Rotor de jaula de ardilla

Un rotor de jaula de ardilla es la parte giratoria del motor de inducción de jaula de ardilla común . Consiste en un cilindro de láminas de acero, con conductores de aluminio o cobre incrustados en su superficie. En funcionamiento, el devanado no giratorio del estator está conectado a una fuente de energía de corriente alterna ; la corriente alterna en el estator produce un campo magnético giratorio . El devanado del rotor tiene corriente inducida en él por el campo del estator, como un transformador , excepto que la corriente en el rotor varía a la velocidad de rotación del campo del estator menos la velocidad de rotación física. La interacción de los campos magnéticos en el estator y las corrientes en el rotor producen un par en el rotor.

Ajustando la forma de las barras del rotor, se pueden cambiar las características de velocidad-par del motor, para minimizar la corriente de arranque o maximizar el par a baja velocidad, por ejemplo.

Los motores de inducción de jaula de ardilla son muy comunes en la industria, en tamaños que van desde menos de 1 kilovatio (1,3 hp) hasta decenas de megavatios (decenas de miles de caballos de fuerza). Son simples, robustos y de arranque automático, y mantienen una velocidad razonablemente constante desde carga ligera hasta carga completa, determinada por la frecuencia de la fuente de alimentación y el número de polos del devanado del estator. Los motores que se utilizan comúnmente en la industria suelen tener tamaños de bastidor estándar IEC o NEMA , que son intercambiables entre fabricantes. Esto simplifica la aplicación y el reemplazo de estos motores.

En 1885, Galileo Ferraris describió una máquina de inducción con un devanado de estator de dos fases y una armadura cilíndrica de cobre macizo. En 1888, Nikola Tesla recibió una patente para un motor de inducción de dos fases con un devanado de rotor de cobre en cortocircuito y un devanado de estator de dos fases. Los desarrollos de este diseño adquirieron importancia comercial. En 1889, Mikhail Dolivo-Dobrovolsky desarrolló un motor de inducción de rotor bobinado y, poco después, un devanado de rotor de tipo jaula. A finales del siglo XIX, los motores de inducción se aplicaban ampliamente en los crecientes sistemas de distribución eléctrica de corriente alterna. ^[1]

El rotor del motor tiene forma de cilindro montado sobre un eje. En su interior contiene barras conductoras longitudinales (normalmente de aluminio o cobre) colocadas en ranuras y conectadas en ambos extremos mediante anillos de cortocircuito que forman una especie de jaula. El nombre se deriva de la similitud entre este bobinado de anillos y barras y una jaula de ardilla .

El núcleo sólido del rotor está construido con pilas de láminas de acero eléctrico. La figura muestra uno de los muchos conjuntos de laminaciones utilizados. La laminación del rotor tiene una mayor cantidad de ranuras que la laminación del estator correspondiente , y la cantidad de ranuras del rotor debe ser un múltiplo no entero de la cantidad de ranuras del estator para evitar el enclavamiento magnético de los dientes del rotor y del estator en el instante de arranque. ^[2]

Las barras del rotor pueden estar hechas de cobre o aluminio. Una estructura muy común para motores más pequeños utiliza aluminio fundido a presión que se vierte en el rotor después de apilar las láminas. Los motores más grandes tienen barras de aluminio o cobre que se sueldan o se sueldan a los anillos de los extremos. Dado que el voltaje desarrollado en el devanado de jaula de ardilla es muy bajo y la corriente muy alta, no hay una capa de aislamiento intencional entre las barras y el acero del rotor. ^[3]

Los devanados de campo del estator de un motor de inducción crean un campo magnético giratorio a través del rotor . El movimiento relativo entre este campo y el rotor induce una corriente eléctrica en las barras conductoras. A su vez, estas corrientes longitudinales en los conductores reaccionan con el campo magnético del motor para producir una fuerza que actúa en una tangente ortogonal al rotor, lo que da como resultado un par que hace girar el eje. En efecto, el rotor se desplaza con el campo magnético pero a una velocidad de rotación ligeramente más lenta. La diferencia de velocidad se denomina deslizamiento y aumenta con la carga.

Los conductores suelen estar ligeramente inclinados a lo largo del rotor para reducir el ruido y suavizar las fluctuaciones de par que pueden producirse a ciertas velocidades debido a las interacciones con las piezas polares del estator, garantizando que en todo momento la misma fracción de una barra del rotor esté debajo de cada ranura del estator. Si las barras del rotor estuvieran paralelas a los polos del estator, el motor experimentaría una caída y luego una recuperación del par a medida que cada barra pasa por el espacio libre en el estator.

