Exploración de motores de imanes permanentes: conceptos y análisis teórico

Exploración de los motores de imanes permanentes: conceptos y análisis teórico

Los motores de imanes permanentes, comúnmente denominados motores de imanes permanentes, desempeñan un papel en las aplicaciones industriales. Por el contrario, los motores de inducción (IM) incorporan imanes en su interior. Se adhieren al rotor para producir un campo durante el funcionamiento. El propósito de este artículo es proporcionar una comprensión de los conceptos, principios y elementos esenciales asociados con los motores de imanes permanentes.

I. Comparación entre motores de imanes permanentes y motores de inducción

La diferencia clave entre los motores de imanes permanentes y los motores de inducción radica en cómo se genera el campo magnético. Los motores de inducción se basan en un campo giratorio producido por los devanados del estator para inducir corrientes en el rotor, que luego interactúan con el campo del estator para generar fuerza motriz. Una característica notable de los motores de inducción es que debe haber una diferencia de velocidad entre el rotor y el campo magnético para inducir la corriente, lo que los hace adecuados para su uso en combinación con variadores de frecuencia (VFD) para el control de velocidad.

Los motores de imán permanente (PM) generan campos, con imanes, dentro del rotor, eliminando la necesidad de conectar el flujo a través del campo del estator. Esta configuración mejora la eficiencia en aplicaciones que requieren control de velocidad. Los motores de imán permanente se clasifican como motores de imán permanente de superficie (SPM) y motores de imán permanente interior (IPM) según la ubicación de los imanes. Estos tipos difieren en términos de durabilidad, potencia magnética y características electromagnéticas.

II. Flujo, enlace de flujo y campo magnético

Para comprender el funcionamiento de los motores de imán permanente es importante comprender los conceptos relacionados con el flujo, el enlace de flujo y los campos magnéticos.

Cuando una corriente fluye a través de un conductor, genera un campo. El flujo es la medida del movimiento de una característica sobre un área. En los motores, el flujo indica la rapidez con la que el campo magnético se expande a través de la superficie de los cables.

Cuando un campo magnético interactúa con un material, como cuando pasa a través de una bobina, se produce un enlace de flujo. Esto se calcula en función del número de vueltas del devanado y del flujo magnético, que suele representarse con el símbolo ϕ para indicar el valor del flujo a lo largo del tiempo. La ecuación utilizada para calcular el enlace de flujo es λ = N × ϕ, donde λ representa el enlace de flujo, N denota el número de vueltas y ϕ significa el flujo.

El campo magnético ilustra cómo se mueve el magnetismo dentro del espacio de un conductor. En los motores magnéticos, los imanes se colocan sobre la superficie del rotor para generar el campo.

III. Inductancia y fuerza electromotriz (FEM)

Al analizar las características de los motores de imán permanente, es importante tener en cuenta la inductancia y la FEM como conceptos.

Inductancia (L): La inductancia se define como la constante de proporcionalidad del voltaje inducido cuando cambia la corriente. En otras palabras, la inductancia es el enlace de flujo por unidad de corriente. Es una propiedad geométrica relacionada con la trayectoria de la corriente y se mide en Henrys (H). En los motores de imán permanente, la inductancia se puede dividir en inductancia del eje d e inductancia del eje q según la posición del rotor y los polos magnéticos.

FEM: la FEM se refiere al voltaje inducido en los devanados del estator debido al movimiento relativo entre el campo magnético del rotor y los devanados del estator durante la rotación del motor. En los motores de imán permanente, el campo magnético del rotor es generado por imanes permanentes, por lo que mientras el rotor esté en movimiento, se inducirá voltaje en los devanados del estator. La FEM aumenta linealmente con la velocidad del motor y es un factor clave para determinar la velocidad máxima de funcionamiento del motor.

IV. Eje d y eje q: ejes clave en la electromagnetismo del motor

El eje d y el eje q son dos ejes clave que se utilizan para describir las características electromagnéticas de los motores de imán permanente.

Eje d (eje directo): está alineado con la dirección del flujo principal del motor. La inductancia del eje d corresponde al valor de inductancia cuando el flujo pasa a través del polo magnético.

Eje q (eje de cuadratura): está alineado con la dirección principal de generación de par del motor. La inductancia del eje q corresponde al valor de inductancia cuando el flujo fluye entre los polos magnéticos.

En el caso de los motores de imán permanente con imán interior, los valores de inductancia del eje d y del eje q difieren porque la presencia de imanes reduce el material del núcleo a lo largo del eje d, lo que afecta la inductancia. Por el contrario, los motores de imán permanente de superficie tienen valores de inductancia del eje d y del eje q casi idénticos, ya que los imanes están en el exterior del rotor y no afectan la conexión del campo magnético del estator con el núcleo.

V. Saliencia magnética y par magnético

La saliencia magnética describe la variación de la inductancia del eje d y del eje q en diferentes posiciones del rotor. Esta característica es crucial para el diseño y la optimización de los motores de imán permanente. Generalmente, la saliencia magnética alcanza su pico en un ángulo eléctrico de 90 grados, donde la diferencia entre la inductancia del eje q y del eje d es mayor.

