En el diseño de motores eléctricos, uno de los elementos más ignorados, pero de vital importancia, es el número de ranuras en el estator y el rotor. Estas ranuras no son solo características estructurales, sino que influyen profundamente en el par, la vibración, el comportamiento térmico y la eficiencia del motor. Los motores asíncronos, ampliamente utilizados en aplicaciones industriales y comerciales, son especialmente sensibles a este aspecto del diseño.
Comprensión de las funciones de las ranuras
En un motor asíncrono, la estator y rotorTrabajan juntos para generar fuerza rotatoria mediante inducción electromagnética. El rotor del motor gira dentro del estator, el componente exterior e inamovible. Ambos componentes incluyen ranuras regularmente espaciadas, que cumplen las siguientes funciones:
- Las ranuras del estator albergan devanados de cobre que, cuando se energizan con corriente alterna, producen un campo magnético giratorio.
- Las ranuras del rotor (normalmente rellenas de barras conductoras en los motores de jaula de ardilla) generan corriente a través de inducción electromagnética cuando se exponen al campo giratorio del estator.
Esta interacción genera una fuerza que impulsa el rotor y genera par. El número de ranuras, su forma y su distribución influyen significativamente en la eficacia de esta interacción electromagnética.
Un mayor número de ranuras permite una mejor conformación del campo magnético y un mayor relleno del conductor, pero también puede complicar la fabricación, incrementar el coste y debilitar los componentes estructurales. Un menor número de ranuras simplifica la construcción, pero puede reducir el rendimiento en áreas críticas.
Campo magnético e impacto armónico
El campo magnético giratorio de un motor asíncrono debería ser idealmente suave y sinusoidal. Sin embargo, debido a la naturaleza discreta de la ranura, el campo contiene armónicos espaciales: ondas adicionales que distorsionan la forma de onda magnética principal.
Las combinaciones de ranuras mal seleccionadas (por ejemplo, ranuras de estator y rotor iguales o muy coincidentes) pueden provocar los siguientes problemas:
- Bloqueo magnético, donde el rotor intenta alinearse con ciertos dientes del estator repetidamente, lo que genera un par pulsante.
- Aumento del ruido y la vibración, especialmente bajo cambios de carga.
- Mayores pérdidas de hierro y cobre reducen la eficiencia general del motor.
Para mitigar estos efectos, los ingenieros prefieren combinaciones de ranuras no enteras. Por ejemplo, un estator con 36 ranuras podría combinarse con un rotor con 28, 29 o 31 ranuras. Esta asimetría rompe la interacción armónica periódica y mejora la distribución del flujo en el entrehierro.
Estas interacciones electromagnéticas se simulan y visualizan con frecuencia en el diseño de motores mediante el análisis de elementos finitos (FEA). Esto permite optimizar el número de ranuras antes de producir los prototipos físicos.
Par de cogging y ruido
El par de cogging es una forma específica de ondulación del par causada por la tendencia de los dientes del rotor a alinearse con las ranuras del estator cuando no se aplica corriente. Este efecto resulta problemático en aplicaciones que requieren un movimiento suave, como ascensores, máquinas CNC y robótica.
La magnitud del par de cogging está directamente relacionada con:
- El número de ranuras y si los conteos de estator y rotor comparten múltiplos comunes.
- El paso de ranura, o el espacio entre ranuras adyacentes.
- Las propiedades del material magnético de los núcleos del estator y del rotor.
Las técnicas de diseño para reducir el par de cogging incluyen:
- Selección de números de ranuras de estator y rotor sin factores compartidos.
- Inclinando ligeramente las barras del rotor a lo largo de la dirección axial se promedian las fuerzas de dentado a lo largo de la longitud del rotor.
- Utilizando devanados de ranura fraccionaria, que distribuyen las fuerzas magnéticas de forma más uniforme.
Al minimizar el par de torsión, los diseñadores de motores pueden reducir la vibración, el ruido y el desgaste de los cojinetes, mejorando la calidad general y la vida útil de la máquina.
Número de ranuras del rotor y características de arranque
Los números de ranuras también influyen en el comportamiento del motor durante el arranque, una etapa crítica del rendimiento para los motores asíncronos.
- Un mayor número de ranuras del rotor reduce la reactancia de fuga y aumenta la resistencia durante el arranque, lo que reduce la corriente de entrada pero potencialmente reduce el torque.
- Menos ranuras de rotor ofrecen un mayor par de arranque, lo que puede ser útil en aplicaciones con cargas iniciales elevadas, pero también da como resultado un mayor consumo de corriente.
Para equilibrar estas necesidades en competencia, algunos diseños utilizan:
- Rotores de barras profundas, que proporcionan mayor resistencia en el arranque y menor resistencia durante el funcionamiento normal debido al efecto pelicular.
- Rotores de doble jaula, que cuentan con dos juegos de barras de rotor con diferentes características de resistencia y reactancia para optimizar el rendimiento tanto de arranque como de funcionamiento.
