el motor llega a la velocidad sincrónica, el flujo del estator deja de barrer a través del rotor y este actúa como imán permanente entonces el par inducido en el motor es proporcional al ángulo entre el campo magnético y el rotor y el estator, hasta un ángulo máximo delimitado por la histéresis en el rotor.

    Se puede apreciar las características par-velocidad de un motor de histéresis en la figura 2 puesto que la cantidad de la histéresis dentro del rotor es particular está en función sólo de la densidad de flujo en el estator y del material del que esta hecho, el par de histéresis del motor es aproximadamente constante a cualquier velocidad entre cero y nsincronica El par de corriente parasita es aproximadamente proporcional al desplazamiento del motor. Estos dos hechos juntos son los culpables de la forma de la característica par- velocidad del motor de histéresis.

    Figura 2: Características par-velocidad de un motor de histéresis.

    Puesto que el par de un motor de histéresis a cualquier velocidad subsíncrona es mayor que su par síncrono máximo, el motor de histéresis puede acelera con cualquier carga que pueda soportar en su operación normal.

    Se puede crear un motor síncrono de baja potencia y de auto arranque pequeño con estator de polos sombreados se puede observar en la figura 3 es un motor de uso común en aparatos de el hogar.

    Figura 3: Motor de histéresis con polos sombreados

    El motor esta accionado por la frecuencia que toma del sistema eléctrico a su velocidad máxima por ende trabaja a velocidad síncrono.

    Por otro lado si se bloquea en presencia del flujo del estator φ de intensidad constante rotando a velocidad sincrónica los dominios tienden a alinearse con este flujo, sin embargo se realiza trabajo en el realimentamiento continuo y los vectores de dominio se retrasan con respecto al flujo del estator en el ángulo histérico δ si se libera el rotor seguirá al flujo acelerando hasta la velocidad sincrónica. A la velocidad sincrónica el ángulo de retraso disminuye a medida que los vectores de dominio se alinean más con φ pero no así confidencia completa, puesto que no existiría entonces un ángulo de torque para mantener la rotación.

    A velocidad sincronía el rotor esta permanente magnetizado a lo largo de su eje retrasado con respecto de φ. Este motor no puede girar a velocidades inferiores a la sincrónica si la carga aumenta el motor reajustara su torque para proporcionar el equilibrio.

    3. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR DE HISTÉRESIS:

    El estator de un motor de histéresis es del mismo tipo que el de un motor de inducción. El rotor es un cilindro compacto hecho de una aleación muy dura que equivale a un imán o magneto permanente, soportado en estructuras no magnéticas.

    El funcionamiento, se basa donde los imanes representan la fuente del flujo estatórico, que sirve para inducir polaridades magnéticas opuestas en la dura estructura aleada del rotor. Con los imanes estacionarios (en vacío) observado en la figura 4, el eje magnético de los polos del rotor coinciden totalmente con el eje magnético de los polos del estator. Rotando los imanes estatóricos con el rotor bloqueado, se genera un flujo magnético giratorio que provoca un torque en los polos magnéticos inducidos del rotor. Al igual que rotan los polos del estator, los polos del rotor están yendo constantemente hacia nuevas posiciones, siguiendo la dirección del flujo rotativo. Dado el fenómeno de la histéresis, siempre los polos del rotor atrasarán a los polos del estator en un ángulo φ.

    Figura 4: Rotación de los imanes estatóricos.

    La energía transferible por el flujo rotativo del estator hacia el rotor, es en forma de energía de histéresis y a rotor bloqueado se libera como pérdida de calor, que viene dada por:

    P = K f B, en donde;

    f – frecuencia del flujo reversado en el rotor (Hz),

    B - valor máximo de la densidad de flujo en el entrehierro (T/m2),

    P – pérdidas de potencia por histéresis (W),

    K – constante que incluye aspectos constructivos.

    La potencia mecánica desarrollada en el rotor durante la aceleración, se puede expresar como función de P y del deslizamiento (s), así:

    Pmec = Ph (( 1-s) / s) (similar al motor de inducción).

    T es constante a todas las velocidades, excepto a ns, a la que el rotor se magnetiza sólo en algunos ejes aleatorios, siendo empujado por la simple atracción magnética. La P es nula y el T es también nulo, de tal forma que a ns, el motor funciona como un motor sincrónico de imanes permanentes, desarrollando únicamente el par magnético (Tmag). Bajo condiciones de vacío y despreciando las pérdidas rotacionales, existirá una plena coincidencia entre las líneas centrales de los magnetos inducidos en el rotor y los polos rotantes producidos en el estator, tal y como se muestra en la figura 5. Conforme se aumenta la carga en el eje, el rotor se retrasa momentáneamente y hace que los imanes inducidos en el rotor atrasen a los polos rotantes del estator en un ángulo máx. Después de este ajuste angular, el rotor regresa a ns con un nuevo ángulo de par, de tal forma que, el aumento en Tmáx causado por el aumento en máx compensa el aumento en el par de carga.


