Tom Bishop, P.E.
Especialista Sénior de Soporte Técnico de EASA

A menudo, determinar la fuente del ruido en un motor eléctrico es más un desafío que corregirla. Sin embargo, un enfoque metódico puede reducir las causas posibles y por consiguiente facilitar la resolución del problema. Una advertencia aquí es que, si el ruido está relacionado con el diseño del motor, es decir, por un defecto de fabricación, puede que no sea posible o que no sea práctico obtener una solución.

En un motor eléctrico existen tres fuentes principales de ruido: Magnética, mecánica y por ventilación. Aquí discutiremos las causas y las características de cada una de ellas, proporcionando directrices para eliminar o reducir el ruido asociado con dichas fuentes.

Ruido Magnético
El ruido magnético, también denominado “ruido electro magnético” o “ruido eléctrico” es el resultado de fuerzas mecánicas (Ej. Presión), que se presentan, cuando las partes magnetizadas del motor son atraídas y repelidas entre sí por un campo magnético alterno. El campo magnético alterno excita la vibración y el ruido al doble de la frecuencia de línea (Ej. Se escucha un Humm). Ya que el campo magnético alterna solo cuando el motor está energizado, esto le proporciona al usuario una pista: Si el ruido cesa inmediatamente después de cortar la alimentación, la causa es magnética.

Normalmente, la segunda causa de ruido en los motores de 2 y 4 polos es magnética (la ventilación es la primera) y en los motores de 6 polos o más puede ser la primera. La razón principal es que los motores de baja velocidad (mayor número de polos) tienen yugos más pequeños que los núcleos de los motores de alta velocidad (menor número de polos). Ver Figura 1. Esto hace que el yugo más susceptible a la deformación y produce altas magnitudes de vibración con fuerzas pequeñas. Los motores de baja velocidad (6 polos o más) son más propensos a tener niveles de ruido más altos debido al entrehierro más pequeño y a los efectos de la excentricidad por rodamientos y ajustes de alojamientos fuera de tolerancia.

Si la fuente principal del ruido del motor es magnética, el ruido global tiende a incrementarse con la carga (ver Tabla 1). Normalmente, en los motores de 2 y 4 polos, la diferencia en el nivel de ruido global, en vacío o en carga, es pequeña, Pero esta puede llegar a ser significativa en motores de 6 polos o más.  

Hacer el entrehierro lo más grande posible durante el proceso de diseño (siempre que el factor de potencia siga siendo aceptable) reduce el ruido magnético. De igual forma, reducir la densidad magnética del flujo en el entrehierro utilizando un núcleo más largo disminuye las fuerzas magnéticas derivadas de las variaciones del entrehierro y por lo general mejora el factor de potencia, La fuerza magnética asociada con la densidad de flujo del entrehierro es proporcional al cuadrado de la densidad de flujo del entrehierro. Por lo tanto, un cambio en la densidad de flujo del entrehierro relativamente pequeño puede resultar en un cambio muy grande en la atracción magnética.  

El centro de servicio puede realizar un rediseño para un nivel de flujo más bajo si se puede reducir la potencia del motor. Otra acción que puede ayudar a reducir el ruido magnético es efectuar una simple inmersión en barniz y secado en horno del bobinado.

Retomando las consideraciones durante el proceso de diseño del motor, emplear ranuras cerradas nunca causa que el ruido se incremente. Por esta razón, se prefieren rotores con ranuras cerradas, De igual forma, los estatores de alambre redondo deben utilizar ranuras semi cerradas, envés de ranuras abiertas. Además, el ancho de la ranura se debe mantener al mínimo. Tenga en cuenta esto por si alguna vez contempla ampliar el ancho de la ranura para facilitar la inserción del alambre. 

Otro problema de diseño es el ruido por deslizamiento, que es un latido de baja frecuencia de las componentes de alta frecuencia. Debido a que es intermitente, este ruido puede ser cuestionable, aunque su nivel sea relativamente bajo. Siendo función del deslizamiento, es más notorio bajo carga, con la frecuencia variando directamente con el deslizamiento. A menudo, este ruido se encuentra asociado a defectos en la uniformidad de los rotores tipo jaula de ardilla, en cuyo caso será requerido un rotor nuevo. Tenga en cuenta que una barra o un anillo de la jaula rotos también pueden causar ruido por deslizamiento. 

