Cómo las pérdidas de hierro influyen directamente en la selección de un motor BLDC

Esto es especialmente cierto en el mundo de los motores eléctricos en miniatura, que son vitales para salvar, mejorar y mejorar la vida de muchos. Un aspecto clave del rendimiento de un motor es su eficiencia, que se define como la relación entre la potencia mecánica y la potencia eléctrica: η=(Potencia mecánica)/(Potencia eléctrica)

Debido a que la eficiencia impacta directamente en el calentamiento y el consumo de energía del motor, debe seleccionarse con sumo cuidado para aprovechar al máximo el espacio disponible. Aquí exploramos la eficiencia y las pérdidas de un motor BLDC, así como también cómo esto juega un papel clave en el proceso de diseño y selección del motor.

El propósito de un motor BLDC es transformar la potencia eléctrica (UI) en potencia mecánica (Tω). Sin embargo, dado que un motor nunca puede alcanzar la perfección, se crean tres tipos principales de pérdidas durante la conversión de energía eléctrica a mecánica: pérdidas por fricción, pérdidas de cobre y pérdidas de hierro.

Potencia eléctrica – (Pérdidas por fricción + Pérdidas de cobre + Pérdidas de hierro) = Potencia mecánica

Pérdidas por fricción: Las pérdidas por fricción las generan los rodamientos de bolas/casquillos y dependen del uso de la aplicación (velocidad, carga, aceleración) y del entorno (temperatura, suciedad, etc.), pero también de los parámetros intrínsecos del rodamiento, incluidos el material, el desgaste, los lubricantes, y sellado.

Pérdidas de cobre : Las pérdidas de cobre, también llamadas pérdidas Joule, son generadas por la resistencia de la bobina. El par es directamente linealmente proporcional a la corriente (T=kI), por lo que cuanto más par proporciona un motor, mayores son las pérdidas de cobre que se generan. Esto sigue la función cuadrática: Pérdidas de cobre=R * I ²

Tenga en cuenta que la resistencia aumentará cuando el motor se esté calentando, lo que reducirá la eficiencia de acuerdo con la siguiente ecuación. R = R_0.(1+γ.∆Temp)

-R_0: valor de resistencia (Ω) en el ambiente (dado en la hoja de datos) | γ: factor de resistencia de 0,004/°C para el cobre

Pérdidas de hierro : Las pérdidas de hierro pueden malinterpretarse fácilmente, pero tienen un impacto sustancial en el rendimiento del motor. Las pérdidas dependen en gran medida de la frecuencia de la variación del flujo magnético en un material, lo que significa que cuanto más rápido gira un motor, más pérdidas se generan.

Para comprender mejor este fenómeno, se puede realizar un pequeño experimento. Se puede lanzar un imán en un tubo ligeramente ferromagnético (cobre o aluminio), donde se puede observar que la velocidad del imán que cae es mucho menor de lo que se esperaría. Podemos comparar esto cambiando el tubo a plástico o reemplazando el imán con una pieza de metal del mismo tamaño y peso.

De acuerdo con la Ley de Lenz, cuando el imán cae a través del tubo, el cambio de campo magnético induce corrientes que fluyen en una dirección opuesta al cambio que las produce. Esto es lo que reduce la velocidad del imán.

Ley de Lenz: FEM inducida = -(∆Φ/∆t)

∆Φ/∆t es la tasa de cambio en el flujo magnético

Las pérdidas de hierro son generadas por dos fenómenos: Corrientes de Foucault

De acuerdo con la Ley de Faraday, cuando se aplica un campo magnético a un conductor, se genera una corriente a través de él. Y dado que el material tiene una resistividad eléctrica específica, genera algunas pérdidas (R*I²).

Pérdidas por corrientes de Foucault=RI^2≅ CB^2.f^2.t^2.

– C es una constante que depende del diseño y los materiales del motor

– B es el campo magnético en el material (T)

-f es la frecuencia de inversión magnética por segundo (Hz)

-t es el espesor del material (m)

-V es el volumen del conductor (m³)

Con la fórmula anterior, podemos ver los parámetros que juegan un papel importante en la creación de estas pérdidas por corrientes de Foucault (Figura 3). No es sorprendente que la frecuencia de inversión del campo magnético tenga un impacto sustancial, al igual que la velocidad del motor; la intensidad del campo magnético e incluso el grosor del material también juegan un papel importante.

