Avance de motores asíncronos

Para reducir el consumo eléctrico y las consiguientes emisiones de CO2 es necesario seguir optimizando conceptos conocidos y establecidos. Gerhard Thumm comparte cómo los motores asíncronos pueden volverse más eficientes y avanzados.

Las regulaciones gubernamentales exigen niveles cada vez más bajos de emisiones de CO2 en diversas áreas. Para cumplir con estos requisitos, es necesario mejorar continuamente el consumo general de energía. Esto incluye motores eléctricos. Aproximadamente el 38% de la electricidad mundial es consumida por motores eléctricos en edificios y aplicaciones industriales. Un tipo común de motor eléctrico es el motor de inducción trifásico. Las mejoras de este tipo pueden proporcionar beneficios de eficiencia y sostenibilidad.

Las máquinas asíncronas (ASM) se componen de dos componentes: el estator fijo exterior y el rotor giratorio interior. A diferencia de los motores síncronos de imanes permanentes, estas máquinas no requieren costosos materiales de tierras raras. Como resultado, su uso en aplicaciones automotrices ha ido en aumento en los últimos años. El tamaño compacto del ASM es otra ventaja sobre un motor síncrono. Esto lo hace ideal para máquinas pequeñas y livianas con poco espacio para componentes más grandes. Aquí es donde las matemáticas simples entran en escena: obtener más potencia con menos peso dará como resultado una mayor eficiencia general.

Cabe destacar especialmente el potencial de desarrollo de esta máquina. Una forma de aumentar las velocidades circunferenciales y, lo que es más importante, la eficiencia es utilizar materiales de cobre. Los estudios han demostrado que es posible aumentar el rendimiento de los sistemas ASM en un factor de 2 a 3.

Utilizando estos conocimientos, el grupo Wieland desarrolló un anillo de cortocircuito rediseñado compuesto por anillos terminales segmentados.

La característica clave de este diseño es que los anillos de sombra constan de varios discos. Estos discos están perforados por las varillas formadoras en una nueva configuración que permite que los conjuntos de jaula se suelden entre sí. Las barras y discos de soldadura forman una jaula cerrada, lo que permite un diseño de rotor flexible que se puede adaptar para cumplir con los requisitos específicos de la aplicación sin dejar de ser rentable.

Este alto grado de libertad geométrica conlleva una cierta complejidad, que sólo se puede dominar aprovechando la experiencia adquirida en proyectos anteriores. Para cumplir de la mejor manera posible con los nuevos requisitos, los ingenieros y directores de proyectos de Wieland pueden acceder a un gran conjunto de geometrías implementadas con éxito.

Al permitir el uso de diferentes materiales en el anillo final, este nuevo diseño es muy adecuado para aplicaciones que requieren altas densidades de potencia, clases de alta eficiencia y altas velocidades circunferenciales. Las aplicaciones principales incluyen máquinas de tracción para automóviles y ferrocarriles y accionamientos de husillo para máquinas herramienta.

El diseño robusto permite una amplia gama de posibilidades de desarrollo y mejora, ya que la simple elección del material adecuado puede marcar una gran diferencia en el rendimiento térmico y energético.

Wieland ofrece componentes de rotor, así como rotores completos de cobre. El cobre tiene aproximadamente un 50% más de conductividad eléctrica y mejores propiedades mecánicas en comparación con el aluminio, y también mejora la eficiencia de los MAPE. Por tanto, los rotores hechos de cobre son un componente clave en las máquinas de alta velocidad, donde la temperatura, la potencia y la densidad de energía son fundamentales.

En la mayoría de los demás procesos de fabricación, los altos niveles de choque térmico y temperaturas durante el proceso de fabricación del rotor son críticos para las herramientas y los componentes de la jaula que se utilizan. La fatiga térmica de componentes y herramientas suele ser inevitable debido a las altas temperaturas. La microestructura del componente suele ser muy blanda después de la producción, mientras que en el nuevo diseño los anillos de cortocircuito se componen de varios discos individuales. Después de que las barras formadoras se hayan insertado en la pila de hojas, los anillos extremos se montan encima de la pila de hojas sobre los perfiles de las barras formadoras. Este diseño permite geometrías de anillo de extremo "híbridas". Es decir, se pueden combinar diferentes materiales de cobre o anillos terminales de acero.

La ventaja de la MAPE es que las jaulas se fabrican mediante métodos industriales establecidos, lo que permite producir cualquier forma con alta resistencia mecánica. De este modo, los perfiles de cobre de los rotores ASM de alta velocidad se pueden adaptar a los requisitos eléctricos y mecánicos, creando microestructuras de grano fino y altamente conductoras.

El rotor correcto

Como se describe en un artículo anterior en International Transport Manufacturer sobre el rotor de porosidad cero, este proceso puede garantizar una porosidad del 0%. Sin embargo, los procesos de fundición que cumplen con altos estándares industriales significan que los componentes del ASM construido también pueden tener las mismas propiedades materiales.

Wieland ofrece ambos tipos de rotores listos para su uso inmediato, pero se diferencian en su ámbito de aplicación. El rotor ZRP está diseñado para usarse principalmente en el rango de alta potencia. El rotor construido, por otro lado, es más adecuado para requisitos más específicos, ya que el método de ensamblaje crea más espacio de ingeniería, lo que permite más variaciones en resistencia y diseño para satisfacer los requisitos del cliente.

Gerhard Thumm es Desarrollo de Negocios de Productos de Ingeniería enobras de Wieland.