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¿Qué ha cambiado en el diseño de motores?

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Los diseños de los motores eléctricos están motivados por las necesidades de eficiencia energética, pero ¿cuál va a ser el futuro de este campo?

Los motores eléctricos han evolucionado durante 200 años hasta transformarse en uno de los mayores consumidores de energía del planeta. Hoy día se les atribuye alrededor del 45  por ciento del consumo mundial de energía. Marek Lukaszczyk, Directivo de marketing para Europa y Oriente Medio de WEG, fabricante y distribuidor mundial de motores y tecnología de accionamiento explica por qué razón los diseños y las innovaciones de los motores han intentado siempre aumentar el nivel de eficiencia y de qué manera lo han hecho.

El consumo mundial de energía de los motores eléctricos es significativo, mas también prueba exactamente en qué medida dependemos de ellos para transformar la energía eléctrica en energía mecánica en todo el mundo. Los motores se usan en todo, desde ventiladores, sopladores y bombas hasta máquinas-herramienta, electrodomésticos, vehículos y herramientas eléctricas.

Estas estadísticas asimismo ponen de relieve los desafíos a los que se encaran los fabricantes para prosperar la eficiencia de los motores y reducir su consumo energético. Resulta indispensable diseñar los motores con la mayor eficiencia energética posible, no solo para sostener la competitividad de los fabricantes, sino también para cumplir normativas variables, como la Directiva de diseño ecológico de la UE (Directiva 2009/125/CE).

De CC a CA

La innovación en el diseño de los motores eléctricos está motivada por la necesidad de rendimiento, costo asequible, eficiencia energética y conectividad. Estas necesidades han evolucionado en los 2 últimos siglos, desde 1824, cuando Moritz Herrmann von Jacobi fabricó el primer motor eléctrico rotativo, algo que fue posible merced a inventos precedentes como la batería y el electroimán.

En 1866, las investigaciones del ingeniero alemán Werner von Siemens dejaron producir motores eléctricos con energía asequible, tras lo cual se comenzaron a fabricar diversos motores de corriente continua (DC) para la industria y el transporte. No obstante, los motores de corriente continua presentaban múltiples problemas: eran grandes, ruidosos y generaban chispas cada vez que el conmutador hacía cortocircuito para invertir la dirección de la corriente eléctrica.

Así es como surgieron los motores de corriente alterna (CA). En 1885, el ingeniero eléctrico Galileo Ferraris fabricó un motor bifásico de CA, mas el bajo desempeño del invento impidió su producción comercial. Lo mismo ocurrió en mil ochocientos ochenta y siete, cuando el inventor Nikola Tesla creó un motor bifásico con un rotor incorporado en un cortocircuito.

Unos años más tarde, en 1889, el ingeniero eléctrico Michael von Dolivo-Dobrowolsky patentó un motor de CA eficiente. Tenía 3 fases y una jaula de rotor. Con una potencia de 80 vatios y una tasa de retorno energético del 80  por cien , el motor de CA era más sencillo, seguro y sigiloso y presentaba menos inconvenientes de mantenimiento. Con este notable desarrollo había llegado la era de los motores eléctricos eficaces. Desde entonces, los diseños de los motores eléctricos —y las innovaciones en este campo— se han visto impulsados por las crecientes necesidades que tienen los clientes del servicio de desempeño, costo asequible, eficacia energética y conectividad.

Actualmente, los motores eléctricos se diseñan de manera flexible y para distintos usos singulares en la industria, las centrales energéticas y el campo agroalimentario. El reto ahora consiste en mejorar su eficacia y en reducir la carga que imponen sobre el suministro eléctrico. Según la aplicación, los costos energéticos de los motores eléctricos representan entre el 95 y el 97  por cien de los costes totales de su ciclo de vida. Por esta razón, no extraña que los motores de baja eficiencia proporcionen un rendimiento limitado de la inversión.