Un rotor o estator con ranuras inclinadas (típico de los motores) reduce el ruido magnético. Sin embargo, no existe consenso de cuál es el valor de inclinación óptimo. Además, el ruido producido por la variación de los diferentes valores de inclinación no se puede calcular de forma precisa. A menudo se sugiere que el rotor o el estator tengan al menos una ranura inclinada; el que tenga menos número ranuras. Inclinar menos de una ranura no es efectivo para reducir de forma apreciable el ruido magnético y más inclinación generalmente sacrifica el desempeño del motor. 

Algunas configuraciones pueden producir un ruido magnético objetable. Si el número de circuitos del bobinado es el doble del número de polos, utilizar puentes extra largos puede reducir el ruido magnético. Un ejemplo sería una conexión de 3 circuitos para un bobinado de 6 polos, que usaría puentes 1-10 para disminuir el ruido. Bobinados fraccionarios desbalanceados pueden ocasionar desbalanceo de corriente y vibración al doble de la frecuencia de línea, con el respectivo ruido. También, un error en la secuencia de agrupamiento del bobinado puede resultar en bobinas desiguales por circuito, que a su vez producirán circulación de corrientes y ruido magnético.

Otra fuente de ruido magnético es la combinación ranuras rotor-estator. Las combinaciones de ruido potenciales que resultan de restar las ranuras del estator y del rotor son +/- 1 y +/- 2 o +/- 1, +/- 2 el número de polos. La Tabla 2 proporciona combinaciones aplicables a algunos devanados entre 2 y 48 polos.  

Nota: La inclinación de las ranuras antes mencionada se puede usar para reducir el ruido magnético. Por tal razón, si el rotor o el estator tienen al menos una ranura inclinada en su circunferencia, no se esperan problemas derivados por la combinación de ranuras estator-rotor.

Un entrehierro irregular causa atracción magnética, que puede causar grandes fuerzas magnéticas en la dirección donde el entrehierro es más pequeño, como lo muestra la Figura 2 Esto conlleva a deformación estructural del estator, rotor y la carcasa del motor y genera ruido magnético. Hacer funcionar el motor con voltaje reducido es una herramienta simple de diagnóstico. Por ejemplo, si el motor tiene ruido a pleno voltaje, pero suena bien con la mitad del voltaje, enfóquese en el entrehierro. Busque problemas en alojamientos de rodamientos mal mecanizados o un rotor excéntrico, 

Las causas de un entrehierro irregular son:

• Rotor excéntrico
• Estator excéntrico
• Eje torcido
• Ajustes de rodamientos en el eje mecanizados fuera de centro con el cuerpo del rotor
• Alojamientos de rodamientos en tapas o cojinetes de deslizamiento excéntricos
• Ajustes de las tapas con el estator excéntricos
• Carcasa distorsionada

El efecto de las variaciones de fabricación en el ruido magnético es más significativo en los motores de 4 polos o más. La razón para esto es que el entrehierro de los motores de 2 polos es más grande, haciendo que el margen de error sea más pequeño en los motores de 4 polos o más. Por ejemplo, un entrehierro para un estator de 2 polos con un diámetro exterior de 22″ (560 mm) puede ser de 0.055″ (1.4 mm); mientras que para el mismo estator de 6 polos podría ser de 0.022″ (0.55 mm).

Un método que ayuda a reducir el ruido magnético en los motores de pletina o de solera es usar cuñas magnéticas ya  que estas reducen las fuerzas tangenciales que se aplican sobre el diente.

Ruido mecánico
Todo ruido es de origen mecánico y ocurre cuando las ondas de presión se transmiten ya sea por aire, o por materiales líquidos o sólidos. Las componentes de frecuencia de ruido que se pueden escuchar con el oído humano están por lo general en un rango de 20 Hz a 20 kHz.  

La componente de ruido magnético en un motor es el resultado de la presión mecánica producida cuando las partes de material magnético son atraídas y repelidas entre sí debido a la acción de un campo magnético alterno. Además, debido a que el motor tiene una parte interna rotativa (rotor), se transfieren fuerzas desbalanceadas a la carcasa como ruido.  

