Introducción a la eficiencia del motor

¿Cómo mejorar la eficiencia del motor?

La eficiencia del motor se ve afectada por pequeñas pérdidas, como pérdidas de resistencia, pérdidas mecánicas por fricción, pérdidas por disipación de energía magnética en el núcleo y diferentes pérdidas según el tipo de material utilizado. Para aumentar la eficiencia del motor, es necesario reducir las pérdidas. A continuación, se presentan algunos métodos o consejos para mejorar el coeficiente de eficiencia del motor.

1. La función del bastidor del motor es proporcionar protección mecánica a los devanados. También es responsable de la interfaz que se monta entre las patas. El bastidor del motor desempeña un papel vital en su rendimiento térmico, ya que transfiere el calor generado en su interior a la superficie del bastidor, donde el aire impulsado por el ventilador favorece la disipación del calor. Esto reduce las pérdidas de calor.
2. Otro consejo básico es mantener una separación mínima entre las paredes cercanas a la parte trasera de la cubierta del ventilador para permitir la entrada de aire. Mantenga limpia la zona alrededor del motor y revise regularmente si hay obstrucciones de aire que puedan reducir el rendimiento del sistema de refrigeración. Por lo tanto, cuanto más frío funcione el motor, más durará.
3. El estator es el componente principal del motor y causa el 60% de las pérdidas. Por lo tanto, para reducirlas, la masa del devanado del estator debe mantenerse alta, ya que el aumento de masa reduce la resistencia. Los motores de alta eficiencia contienen un 25% más de cobre que los motores diseñados para modelos de eficiencia estándar.
4. Las pérdidas en el rotor también se consideran una fuente menor de pérdidas, causadas principalmente por el grado de deslizamiento del motor. El deslizamiento es la diferencia entre la velocidad del campo magnético (RPM) y las RPM reales del rotor y el eje con una carga dada. El deslizamiento se obtiene restando la velocidad del motor con carga a la velocidad del motor sin carga y dividiéndola entre la velocidad del motor con carga. Por lo tanto, para reducir estas pérdidas, es necesario reducir el deslizamiento, lo que se logra aumentando la conductividad del rotor. El cobre debe utilizarse en grandes cantidades debido a su alta conductividad. Sin embargo, el cobre debe ser fundido a presión, ya que recientemente se ha desarrollado un proceso para su fundición.
5. Las pérdidas magnéticas en el núcleo se derivan de la histéresis, y el 20 % de las pérdidas totales se deben a las corrientes de Foucault y la saturación del núcleo. Mediante el uso de materiales de alta calidad y un control de calidad riguroso, se pueden minimizar las pérdidas, mejorando así la eficiencia.
6. Para reducir los efectos de la histéresis y la saturación, se utilizará acero con bajo contenido de silicio para la laminación, en lugar de acero al carbono de bajo costo. De esta manera, se eliminan las pérdidas en el núcleo. Al reducir el espesor de la laminación y aumentar su longitud, se minimizan la densidad de flujo y las pérdidas en el núcleo.
7. Las pérdidas por corrientes de Foucault se pueden minimizar en gran medida garantizando un aislamiento adecuado entre las láminas o laminados utilizados.
8. El intervalo de lubricación depende de la velocidad nominal de instalación del motor, el tamaño del rodamiento, el tipo de grasa y el aumento de temperatura. Por lo tanto, tenga cuidado al usar lubricantes. No mezcle tipos de grasa, incluso si utilizan los mismos elementos. Si se utilizan otras grasas en la aplicación, esto afectará directamente el rendimiento del motor.

¿Cómo reducir las pérdidas del motor?

Dado que la distribución de pérdidas de lamotorVaría según la potencia y el número de polos. Para reducir la pérdida, debemos centrarnos en tomar medidas para los principales componentes de pérdida de diferentes potencias y polos. A continuación, se describen brevemente algunas maneras de reducir la pérdida:

1. Aumente los materiales efectivos, reduzca la pérdida de bobinado y la pérdida de hierro.

Según el principio de similitud de los motores, cuando la carga electromagnética permanece constante y no se consideran las pérdidas mecánicas, la pérdida del motor es aproximadamente proporcional al cubo de su tamaño lineal, y la potencia de entrada es aproximadamente proporcional a la cuarta potencia de dicho tamaño. A partir de esto, se puede aproximar la relación entre la eficiencia y el uso efectivo de materiales. Para obtener un mayor espacio en ciertas condiciones de tamaño de instalación, de modo que se puedan colocar materiales más eficientes para mejorar la eficiencia del motor, el diámetro exterior del punzonado del estator se convierte en un factor importante. Dentro del mismo rango de base de la máquina, los motores estadounidenses tienen mayor potencia que los europeos. Para facilitar la disipación del calor y reducir el aumento de temperatura, los motores estadounidenses suelen utilizar punzonados de estator con diámetros exteriores mayores, mientras que los europeos suelen utilizar punzonados de estator con diámetros exteriores menores debido a la necesidad de derivados estructurales, como motores a prueba de explosiones, y para reducir la cantidad de cobre utilizado en el devanado y los costos de producción.

2. Utilice mejores materiales magnéticos y medidas de proceso para reducir la pérdida de hierro

Las propiedades magnéticas (permeabilidad magnética y pérdida unitaria de hierro) del material del núcleo influyen considerablemente en la eficiencia y el rendimiento del motor. Asimismo, el coste del material del núcleo constituye la mayor parte del coste del motor. Por lo tanto, la selección de materiales magnéticos adecuados es clave para el diseño y la fabricación de motores de alta eficiencia. En motores de alta potencia, la pérdida de hierro representa una proporción considerable de la pérdida total, por lo que reducir el valor de la pérdida unitaria del material del núcleo ayudará a reducir la pérdida de hierro del motor. Debido al diseño y la fabricación del motor, la pérdida de hierro del motor supera con creces el valor calculado según el valor de pérdida unitaria de hierro proporcionado por la acería, por lo que este valor generalmente se incrementa entre 1,5 y 2 veces durante el diseño para tener en cuenta dicho aumento.