El par magnético y el par de reluctancia son los dos componentes principales del par producido por los motores PM. El par magnético es

El par de reluctancia se genera por la interacción entre el flujo magnético del rotor y la corriente del devanado del estator, mientras que el par de reluctancia surge de la alineación del eje del rotor con el campo de flujo del estator. La combinación de estos dos determina el par de salida del motor.

VI. Variación de la inductancia y debilitamiento del flujo en motores de imanes permanentes

En los motores de imanes permanentes, los valores de inductancia del eje d y del eje q disminuyen a medida que aumenta la corriente de carga. Este fenómeno se debe a la saturación magnética del material del núcleo. Cuando el flujo alcanza un cierto nivel, la inductancia del núcleo ya no aumentará e incluso puede disminuir.

El debilitamiento del flujo es un método para reducir el campo de flujo para reducir la fuerza contraelectromotriz, lo que permite que el motor funcione a velocidades más altas. Esta operación normalmente requiere corriente de motor adicional y, al ajustar la dirección de la corriente en el eje d, el motor puede cambiar entre fortalecimiento o debilitamiento del flujo para satisfacer diferentes demandas operativas.

VII. Estructura y selección de materiales en motores de imán permanente

Los motores de imán permanente se pueden clasificar en tipos de imán interior e imán de superficie según su estructura. Cada tipo estructural tiene sus pros y sus contras, y la elección del diseño específico a menudo depende de los requisitos de la aplicación. Por ejemplo, los motores de imán interior, con imanes integrados dentro del rotor, tienen mayor resistencia mecánica y son adecuados para el funcionamiento a alta velocidad, mientras que los motores de imán de superficie son más fáciles de fabricar y tienen menores costos.

Los materiales magnéticos utilizados en los motores de imán permanente afectan directamente el rendimiento del motor. Los materiales magnéticos permanentes de uso común incluyen neodimio-hierro-boro (NdFeB) y samario-cobalto (SmCo), que presentan diferentes características en términos de rendimiento magnético y resistencia a altas temperaturas. Por lo tanto, la selección del material magnético adecuado es crucial en el diseño del motor, según el escenario de aplicación específico.

VIII. Control y aplicaciones de los motores de imán permanente

Con el avance de la tecnología de accionamiento, los accionamientos de CA modernos pueden lograr un control de bucle cerrado y de autodetección. Al detectar y rastrear la posición polar del motor, el accionamiento puede optimizar la salida de par y la eficiencia del motor. Este método de control se utiliza ampliamente en servomotores, especialmente en aplicaciones que requieren un control preciso de la posición y una respuesta de alta velocidad.

Los servomotores suelen adoptar un diseño de PM interior y se combinan con amplificadores específicos. Esta combinación, optimizada y ajustada por el fabricante, garantiza un rendimiento operativo óptimo. En aplicaciones prácticas, los servomotores se utilizan comúnmente en máquinas CNC, robótica y equipos de automatización.

IX. Fenómeno de desmagnetización y protección en imanes permanentes

Aunque se los conoce como “imanes permanentes”, estos materiales no son verdaderamente permanentes. Su magnetismo puede debilitarse o fallar debido a cambios en las condiciones externas, como estrés mecánico, alta temperatura o fuerte interferencia electromagnética.

Estrés mecánico: los imanes permanentes pueden perder su magnetismo debido a cambios estructurales internos cuando se someten a un impacto severo o una caída.

El efecto de la temperatura sobre los materiales es que cada uno tiene una temperatura llamada “temperatura de Curie”, donde deja de ser magnético.

Las propiedades magnéticas de los imanes pueden verse afectadas por la interferencia, lo que podría provocar una pérdida de su magnetismo.

Por lo tanto, es crucial considerar estos aspectos de desmagnetización e incorporar estrategias al desarrollar y utilizar motores de imán permanente.

X.Enneng: Impulsando el desarrollo de motores de imán permanente de alta eficiencia

Enneng, una empresa llamada ENPMSM, opera como proveedor de motores de imán con sede en Qingdao, China. Se especializa en la fabricación de tipos de motores de imán, incluidos modelos estándar, generales y personalizados que ofrecen opciones tanto con transmisión como sin engranajes. Estos motores se utilizan en una variedad de industrias, como plantas de energía, metalurgia, productos químicos, minería y yacimientos petrolíferos. Enneng es conocida por su enfoque en la innovación y alberga un equipo de investigación y desarrollo que ha obtenido patentes técnicas. Su compromiso con el progreso los ha llevado a ser reconocidos como una de las “Cien empresas innovadoras” más destacadas en Qingdao.

Conclusión

Los motores de imán permanente son reconocidos por su eficacia y precisión, lo que los hace muy buscados en aplicaciones de consumo. Comprender los principios y conceptos de estos motores es esencial para mejorar el diseño y garantizar el rendimiento. A medida que avanza la tecnología, se espera que el uso de motores PM se expanda, contribuyendo significativamente a los sistemas de energía.