Tom Bishop, P.E.
Especialista Sénior de Soporte Técnico
Aunque la tracción magnética desbalanceada puede afectar a otras máquinas eléctricas rotativas, como los motores y generadores de CC y monofásicos, nuestro enfoque en este artículo se centrará en los motores jaula de ardilla trifásicos. Los dos temas principales son: La tracción magnética desequilibrada (UMP) y el descentrado del rotor (pullover). Para mayor claridad, comenzaremos por definir y explicar brevemente estos términos.
Tracción magnética desbalanceada
La tracción magnética desbalanceada (UMP) ocurre cuando el rotor no se encuentra perfectamente centrado en el entrehierro que lo separa del estator, o el campo magnético no es perfectamente uniforme en todo el entrehierro. El resultado es que la tracción magnética entre el rotor y el estator no produce exactamente la misma fuerza en todo el entrehierro. En pocas palabras, la UMP se presenta cuando el entrehierro o el campo magnético entre el estator y el rotor no es perfectamente uniforme. Por ende, en cualquier motor real (no ideal) siempre existirá algún nivel de UMP.
Vibración a dos veces la frecuencia de línea
Una fuente de energía produce una fuerza de atracción electromagnética entre el rotor y el estator que da como resultado una frecuencia de vibración igual a dos veces la frecuencia de la fuente (Vibración a dos veces la frecuencia de línea). Esta vibración es extremadamente sensible a la planitud de las patas del motor, a la rigidez de la base y la carcasa y a que tan uniforme se encuentre el entrehierro entre el rotor y el estator a todo lo largo del diámetro del estator. Esto también está influenciado por la excentricidad del rotor.
Nota: Reducir la UMP normalmente también disminuye el nivel del ruido eléctrico.
Un error común es que la vibración al doble de la frecuencia de línea varía con la carga. Esto proviene de la creencia de que la excitación de la vibración al doble de la frecuencia de línea se debe a un campo magnético generado por la corriente en el estator que varía con la carga y crea una fuerza magnética que varía con la corriente de carga al cuadrado. Sin embargo, la fuerza de los amperio-vuelta del estator y del rotor tienden a equilibrarse entre sí, excepto por los amperios-vuelta de magnetización que son creados por la corriente en vacío del motor. Por lo tanto, la componente principal de la vibración al doble de la frecuencia de línea se crea por una tracción magnética desequilibrada debido a la asimetría del entrehierro y tiende a no cambiar con la carga.
En los motores de 2 polos, el nivel de vibración al doble de la frecuencia de línea puede parecer que modula con el tiempo debido a su estrecha relación con la vibración al doble de la frecuencia de rotación. Los problemas en un motor como un roce, piezas sueltas, un eje de salida doblado o muñones de cojinetes elípticos también pueden causar vibraciones al doble de la frecuencia de rotación.
Entrehierro asimétrico
Los niveles de vibración al doble de la frecuencia de rotaci ón pueden aumentar significativamente cuando el entrehierro entre el rotor y estator no es simétrico, como lo muestra la Figura 1.
Esta condición da como resultado que la fuerza sea más grande en dirección del entrehierro más pequeño. Es decir, existirá una tracción magnética desbalanceada en dirección al lado donde el entrehierro es menor.
Fuerza ≈ B2/d
Donde:
B = Densidad de flujo y
d = Distancia a través del entrehierro
No solo se tira del estator en una dirección, sino que también se tira del rotor en la dirección opuesta, hacia el lado donde el entrehierro es menor. Esto provoca una mayor vibración en el eje, lo que es perjudicial para la vida útil del rodamiento. Tenga en cuenta que en la Figura 1 el diámetro exterior (OD) del rotor está concéntrico con el eje de rotación, lo que hace que la fuerza permanezca máxima en la dirección del entrehierro. Cuando hay contacto entre el estator y el rotor, la UMP suele producir un roce en una pequeña área del estator y alrededor de todo el diámetro exterior del rotor.
Cambios en el bobinado
En motores en los que el descentrado (pullover) del rotor es un problema potencial, se debe evitar usar conexiones con un solo circuito. La influencia de la UMP se puede reducir aumentando el número de circuitos en paralelo o ecualizando la conexión, particularmente cuando el devanado tiene dos circuitos. Otra posibilidad, cuando el número de circuitos es igual a la mitad del número de polos, es utilizar puentes extralargos que interconecten los grupos en los lados opuestos del estator. Los ejemplos incluyen puentes 1-10 para devanados de 6 polos con 3 circuitos y puentes 1-13 para devanados de 8 polos con 4 circuitos. Advertencia: Por lo general, los grupos desiguales limitarán el número de circuitos en paralelo a no más de dos.