En motores conectados directamente a la red eléctrica (arrancadores directos), el diseño de las ranuras del rotor es especialmente importante para gestionar la tensión eléctrica y garantizar una aceleración suave. En sistemas accionados por inversor, la optimización de las ranuras puede complementar las estrategias de control electrónico para mejorar la eficiencia y el control del par.
Consideraciones térmicas y de eficiencia
El número y la forma de las ranuras afectan no solo el rendimiento electromagnético, sino también la generación y disipación de calor en el motor.
Los principales impactos térmicos incluyen:
- Las pérdidas de cobre (pérdidas I²R) están influenciadas por la densidad con la que se pueden empaquetar los devanados en las ranuras del estator.
- Pérdidas en el núcleo, incluidas las pérdidas por histéresis y por corrientes parásitas, que dependen de la forma de onda del campo magnético (nuevamente, influenciadas por el número de ranura).
- Eficacia de refrigeración, ya que las ranuras del rotor actúan como conductos de calor. Su forma y profundidad influyen en la rapidez con la que el calor se transfiere a la superficie exterior y finalmente se disipa.
Los diseñadores deben equilibrar cuidadosamente el factor de llenado de las ranuras (la cantidad de cobre utilizada) con el área disponible del núcleo (para evitar la saturación magnética). Usar demasiadas ranuras reduce el ancho del diente, lo que aumenta la densidad del flujo magnético y la probabilidad de calentamiento del núcleo.
El software de simulación térmica, a menudo combinado con modelado electromagnético, ayuda a identificar puntos calientes y evaluar si la configuración de la ranura proporciona un enfriamiento adecuado para la aplicación prevista.
Aspectos mecánicos y estructurales
Mecánicamente, la configuración de las ranuras puede afectar la integridad estructural del estator y del rotor.
- Demasiadas ranuras dan como resultado dientes más delgados entre ellas, lo que reduce la capacidad del componente para soportar estrés mecánico, especialmente bajo altas velocidades de rotación o impactos de carga.
- Los espacios estrechos tienden a concentrar la tensión mecánica, lo que con el tiempo puede provocar fatiga o rotura.
- Las ranuras inclinadas, si bien son ventajosas desde el punto de vista electromagnético, pueden reducir la rigidez torsional del rotor, lo que requiere materiales más resistentes o compensaciones de diseño.
En motores diseñados para operar a alta velocidad, como los de 2 polos que operan a 3000 RPM (50 Hz), estos factores se vuelven particularmente críticos. En este caso, el motor debe soportar las fuerzas centrífugas sin deformarse ni desequilibrarse.
Como regla general, los motores de alta velocidad están diseñados con una cantidad moderada de ranuras y materiales reforzados, equilibrando los beneficios electromagnéticos con la confiabilidad estructural.
Mejores prácticas y combinaciones de tragamonedas
Ciertas combinaciones de ranuras de estator y rotor se han convertido en estándares de la industria para aplicaciones específicas, equilibrando la eficiencia, el torque suave, la capacidad de fabricación y el costo.
| Ranuras del estator | Ranuras del rotor | Solicitud |
| 36 | 28, 29 | Motores industriales de uso general |
| 48 | 37, 38 | Motores de alta eficiencia o alimentados por inversor |
| 72 | 56, 58 | Ventiladores grandes, compresores y variadores de potencia |
| 24 | 20, 22 | Motores de pequeña potencia fraccionaria |
Pautas de diseño:
- Evite los números de ranuras de estator y rotor que compartan un MCD > 1.
- Aplique la inclinación del paso de ranura del estator cuando sea posible.
- Para verificar el rendimiento, utilice el análisis térmico y el análisis de elementos finitos (FEA) al comienzo de la fase de diseño.
Estas combinaciones ayudan a minimizar la ondulación del torque, el ruido acústico y la complejidad de fabricación al tiempo que brindan un rendimiento sólido en una variedad de condiciones operativas.
Ejemplo de estudio de caso
Un fabricante de bombas experimentaba un nivel elevado de ruido y una menor fiabilidad con el diseño de su motor asíncrono de 15 kW. Originalmente, tanto el estator como el rotor se fabricaban con 36 ranuras. Durante el arranque, los niveles de vibración eran elevados y los usuarios informaron de fallos prematuros en los rodamientos.
Después de la simulación y el análisis, el número de ranuras del rotor se cambió de 36 a 29, y las barras del rotor se inclinaron un paso de ranura.
Resultados:
- Los niveles de ruido se redujeron en 7 dB.
- El par de arranque aumentó un 15%.
- La vida útil (basada en pruebas de envejecimiento acelerado) mejoró en un 22%.
- Las quejas de los clientes se redujeron en un 80% durante el primer año del rediseño.
Este ejemplo muestra cómo incluso pequeños cambios en los números de ranuras pueden generar ganancias cuantificables en el rendimiento en el mundo real.