Las láminas que se muestran en la fotografía tienen 36 barras en el estator y 40 barras en el rotor. El máximo común divisor de 36 y 40 es 4, con el resultado de que no se pueden alinear más de 4 barras del estator y el rotor en un momento dado, lo que también reduce las fluctuaciones de par.

El número de barras del rotor determina en qué medida las corrientes inducidas se realimentan a las bobinas del estator y, por lo tanto, la corriente que pasa por ellas. Las construcciones que ofrecen la menor realimentación utilizan números primos de barras del rotor.

El núcleo de hierro sirve para transportar el campo magnético a través de los conductores del rotor. Debido a que el campo magnético en el rotor se alterna con el tiempo, el núcleo utiliza una construcción similar a la de un núcleo de transformador para reducir las pérdidas de energía del núcleo . Está hecho de láminas delgadas, separadas por un aislamiento de barniz, para reducir las corrientes parásitas que circulan en el núcleo. El material es un hierro con bajo contenido de carbono pero alto contenido de silicio con varias veces la resistividad del hierro puro, lo que reduce aún más la pérdida por corrientes parásitas, y una baja coercitividad para reducir la pérdida por histéresis .

El mismo diseño básico se utiliza para motores monofásicos y trifásicos en una amplia gama de tamaños. Los rotores para motores trifásicos tendrán variaciones en la profundidad y forma de las barras para adaptarse a la clasificación de diseño. Generalmente, las barras gruesas tienen un buen par y son eficientes con un deslizamiento bajo, ya que presentan una menor resistencia a la fuerza electromotriz . A medida que aumenta el deslizamiento, el efecto pelicular comienza a reducir la profundidad efectiva y aumenta la resistencia, lo que resulta en una eficiencia reducida pero aún manteniendo el par.

La forma y la profundidad de las barras del rotor se pueden utilizar para variar las características de velocidad-par del motor de inducción. En estado de reposo, el campo magnético giratorio pasa por las barras del rotor a gran velocidad, induciendo una corriente de frecuencia de línea en las barras del rotor. Debido al efecto pelicular, la corriente inducida tiende a fluir en el borde exterior del devanado. A medida que el motor acelera, la frecuencia de deslizamiento disminuye y la corriente inducida fluye a mayores profundidades en el devanado. Al estrechar el perfil de las barras del rotor para variar su resistencia a diferentes profundidades, o al construir una jaula de ardilla doble, con una combinación de rotor de alta y baja impedancia en paralelo, el motor se puede disponer para producir más o menos par en estado de reposo y cerca de su velocidad sincrónica. ^[3]

Para demostrar cómo funciona el rotor de jaula, se puede utilizar el estator de un motor monofásico y un tubo de cobre (como rotor). Si se aplica una corriente alterna adecuada al estator, un campo magnético alterno girará alrededor de él. Si se inserta el tubo de cobre dentro del estator, habrá una corriente inducida en el tubo, y esta corriente producirá un campo magnético propio en el tubo. La interacción entre el campo magnético giratorio del estator y el campo magnético inducido del rotor del tubo de cobre produce un par y, por lo tanto, rotación.

Un motor síncrono puede tener un devanado de jaula de ardilla integrado en su rotor, que se utiliza para aumentar el par de arranque del motor y, de este modo, reducir el tiempo necesario para acelerar hasta alcanzar la velocidad síncrona. El devanado de jaula de ardilla de una máquina síncrona generalmente será más pequeño que el de una máquina de inducción de potencia nominal similar. Cuando el rotor gira a la misma velocidad que el campo magnético giratorio del estator, no se induce corriente en los devanados de jaula de ardilla y estos no tendrán ningún efecto adicional en el funcionamiento del motor síncrono en estado estable.

El devanado de jaula de ardilla en algunas máquinas proporciona un efecto de amortiguación para las perturbaciones de la carga o del sistema, y ​​en esta función puede designarse como devanado amortiguador . Las máquinas grandes solo pueden tener barras amortiguadoras en las caras de los polos individuales, no interconectadas entre polos. Debido a que el devanado de jaula de ardilla no es lo suficientemente grande como para disipar el calor del funcionamiento continuo, las máquinas síncronas grandes a menudo tienen relés de protección para detectar cuando la máquina ha perdido la sincronización con el voltaje de suministro. ^[4]

Los motores de inducción de jaula de ardilla trifásicos también se pueden utilizar como generadores. Para que esto funcione, el motor debe soportar una carga reactiva y estar conectado a una red eléctrica o a un conjunto de condensadores para proporcionar corriente de excitación. Para que el motor funcione como generador en lugar de como motor, el rotor debe girar más rápido que la velocidad sincrónica de su estator. Esto hará que el motor genere energía después de acumular su magnetismo residual.

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