Un núcleo de estator suelto en la carcasa causará un zumbido. Si el motor tiene una carcasa de acero laminado, usted puede verificar si el núcleo está suelto, golpeando el exterior de la carcasa con un martillo mientras el motor está funcionando. Si el impacto deforma el ajuste del estator con la carcasa, el nivel de ruido cambiará o incluso podría parar. En sentido estricto, la fuente del ruido es magnética y entonces el ruido debe parar al desconectar la energía.

La fricción física entre las componentes de un motor es otra fuente de ruido mecánico. Las causas posibles incluyen rodamientos desgastados o dañados, contacto del ventilador externo con la cubierta o caperuza, contacto del ventilador interno con los deflectores de aire y el contacto rotor y estator, Estos problemas se pueden solucionar remplazando los rodamientos ruidosos, asegurándose que los ventiladores están situados correctamente y garantizando que la concentricidad rotor-estator está dentro de tolerancia de concentricidad. Las máquinas con escobillas pueden producir ruido asociado al contacto de las escobillas con los anillos rozantes o el colector o por escobillas girando sobre un colector con mica alta.

Los rodamientos son una fuente frecuente de ruido mecánico en el motor. Además del roce mencionado antes, nos expandiremos en otros temas relacionados con el ruido en los rodamientos.

El ruido excesivo en los elementos rodantes puede ser causado por bolas o rodillos no uniformes, acabados pobres de las superficies, traqueteo y excentricidad del retenedor de bolas o rodillos. Estos dan como resultado ruido de impacto o excitación de resonancia en los alojamientos del rodamiento, deflectores y otras partes que son relativamente eficientes para irradiar ruido.  

El ruido mecánico emitido desde algunas de estas fuentes es difícil de identificar, Ejemplos de algunos de ellos son: 

• La formación de estrías (Brinelling) se caracteriza por ruidos con tonos bajos
• Rodamientos sucios causan ruido agudo
• Rodillos o bolas patinando a bajas temperaturas con lubricación insuficiente producen ruido de alta frecuencia
• Un ruido intermitente que suena pop-pop (popping) es a menudo producido por la grasa. 

Un ruido en el rango de frecuencia de 100 a 300 Hz puede ser causado por el paso de las bolas o rodillos y es característico de los rodamientos con elementos rodantes. Este generalmente es de baja amplitud y físicamente no es perjudicial a no ser que excite la frecuencia natural de cualquiera de las partes del motor y produzca una vibración dañina.  

Uno de los mejores métodos para reducir y amortiguar el ruido en los rodamientos es usar una arandela para precargar el rodamiento axialmente. La arandela actúa como un resorte que ejerce una fuerza, usualmente en la pista externa de un rodamiento de bolas axialmente libre (normalmente en el lado opuesto acoplamiento). La fuerza entre el rodamiento axialmente libre elimina las holguras internas, causando que cada bola siga el mismo camino de rodadura en cada rodamiento. 

Por consiguiente, la precarga de los rodamientos disminuye el ruido debido al golpeteo entre la pista y la jaula, disminuye la generación de vibraciones de alta frecuencia y mejora el balanceo dinámico al eliminar la soltura de los rodamientos. Sin embargo, demasiada precarga produce ruido de baja frecuencia y un posible recalentamiento de los rodamientos. 

El ruido por fricción en los rodamientos se presenta por lubricación insuficiente entre dos superficies de deslizamiento. Es causado por la vibración de alto impacto que resulta del contacto rápido e intermitente entre las superficies de contacto. Los cojinetes de deslizamiento exhiben este fenómeno cuando la película de aceite es insuficiente, mientras que los rodamientos de bolas o rodillos comúnmente experimentan contacto por deslizamiento debido a la falta de precarga. El ruido donde ocurre el punto de contacto ocurre es de alta frecuencia, con un sonido parecido al silbido del aire. Cuando el impacto de la vibración es transmitido a una parte resonante dentro del motor, el sonido se puede describir como un chirrido. 