Desempeño ecológico

La eficiencia energética de un motor eléctrico se calcula como la relación entre la potencia mecánica de salida y la potencia eléctrica de entrada, y se mide en clases de eficacia energética (IE), donde IE1 es la clase más baja y también IE5, la más alta. La Directiva de diseño ecológico de la UE establecía que a partir de junio de dos mil once los motores incluidos en su campo de aplicación deberían tener como mínimo una clase de eficacia IE2, y una clase IE3 más eficaz en dos mil quince, a menos que estuviesen controlados por un variador de velocidad (VSD). Los VSD varían la velocidad del motor eléctrico —que suele ser de velocidad fija— de acuerdo con los requisitos de la aplicación.

Aparte de brindar enormes mejoras en el consumo energético de los motores, estas reglas asimismo afectaron de forma tangible a los mercados. La clase IE1, que representaba el ochenta  por cien de la cuota de mercado europea en dos mil nueve, se redujo a solo el diecisiete  por ciento en dos mil dieciseis, mientras que los motores más eficaces de la clase superior IE3 aumentaron del 0 al 29  por ciento en exactamente el mismo periodo. Es una buena nueva para los usuarios finales, por el ahorro económico que representa, y para el planeta.

Sin embargo, puesto que ha resultado bastante difícil imponer en toda la industria la norma actual que establece que los motores IE2 deben utilizarse con un VSD, es probable que las reglas serán más estrictas. Desde el 1 de julio de dos mil veintiuno, los motores trifásicos van a deber cumplir las reglas IE3, independientemente de la integración de un VSD. En esa misma fecha también se introducirán por vez primera los reglamentos de eficacia para VSD. A medida que se hagan nuevos estudios en el marco de las revisiones de la normativa en vigor comenzarán a aplicarse en un futuro próximo los requisitos de la clase IE4 para motores, aun de la clase IE5 en fecha posterior.

Detección de deficiencias

La clave para diseñar un motor más eficaz es comprender dónde se generan las pérdidas elaborando la pregunta: ¿cuáles son las posibles deficiencias energéticas?

Se han introducido múltiples mejoras en las tecnologías de los motores eléctricos para cumplir las nuevas reglas de eficiencia energética y los propios ingenieros de WEG Industries han investigado numerosas técnicas. Desde la fundación de la empresa en Brasil en 1961, hemos conseguido avances notables en el diseño y la producción de motores eléctricos. Estos avances están relacionados con la reducción de peso y la experimentación con nuevos materiales como el plástico, el aluminio y nuevos aislantes para crear diferentes posibilidades de uso de estas máquinas.

Una de estas posibilidades es el empleo de motores de imanes permanentes (PM), motores de CA en los que los imanes están insertados o adheridos a la superficie del rotor del motor. El campo magnético de los imanes reacciona con el campo magnético creado por la CA en el estátor e impulsa la armadura rotativa del motor. El par imantado se combina ahora con el par de reluctancia, que actúa sobre el material del imán y se alinea con el flujo magnético que pasa por el motor. De esta manera se minimiza la reluctancia, y el campo magnético rotativo resultante proporciona un par constante sin necesidad de ventilación forzada.

Los motores PM IE4 pueden marchar más eficientemente que los motores de inducción IE4 y tienen una vida útil más prolongada. Además, experimentan un 20  por ciento menos de pérdida de energía y son más ligeros a pesar de que se alojan en exactamente el mismo bastidor. Esto significa que un motor PM IE4 será más pequeño que un motor de inducción IE4.

WEG fue el primer fabricante y proveedor de accionamientos y motores que abordó los estándares IE4 y también IE5 y, para este último desarrolló un motor PM IE5 en su serie W22. El nuevo W22 fue uno de los primeros motores comerciales que se ajustaba a la clase de eficacia energética IE5 de reciente formulación. Con imanes permanentes de alto desempeño dentro de su rotor, el motor PM W22 ofrece más caballos por tamaño de bastidor y un amplio rango de par, y mantiene constantes estos valores sin necesidad de ventilación forzada. La mejora del control de velocidad redunda en una mayor eficiencia energética y en una vida útil más prolongada.

Si tomamos como un ejemplo las aplicaciones de torres de refrigeración, se ha comprobado que el uso de un motor de imanes permanentes (PM) con un VSD HVAC CFW701 —dimensionado apropiadamente para la aplicación— puede proporcionar una reducción del coste de la energía de hasta el 80  por cien y un ahorro medio de agua del veintidos  por ciento , al paso que se cumplen los niveles de eficiencia IE5.

