12.1: Morfologías motoras

Hay, por supuesto, muchas formas de construir motores de imán permanente, pero consideraremos solo algunas en esta nota. En realidad, una vez que estos son entendidos, las evaluaciones de calificación de la mayoría de los otros arreglos geométricos deberían ser bastante sencillas. Debe entenderse que la distinción “rotor interior” vs “rotor exterior” es de hecho trivial, con muy pocas excepciones, lo que notaremos.

Máquinas de imanes de superficie

La Figura 1 muestra la morfología magnética básica del motor con imanes montados en la superficie del rotor y un devanado de estator por lo demás convencional. Este boceto no muestra algunos de los aspectos mecánicos importantes de la máquina, como los medios para sujetar los imanes permanentes al rotor, por lo que uno debe mirarlo con un poco de precaución. Además, este boceto y los demás bocetos a seguir no están necesariamente a una escala que resultaría en máquinas operables.

Figura 1: Vista axial de un motor de montaje en superficie

Esta figura muestra una sección axial de una\(\ (p=2)\) máquina de cuatro polos. Los cuatro imanes están montados en un “núcleo” de rotor cilíndrico, o eje, hecho de material ferromagnético. Normalmente esto sería simplemente un eje de acero. En algunas aplicaciones, los imanes pueden estar simplemente unidos al acero. Para aplicaciones en las que una junta de pegamento no es satisfactoria (por ejemplo, para máquinas de alta velocidad) se requiere algún tipo de banda de rotor o estructura de anillo de retención.

El devanado del estator de esta máquina es “convencional”, muy parecido al de un motor de inducción, que consiste en cables ubicados en ranuras en la superficie del núcleo del estator. El núcleo del estator en sí está hecho de material ferromagnético laminado (probablemente láminas de hierro de silicio), el carácter y grosor de las láminas determinado por los requisitos de frecuencia de operación y eficiencia. Se requiere que lleven campos magnéticos alternos, por lo que deben ser laminados para reducir las pérdidas por corrientes parásitas.

Este tipo de máquina es de construcción simple. Tenga en cuenta que la densidad de flujo magnético operativo en el entrehierro es casi la misma que en los imanes, por lo que este tipo de máquina no puede tener densidades de flujo de entrehierro mayores que las de la densidad de flujo remanente de los imanes. Si se utilizan imanes de ferrita de bajo costo, esto significa una inducción relativamente baja y, en consecuencia, una eficiencia y densidad de potencia relativamente bajas. (¡Tenga en cuenta el calificador “relativamente” aquí!). Obsérvese, sin embargo, que con materiales modernos de imanes permanentes de alto rendimiento en los que las densidades de flujo remanente pueden ser del orden de 1.2 T, las densidades de flujo de trabajo del entrehierro pueden ser del orden de 1 T. Con el requisito de ranuras para transportar la corriente del inducido, esto puede ser un límite práctico para el flujo de entrehierro densidad de todos modos.

También es importante señalar que los imanes en este diseño están realmente en el “entrehierro” de la máquina, y por lo tanto están expuestos a todos los armónicos de tiempo y espacio del devanado del estator MMF. Debido a que algunos imanes permanentes tienen conductividad eléctrica (particularmente los imanes de mayor rendimiento), cualquier campo asíncrono tenderá a producir corrientes parásitas y las consiguientes pérdidas en los imanes.

Máquinas para Concentración de Flujo o Imán Interior

Los diseños de imanes interiores se han desarrollado para contrarrestar varias deficiencias aparentes o reales de los motores de montaje en superficie:

• Los diseños de concentración de flujo permiten que la densidad de flujo en el entrehierro sea mayor que la densidad de flujo en los propios imanes.
• En los diseños de imanes interiores hay cierto grado de blindaje de los imanes de los campos armónicos espaciales de orden alto por las piezas polares.
• Hay ventajas de control para algunos tipos de motores magnéticos interiores, como mostraremos anon. Esencialmente, tienen una prominencia negativa relativamente grande que mejora el “debilitamiento del flujo” para una operación a alta velocidad, en analogía bastante directa con lo que se hace en las máquinas de CC.
• Algunos tipos de diseños de imanes internos tienen (o afirman) ventajas estructurales sobre los diseños de imanes de montaje en superficie.

Figura 2: Vista axial de un motor de concentración de flujo

La geometría de un tipo de motor magnético interno se muestra (crudamente) en la Figura 2. Los imanes permanentes están orientados de manera que su magnetización sea azimutal. Se ubican entre cuñas de material magnético (las piezas polares) en el rotor. El flujo pasa a través de estas cuñas, yendo radialmente en el entrehierro, luego azimutalmente a través de los imanes. El núcleo central del rotor debe ser no magnético, para evitar “cortocircuitos” los imanes. No se muestra ninguna estructura en este dibujo, pero obviamente este tipo de rotor es un desafío estructural. Se muestra una máquina de seis polos. Por lo general, no se espera que las máquinas concentradoras de flujo tengan números de polos pequeños, porque es difícil obtener más área dentro del rotor que alrededor de la periferia. Por otro lado, una máquina construida de esta manera pero sin una concentración sustancial de flujo seguirá teniendo propiedades de prominencia y blindaje magnético.

Figura 3: Vista axial del motor magnético interno

En la Figura 3 se muestra una segunda morfología para un motor magnético interno. Esta geometría ha sido propuesta para máquinas síncronas altamente sobresalientes sin imanes permanentes: tales máquinas funcionarían con el par de prominencia y se denominan motores de reluctancia síncrona. Sin embargo, las ranuras de prominencia pueden llenarse con material de imán permanente, dándoles algún flujo generado internamente como bien. El hierro del rotor tiende a cortocircuitar los imanes, de manera que los 'puentes' alrededor de los extremos de los imanes permanentes deben ser relativamente delgados. Normalmente están saturados.

A primera vista, estas máquinas parecen ser bastante complicadas de analizar, y ese juicio parece aguantar.

Bobinas de armadura con espacio de aire

En la Figura 4 se muestra una máquina magnética montada en superficie con un entrehierro, o devanado de armadura superficial. Tales máquinas aprovechan el hecho de que los materiales modernos de imanes permanentes tienen permeabilidades muy bajas y que, por lo tanto, el campo magnético producido es relativamente insensible al tamaño del entrehierro de la máquina. Es posible eliminar los dientes del estator y usar toda la periferia del entrehierro para los devanados.

No se muestra en esta figura la estructura del devanado de la armadura. Esto no es un problema en los estatores “convencionales”, ya que la armadura está contenida en ranuras en el núcleo del estator de hierro. El uso de un devanado de entrehierro brinda oportunidades de economía de construcción, nuevas formas de devanado de armadura como devanados helicoidales, eliminación de pares de “engranajes” y (posiblemente) densidades de potencia más altas.

Figura 4: Vista axial de un motor de PM con un devanado de entrehierro