    Figura 5: Atraso del rotor al aumento de la carga

    Nótese que T también se desarrolla durante el periodo transitorio de aumento de carga en el eje, pues el T máx ocurre a ns y es proporcional al sen máx, siendo su valor máximo cuando máx = 90º. Cuando máx > 90º, el rotor se sale de sincronismo, el Tmáx =0 y el motor desarrolla sólo el T, que no es suficiente para llevar el par de la carga que causó la pérdida de sincronismo.

    4. POLOS SOMBREADOS EN UN MOTOR DE HISTÉRESIS:

    El flujo en el motor varia con el tiempo cuando varia con el tiempo produce corrientes parasitas en el material del motor y esto produce un desequilibrio en los campos del rotor y estator este tipo de polos producen un menor par de arranque y un mejor desplazamiento Se utilizan en general en ventiladores y sopladores de baja potencia. Las ventajas son su simplicidad, robustez y bajo costo, este motor no necesita partes auxiliares como condensadores, escobillas, centrífugos. La desventajas de este motor es, bajo par de arranque, eficiencia baja menor del 35 %, factor de potencia pobre. Una explicación simple de su funcionamiento es que al recibir el campo magnético el estator se genera una tensión en la espira en cortocircuito que reduce el campo en esa zona iniciando el giro.

    5. MOTOR DE HISTÉRESIS CON MATERIALES SUPERCONDUCTORES

    En los motores convencionales el par mecánico resulta de la repulsión entre el campo rotatorio y el estator y los polos magnéticos.

    En la figura 6 se muestra la simulación de un motor de histéresis realizado por la Universidad de Oxford el par se puede considerar debido a la interacción entre intragranulares producidas por el súper conductor y el campo rotatorio es linealmente proporcional a las perdidas totales por histéresis en el rotor e independiente de la velocidad angular de giro.

    Figura 6: Representación simulada del motor de histéresis (Universidad de Oxford)

    A la temperatura del nitrógeno líquido los parámetros del motor son de 3 a 5 veces superiores a los motores de histéresis convencionales el par producido por un material superconductor de radio exterior D y diámetro interior D1 viene dado por la ecuación

    Los factores δ y α dependen de las propiedades del material superconductor y del diámetro del rotor.

    6. MOTOR SÍNCRONO DE PRECISIÓN (motor de histéresis)

    Se denomina motor síncrono a un a un motor de histéresis a velocidad máxima

    Cuando su rotor girando está magnetizado de manera permanente en dirección transversal se encuentra dentro del estator, será arrastrado por atracción magnética a la velocidad a la que está girando el campo.

    Esta velocidad se llama velocidad de sincronía, o velocidad de sincronismo, y el resultado de la disposición descrita es un motor síncrono.

    Su velocidad está exactamente sincronizada con la frecuencia de línea.

    Pequeños motores síncrono se encuentran en relojes eléctricos para asegurar una medición de tiempo precisa, pero también se utilizan en la industria.

    En grandes motores síncrono industriales el rotor es un electroimán y está excitado por la corriente directa.

    Una característica del motor síncrono es que si el rotor es "sobreexcitado", esto es, si el campo magnético es superior a un cierto valor, el motor se comporta como un condensador a través de la línea de poder útil para la corrección del factor de potencia.

    RESUMEN

    Se basa el estudio de los tipos de motores en este caso un motor de baja potencia de uso común o funciones específicas. Que a velocidad máxima se comporta como un motor síncrono, el par de un motor de histéresis a cualquier velocidad subsíncrona es mayor que su par síncrono máximo, el motor de histéresis puede acelera con cualquier carga que pueda soportar en su operación normal.

    Se tiene un pantallaso sobre la ventaja del tipo del metal utilizado al fabricar el motor para poder tener un mejor aprovechamiento de la histéresis en el metal.

    El funcionamiento, se basa donde los imanes representan la fuente del flujo estatórico, que sirve para inducir polaridades magnéticas opuestas en la dura estructura aleada del rotor.

    La forma en que el motor de histéresis puede corregir su factor de potencia con un campo magnético sobre excitado en el rotor, acción que convierte su rotor en un gran condensador. Este tipo de motor es el más suave y silencioso y solo se fabrica en tamaños pequeños.

     

    Anibal Montilla

    montillascollections[arroba]yahoo.com

    Estudiante UTP (Panamá) septiembre del 2007



    Artículo original: Monografías.com

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