Los imanes permanentes de alta densidad de energía son ideales para aplicaciones de automóviles eléctricos. El refrigerante circula de forma directa a través del motor para administrar el calor residual de manera inteligente. Este diseño resguarda los imanes y el rotor del desplazamiento a gran velocidad, y puede soportar velocidades extremas de la aplicación del motor.

Preparativos para IE6

WEG está explorando el empleo de materiales para cumplir la clase IE6, que está por venir y que se considera la próxima etapa para lograr niveles de eficiencia más altos en reluctancia síncrona y de imanes permanentes. Los motores PM para bombas se ubicarán seguramente a la cabeza, pues la industria del agua es la mayor usuaria de motores eléctricos de alta eficacia energética de Europa. Esto será seguramente lo que ocurra con IE6. Otra área de desarrollo clave son los nuevos sistemas de aislamiento para contrarrestar los inconvenientes asociados con el amoníaco, que produce corrosión en los materiales, dañando los motores.

En el futuro, el objetivo principal del diseño de WEG es generar un motor de alta densidad de potencia fiable a un costo razonable. Cuando se adquiere una tecnología parcialmente nueva, como un motor de alta densidad de potencia, siempre va a haber un compromiso entre costo, confiabilidad y eficacia.

En una de sus áreas de investigación, WEG procura entender el comportamiento de una serie de polímeros, materiales compuestos por cadenas de moléculas largas y repetidas. Los polímeros tienen propiedades únicas que pueden resultar útiles en los motores eléctricos, dependiendo de de qué forma se unan sus moléculas para obtener alta resistencia y bajo peso. Los polímeros se utilizan cada vez más en los motores en sustitución de piezas metálicas que no aguantan las fuerzas mecánicas, como las cajas de terminales y las placas de cojinetes, y ya se emplean en piezas estructurales como las tapas de cierre y las patas de pequeños motores. Puesto que las piezas no corren el peligro de desfigurarse, mudarlas a un material polimérico puede suponer un ahorro tanto de costo como de peso.

Otros materiales del motor que utilizan polímeros, como resinas, esmaltes y aislamientos, también pueden beneficiarse optimizando sus peculiaridades para satisfacer requisitos especiales y, en consecuencia, para mejorar el diseño del motor. Los sistemas de aire acondicionado, los sistemas de ventilación y otros aparatos familiares, por servirnos de un ejemplo, ya están gozando de los beneficios que aportan los motores basados en polímeros.

Sin embargo, históricamente, el primordial avance de WEG y otros fabricantes ha sido el empleo de la electrónica, tanto en la composición como en la fabricación de motores eléctricos. La electrónica puede incluir la instalación de sensores de reajuste que miden métricas esenciales en tiempo real, como la vibración y la temperatura, para identificar posibles inconvenientes del motor antes de que se generen. Con aplicaciones basadas en sensores como el WEG Motor Scan se extraen datos del motor y se envían a un smartphone o una tableta.

¿Cómo se genera el ahorro de energía? Primeramente, pueden emplearse para detectar vibraciones en el motor, en tanto que las vibraciones generan pérdida de energía en forma de movimiento o bien sonido no deseado. Supongamos, por ejemplo, una planta de fabricación de Brasil donde el equipo de mantenimiento recibe una alerta que indica que el motor tiene niveles de vibración sobre el umbral admisible. El equipo puede reducirlos, eludiendo el cierre de las instalaciones. Seguidamente, al evitar el cierre se evitan la consiguiente pérdida de producción y la necesidad de emplear energía auxiliar para regresar a arrancar la maquinaria.

Estas son solo algunas de las posibilidades, ya que las tecnologías de motores eléctricos se basan en un legado de doscientos años y no dejan de evolucionar. En última instancia, recae sobre los ingenieros la responsabilidad de garantizar que, como en siglos precedentes, el diseño de los motores eléctricos evoluciona constantemente para satisfacer los requisitos cambiantes del planeta moderno.

Para obtener información sobre la gama de productos de WEG, visite www.weg.net.

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