Cualquier parte estructural de un motor se puede convertir en una fuente de ruido a través del aire si es excitada a su frecuencia natural con energía suficiente. Por ejemplo, un desbalanceo rotativo puede que no emita un ruido audible a través del aire, pero puede actuar como una fuente de energía para vibración, la cual entonces es transmitida a través de la estructura de soporte. La vibración se convierte luego en ondas de sonido transportadas por el aire en el componente resonante. Por ende, la parte que vibra pone el aire en movimiento, haciéndolo parecer como si fuese la fuente de ruido. Si la parte que vibra es un deflector de aire o una cubierta de goteo (sombrerete) o un componente similar, a menudo se puede usar un amortiguador de ruido para cambiar el movimiento vibratorio en energía térmica haciendo uso de la fricción interna del material. Un ejemplo de este método de reducción de ruido sería aplicar silicona RTV vulcanizada a temperatura ambiente entre un deflector de aire y una tapa. La emisión de ruido transmitido por el aire creado dentro del motor puede reducirse usando materiales que absorban el sonido. Este tipo de materiales son porosos y absorben las ondas de sonido que pasan por los poros y la convierten en energía térmica. La capacidad de absorción de estos materiales aumenta con su densidad, estanqueidad, porosidad y grosor. Si es posible, la barrera debería encerrar completamente la fuente. Un posible inconveniente al usar material absorbente de sonido es que se puede restringir el flujo de aire o la transferencia de calor, aumentando así la temperatura del motor.

Ruido por ventilación
El ruido por ventilación normalmente representa la mayoría de todo el ruido producido en un motor eléctrico y es más significativo en motores de alta velocidad (Ej.2 y 4 polos). Es causado por la presencia de obstrucciones en la vecindad de la parte rotativa, que mueve el aire y crea turbulencia. Por lo tanto, para reducir el ruido por ventilación se deben minimizar las obstrucciones en la ruta del flujo de aire de enfriamiento. El ruido por ventilación difiere de la mayoría de las fuentes de ruido en el motor ya que se crea en la corriente de aire envés de en las partes del motor. En la mayoría de los casos, se trata de un ruido de banda ancha (amplio rango de frecuencias) sin componentes significativos de tono puro (forma de onda sinusoidal). La mayor parte del ruido por ventilación en los grandes motores con encerramientos abiertos, proviene de la acción del ventilador de las barras del rotor, no de los ventiladores de refrigeración o las aletas. Debido a esto, una reducción en el diámetro del ventilador de enfriamiento probablemente no dará como resultado una reducción significativa en el flujo de aire de refrigeración. Además, los grandes motores abiertos pueden exhibir vibraciones inducidas por el flujo de aire que se pueden reducir cambiando el número de aspas del ventilador. 

Los grandes motores abiertos con ductos de ventilación radial a través del rotor y el estator pueden producir componentes de tono puro de ruido del flujo de aire que son irritantes. Normalmente la frecuencia es superior a 1000 Hz y el ruido a menudo se denomina efecto sirena. El ruido en sí es producido por la interrupción repentina del flujo de aire que sale de los ductos radiales en el rotor. Para reducir los niveles de ruido puede ser beneficioso desalinear los ductos del rotor con respecto a los del estator. En los motores totalmente cerrados enfriados por ventilador (TEFC) una reducción del diámetro del ventilador externo o el cambio del tipo de ventilador, especialmente en aplicaciones con sentido de giro definido, es muy eficaz para reducir el ruido. El inconveniente principal es que cualquier reducción en el ventilador o en la trayectoria de ventilación hará que el motor funcione más caliente y por lo tanto reducirá la vida útil del lubricante y del devanado. El nivel de ruido de la frecuencia de las aspas del ventilador de un motor TEFC también se puede reducir aumentando el espacio entre el ventilador y las partes estáticas o usando un espaciamiento asimétrico de las aletas del ventilador. 

El aire que fluye alrededor o contra las superficies produce turbulencia; una fuente de ruido objetable. Desde una perspectiva de diseño y fabricación, algunas consideraciones para evitar problemas por el ruido por ventilación son: 

• Eliminar bordes afilados y rebabas en todas las partes que están en contacto con la corriente de aire
• Usar una trayectoria de flujo de aire corta y aerodinámica
• Mantenga la sección transversal de la trayectoria de flujo de aire lo más grande posible o lo más larga posible.
• Minimice los cambios abruptos en la dirección del flujo del aire
• Mantenga las superficies de contorno lisas
• Proporcione cambios graduales en la sección de la trayectoria del flujo de aire

Cuando se este luchando con un problema de ruido por ventilación, use los puntos anteriores para evaluar el diseño del circuito de flujo de aire en el motor.

DISPONIBLE EN INGLÉS

Categories: Technical topics, AC motors, DC motors, Troubleshooting & failure analysis

Tags: Noise

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