Un rediseño de un devanado que produzca una mayor densidad de flujo magnético hace el motor más susceptible a la inestabilidad magnética asociada con la UMP. Los factores principales de la inestabilidad magnética son la distancia entre los rodamientos y el diámetro del eje donde va instalado el núcleo del rotor. Cuanto mayor sea la distancia entre los rodamientos, o cuanto menor sea el diámetro del eje donde se instala el núcleo del rotor (o ambos), mayor será el potencial de excentricidad del rotor y el posible contacto estator-rotor. Dado que el entrehierro se vuelve más pequeño a medida que aumenta el número de polos (por ejemplo, 8 o más), los motores de baja velocidad son más susceptibles a la inestabilidad magnética que los de alta velocidad (por ejemplo, 2 o 4 polos).
Descentrado del rotor
Un rotor descentrado significa que el núcleo del estator está siendo empujado hacia el núcleo del estator, con el peor escenario posible cuando el rotor entra en contacto físico con el estator. La UMP es un problema potencial que puede causar que el rotor se distorsione y golpee el devanado. La tracción magnética varía con el cuadrado de la diferencia en el entrehierro (ver Figura 2). Factores como la excentricidad, el peso del rotor, el desgaste de los rodamientos y el alineamiento de la máquina, todos ellos afectan la geometría del entrehierro (ver Figura 3).
La fuerza magnética que actúa sobre el rotor es soportada sólo por la rigidez del eje. Entre más se desvíe el eje, mayor será su resistencia para ser doblado más. En un buen diseño, la rigidez del eje es más que adecuada para resistir las fuerzas de pandeo producidas por un entrehierro imperfecto. La UMP asociada con el descentrado del rotor varía con el cuadrado de la diferencia en el entrehierro (ver
Figura 2). El resultado puede o no estar acompañado de un contacto físico con el estator. Si se presenta contacto, la primera evidencia puede ser ruido, vibración o un fallo catastrófico del bobinado. Si no hay contacto, la evidencia se podría limitar a ruido o vibración,
Los diseñadores de motores controlan la UMP limitando la cantidad aceptable de excentricidad del entrehierro, generalmente al 5% del entrehierro promedio para motores de 2 polos y al 10% del promedio para motores de 4 polos o más. También limitan el descentrado del rotor a un máximo del 5% del entrehierro promedio y seleccionan el tamaño del eje en función de su capacidad para resistir estas fuerzas de flexión (rigidez del eje).
El descentrado potencial del rotor es función del entrehierro, la concentricidad, la longitud del núcleo, la densidad de flujo en el entrehierro y del número de circuitos del estator. La probabilidad de que el rotor contacte al estator suele aumentar durante el ciclo de arranque, cuando la corriente es mayor. Si el rotor golpea el estator, esto por lo general se puede escuchar. Dependiendo de la magnitud del contacto, este puede o no dañar el rotor y/o las partes del estator. Una inspección de las piezas es la mejor manera de confirmar que existe esta condición y de evaluar qué tan grave es. La forma más común de corregir el descentrado del rotor es mejorar la geometría del entrehierro centrando el rotor dentro del diámetro interior del estator.
Barras rotas en el rotor
Si hay una barra rota en el rotor, no fluirá corriente por dicha barra y no existirá ningún campo magnético alrededor de ella (vea la Figura 4). Por ende, la fuerza aplicada en ese lado del rotor difiere con la del otro lado, lo que dará como resultado una fuerza magnética desequilibrada que gira a una velocidad de rotación y que modula a una frecuencia igual a la frecuencia de deslizamiento multiplicada por el número de polos.
Esta es una de las pocas condiciones que no se pueden detectar sin carga. Sin embargo, si el rotor se puede calentar por medios distintos a la carga, como realizando una prueba a rotor bloqueado con voltaje reducido o mediante múltiples arranques rápidos sucesivos, se puede realizar otra prueba. Se puede comprobar si el rotor presenta un pandeo térmico causado por la variación en el calentamiento de este debido a la (s) barra (s) rota (s). El desbalanceo del rotor resultante y el aumento de la UMP debido a la excentricidad del rotor pueden crear una vibración alta a la frecuencia de línea y una vibración baja a dos veces la frecuencia de línea. Los roces del rotor debido a la excentricidad del rotor suelen mostrar grandes manchas en un área pequeña del diámetro exterior del rotor y alrededor de todo el diámetro interior del núcleo del estator.
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