El aumento de la pérdida de hierro se debe principalmente a que el valor de pérdida de hierro unitaria de la acería se obtiene analizando la muestra de material en fleje según el método del círculo cuadrado de Epstein. Sin embargo, el material se somete a una gran tensión tras el punzonado, el cizallamiento y la laminación, lo que aumenta la pérdida. Además, el entrehierro causado por la ranura del diente genera un campo magnético armónico del diente que causa pérdidas sin carga en la superficie del núcleo, lo que conlleva un aumento significativo de la pérdida de hierro tras la fabricación del motor. Por lo tanto, además de seleccionar materiales magnéticos con menor pérdida de hierro unitaria, es necesario controlar la presión de laminación y tomar las medidas necesarias para reducirla. Debido a factores como el precio y el proceso, las láminas de acero al silicio de alta calidad y las láminas de acero al silicio con un espesor inferior a 0,5 mm no se utilizan con frecuencia en la producción de motores de alta eficiencia. Generalmente, se utilizan láminas de acero eléctrico sin silicio y con bajo contenido de carbono o láminas de acero al silicio laminadas en frío con bajo contenido de silicio. Algunos fabricantes europeos de pequeños motores han utilizado chapas de acero eléctrico sin silicio con una pérdida unitaria de hierro de 6,5 W/kg. En los últimos años, las acerías han lanzado chapas de acero eléctrico Polycor420 con una pérdida unitaria promedio de 4,0 W/kg, incluso inferior a la de algunas chapas de acero con bajo contenido de silicio. Este material también presenta una mayor permeabilidad magnética.

En los últimos años, Japón ha desarrollado una lámina de acero laminado en frío con bajo contenido de silicio, de grado 50RMA350. Se añade una pequeña cantidad de aluminio y tierras raras a su composición, lo que mantiene una mayor permeabilidad magnética y reduce las pérdidas. Su valor de pérdida unitaria por hierro es de 3,12 W/kg. Todo esto probablemente proporcionará una mejor base material para la producción y promoción de motores de alta eficiencia.

3. Reducir el tamaño del ventilador para reducir la pérdida de ventilación.

En motores de 2 y 4 polos de mayor potencia, la fricción eólica representa una proporción considerable. Por ejemplo, la fricción eólica de un motor de 2 polos de 90 kW puede alcanzar aproximadamente el 30 % de la pérdida total. Esta fricción se compone principalmente de la potencia consumida por el ventilador. Dado que la pérdida de calor de los motores de alta eficiencia suele ser baja, se puede reducir el volumen de aire de refrigeración y, por lo tanto, también la potencia de ventilación. La potencia de ventilación es aproximadamente proporcional a la cuarta o quinta potencia del diámetro del ventilador. Por lo tanto, si se permite el aumento de temperatura, la reducción del tamaño del ventilador puede reducir eficazmente la fricción eólica. Además, un diseño razonable de la estructura de ventilación también es importante para mejorar la eficiencia de la ventilación y reducir la fricción eólica. Diversas pruebas han demostrado que la fricción eólica de la parte de 2 polos de alta potencia de un motor de alta eficiencia se puede reducir en aproximadamente un 30 % en comparación con la de un motor convencional. Dado que la pérdida de ventilación se reduce en un gran margen y no requiere mucho coste adicional, cambiar el diseño del ventilador es a menudo una de las principales medidas que se toman para esta parte de los motores de alta eficiencia.

4. Reducir las pérdidas dispersas mediante medidas de diseño y proceso

Las pérdidas parásitas de los motores asíncronos son principalmente pérdidas de alta frecuencia generadas por armónicos de alto orden del campo magnético en los núcleos y devanados del estator y el rotor. Para reducir las pérdidas parásitas de carga, se puede reducir la amplitud de cada armónico de fase mediante un devanado sinusoidal Y-Δ conectado en serie u otro devanado de bajos armónicos, lo que reduce las pérdidas parásitas. Experimentos demuestran que el uso de devanados sinusoidales puede reducir las pérdidas parásitas en más de un 30 % de media.

5. Mejorar el proceso de fundición a presión para reducir la pérdida del rotor

Al controlar la presión, la temperatura y la vía de descarga de gas durante la fundición de aluminio del rotor, se puede reducir el gas en las barras del rotor, mejorando así la conductividad y reduciendo la pérdida de aluminio del rotor. En los últimos años, Estados Unidos ha desarrollado con éxito equipos de fundición a presión de rotores de cobre y los procesos correspondientes, y actualmente se están realizando pruebas de producción a pequeña escala. Los cálculos muestran que si un rotor de cobre reemplaza a uno de aluminio, la pérdida del rotor se puede reducir en aproximadamente un 38 %.

6. Aplicar el diseño de optimización informática para reducir pérdidas y mejorar la eficiencia

Además de optimizar los materiales, sus propiedades y los procesos, el diseño optimizado por computadora permite determinar razonablemente diversos parámetros bajo las limitaciones de costo y rendimiento, logrando así la máxima mejora posible en la eficiencia. El diseño optimizado puede reducir significativamente el tiempo de diseño de motores y mejorar su calidad.