Una forma eficaz de reducir el impacto del grosor del material es laminar el material del núcleo. Esto crea un camino más pequeño para que viaje la corriente, lo que significa que se dividirá en varias corrientes pequeñas en lugar de una corriente grande. Como las pérdidas se crean con el valor al cuadrado de la corriente, esto es muy eficaz (t/2 => i/2 => corrientes de Foucault/4). Una cosa a tener en cuenta es que para evitar que la corriente fluya entre dos láminas, deben estar aisladas entre sí con un revestimiento.

Cuando el flujo magnético se invierte en un material ferromagnético, el material se magnetiza y se desmagnetiza, lo que crea una pérdida de energía. Para eliminar la densidad de flujo, necesitamos pasar el punto de coercitividad proporcionando un flujo magnético opuesto (Figura 4).

Estas pérdidas dependen principalmente de la inducción magnética en el circuito, pero también de las propiedades del material (como la permeabilidad y el volumen) y la frecuencia de variación del flujo. Por eso es clave seleccionar el material correcto para la velocidad correcta.

La ecuación de Steinmetz nos ayuda a calcular estas pérdidas por histéresis y comprender mejor la influencia de cada parámetro:

Pérdidas por histéresis = k * V * f * B^n

-ka constante en función del material-V el volumen del circuito magnético (m³)-f la frecuencia del campo magnético (Hz)-B la inducción máxima en el circuito magnético (T)-na coeficiente en función del material (entre 1,6 y 2)

Las diferentes pérdidas que genera un motor eléctrico limitan su potencia máxima, ya que se quemaría si supera una temperatura determinada según el diseño del motor. Esto significa que es fundamental seleccionar el motor adecuado en función del punto de trabajo específico (par y velocidad).

Las pérdidas de julios se generan principalmente al crear par, mientras que las pérdidas de hierro se generan normalmente a alta velocidad. Es por eso que para un motor dado, el par continuo máximo posible disminuye cuando aumenta la velocidad (Figura 5).

Cambiar el número de polos de un imán puede tener un gran impacto en el rendimiento del motor. En términos generales, los motores largos son de 2 polos y pueden funcionar a altas velocidades. Sin embargo, si bien aumentar el número de polos aumentará el par máximo de un motor, también aumentará las pérdidas de hierro y, por lo tanto, reducirá la velocidad continua máxima.

Dado que las pérdidas en el hierro dependen en gran medida de la frecuencia de variación del flujo magnético para una velocidad similar, al aumentar el número de polos aumenta el número de variaciones para una vuelta del motor. Para las pérdidas por corrientes de Foucault, esto sucede con el cuadrado de la frecuencia aumentada, lo que puede reducir rápidamente la eficiencia de un motor.

Las curvas de potencia de los motores ilustran los límites de funcionamiento continuo de un motor en aire a 25°C, incluidas las pérdidas. En la Figura 6 podemos ver una comparación de dos motores Portescap que tienen el mismo paquete, pero con un motor de 2 polos y el segundo motor de 4 polos.

Podemos ver claramente que el motor de 4 polos (22ECT60 - optimizado para par) pierde rápidamente capacidades de par mientras aumenta la velocidad en comparación con el motor de 2 polos (22ECT60 - optimizado para velocidad).

Al seleccionar un motor eléctrico, es fundamental considerar las diferentes pérdidas, ya que los límites del motor son térmicos. Las pérdidas de hierro juegan un papel clave en la eficiencia del motor, especialmente a alta velocidad o para diseños multipolares de alto par. La optimización de la relación entre las pérdidas de julios y de hierro permitirá conservar la energía y desarrollar dispositivos mejorados.

Portescap entiende muy bien estas características y se esmera en diseñar motores con altas prestaciones y menores pérdidas. Un diseño no se adapta a todas las aplicaciones, por lo que el equipo de Portescap se dedica a desarrollar una cartera diversa de tecnologías de motores que abordan dispositivos y aplicaciones con puntos de trabajo críticos.

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