Jim Bryan
Especialista de Soporte Técnico de EASA

 El motor de inducción de jaula de ardilla funciona cuando se aplica tensión al bobinado del estator que induce, a través del entrehierro un voltaje en el circuito del rotor. El rotor de jaula de ardilla está formado por un núcleo o paquete magnético con ranuras que alojan un determinado número de barras conductoras y anillos de cortocircuito que fijan todas las barras entre sí. La jaula de ardilla está hecha con  barras conductoras y anillos generalmente fabricados con aleaciones de cobre o aluminio. En la Figura 1 se puede apreciar una jaula de ardilla sin el núcleo o paquete magnético.

Campos magnéticos
Cuando se energiza el estator con potencia trifásica sinusoidal, puede afirmarse que la cresta o pico de la onda sinusoidal viaja por todo el bobinado. Como este pico se desplaza sobre un conjunto de barras separadas un paso polar, induce en estas barras un voltaje de forma similar a como lo hace el primario de un transformador en el secundario. Los anillos de la jaula de ardilla proporcionan un camino para el flujo de corriente producido por este voltaje inducido (ver Figura 2). Siempre que una corriente fluye a través de un conductor, se forma un campo magnético. El pico rotativo de la onda sinusoidal de voltaje crea un campo magnético giratorio. (Ver Figura 3). La corriente inducida en las barras del rotor crea el campo magnético correspondiente con polaridad opuesta. Estas polaridades opuestas se atraen entre sí por lo que el campo magnético del rotor trata de seguir al campo del estator, produciendo de este modo el par que hace girar el eje. El campo del rotor no gira a la misma velocidad que el campo del estator. Esta diferencia de velocidades se denomina deslizamiento y produce la corriente que da como resultado el par. Entre mayor sea la diferencia de velocidades, más alto será el par producido. Cuando la carga del motor aumenta y se demanda más par, el motor gira más lento con respecto a su velocidad sincrónica; esto se denomina aumento del deslizamiento. Cuanto más carga exista mayor es el deslizamiento y el motor girará más despacio.

Material de las barras del rotor 
Los materiales y la forma constructiva de las barras conductoras y anillos del rotor, tienen un efecto importante en la curva de torque y en el deslizamiento. Como se puede observar en la Figura 4, el par producido sigue una curva basada en estos parámetros. La National Electrical Manufacturers Association (NEMA) y el International Electrotechnical Commission (IEC) clasifican estas curvas como clases que son utilizadas para determinar si el diseño de un motor es adecuado para una determinada aplicación. Como se muestra en la Tabla 1, las letras que dan nombre a cada uno de estos diseños, tienen valores mínimos de par establecidos en los puntos importantes de la curva.

La conductividad del material de las barras del rotor (lo inverso de la resistividad), afecta esta curva. Por lo general, a menor conductividad mayor es el par de arranque. La Tabla 2 lista la conductividad de varios materiales que pueden ser utilizados comúnmente en la fabricación de un rotor. Los diseñadores usan estas propiedades para escoger los materiales del rotor. Por ejemplo, para alcanzar los valores de par requeridos por cierta aplicación, un diseñador ha escogido aluminio puro (M2) con una conductividad del 50-55%. Si decidimos reemplazar las barras y los aros de la jaula con cobre puro (M50), la conductividad aumentará al 100% y el torque de arranque será menor. Si queremos utilizar cobre, una aleación como el bronce M42 con conductividad del 55% dará como resultado una curva de par muy parecida a la original.

Forma constructiva de las barras del rotor
La forma constructiva de la barras del rotor utiliza el efecto piel del conductor. Es decir, entre más elevada sea la frecuencia, la corriente fluye más cerca de la superficie externa del conductor. El material en el centro de la barra conductora no se utiliza en su totalidad. En la Figura 5 podemos ver una muestra original de un cable de una línea de transmisión de la central eléctrica de Hoover Dam en los Estados Unidos.

Este utiliza el efecto piel dejando el conductor hueco y un anillo de material conductor con un espesor de solo 0.125 " (3 mm). El resultado final fue el de una línea de transmisión mucho más liviana y con la posibilidad de ser refrigerada a través del cable.

La frecuencia de la corriente en el circuito del rotor es igual a la frecuencia de deslizamiento. En el arranque, el deslizamiento es del 100%, por lo que la frecuencia del rotor es igual a la frecuencia de línea, que sería 60 hertz (Hz). En ese momento, debido al efecto piel, la corriente se concentra en la parte de la barra más cercana al entrehierro, como lo muestra la Figura 6. A medida que el motor acelera, el deslizamiento disminuye y la frecuencia del rotor baja. A plena carga, la frecuencia será muy pequeña. Por ejemplo, si un motor tiene una velocidad sincrónica de 1800 rpm y su velocidad a plena carga es de 1740 rpm, su deslizamiento es 1800 - 1740 = 60 rpm. Dividiendo 60 rpm entre 60 segundos/minuto obtenemos un ciclo por segundo ó 1 Hz. Cuando esto ocurre, la corriente se distribuye uniformemente a través de la sección transversal de la barra, como se aprecia en la Figura 7.

Algunas de las posibles formas constructivas de las barras conductoras se pueden ver en la Figura 8. Muchas de ellas aprovechan el efecto piel para incrementar el torque de arranque. La parte superior de la barra conductora más cercana al entre hierro tiene una menor sección transversal disminuyendo así la conductividad en esta zona. Esto se denomina doble jaula de ardilla ya que originalmente la jaula fue fabricada con dos barras de diferente tamaño y de distinto material. Esta disminución en la conductividad eleva el par cuando el motor acelera y cuando este alcanza su velocidad nominal, utiliza la barra completa para transportar la corriente sin que la barra se recaliente.

Combinación entre las ranuras del estator y las barras de rotor
Otro factor importante para el diseño del rotor es la relación obtenida al comparar el número de barras del rotor con el número de ranuras del estator. Si una cantidad suficiente de barras del rotor se alinean con las ranuras del estator, el par puede verse afectado. Es el des-alineamiento entre las barras del rotor y las ranuras del estator, el que produce el par; entre más barras se alineen, se obtiene un par menor. Los problemas ocasionados por esto son la variación del par a muy bajas velocidades (cogging) y la disminución del par cuando el motor empieza a acelerar (cusp). Un tercer problema puede ocurrir si esta combinación produce resonancia en los componentes del motor. El ruido eléctrico causado por las partes en resonancia puede llegar a ser muy fuerte. Para la discusión que nos ocupa nos centraremos en los problemas que afectan al par. La Tabla 3 muestra las combinaciones ranura-barra que son conocidas por ocasionar este tipo de problemas. Reste el número de barras del rotor del número de ranuras del estator. Si el resultado coincide con uno de los números de la tabla, esto nos indica un problema parecido. Estas combinaciones deben evitarse. Para obtener más información sobre este tema y cómo solucionar estos problemas utilizando ranuras inclinadas, consulte el artículo “The effect of rotor skew, cusp and cogging on motor starting” publicado en la revista Currents de EASA, en mayo de 2015.

Conclusión
A pesar que el rotor aparente ser una caja negra, se deben solucionar varias cuestiones para realizar un diseño adecuado y poder conservar la contribución del rotor a la aplicación del motor. Variar estos parámetros producirá cambios en el desempeño del motor que pueden llegar a ser perjudiciales para la aplicación del motor. Comprender la interacción entre el estator y el rotor contribuye a  utilizar el equipo de forma confiable y exitosa.

DISPONIBLE EN INGLÉS

Categories: AC motors, Rotors, Design/theory/application

Tags: Rotor design

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