Motor jaula de ardilla: funcionamiento, aplicaciones, ventajas
¿Qué es un motor jaula de ardilla?
El motor jaula de ardilla es un motor eléctrico de inducción, cuya parte rotatoria o rotor está constituido por un conjunto de barras conductoras paralelas a la dirección axial y dispuestas en forma cilíndrica alrededor del eje.
Esta forma recuerda una jaula como las que se usaban para atrapar ardillas en el viejo oeste norteamericano, de allí el nombre. Además son los más económicos, duraderos y de menor mantenimiento, por carecer de carbones, escobillas o colectores en el rotor, que no necesita conectarse eléctricamente a ninguna fuente de corriente externa.
Los primeros motores con campo rotatorio fueron ideados entre 1885 y 1886 en forma independiente por dos grandes genios de la electricidad: Galileo Ferraris y Nikola Tesla. Estos motores fueron los predecesores de los actuales motores jaula de ardilla.
El motor jaula de ardilla es de corriente alterna, la cual puede ser trifásica, bifásica o monofásica. De acuerdo al tipo de alimentación puede variar un poco el diseño, pero el principio de funcionamiento siempre es el mismo.
Funcionamiento del motor jaula de ardilla
El principio de funcionamiento se basa en la generación de un campo magnético rotatorio en el centro del motor, por parte de un bobinado estático en su periferia, el cual se alimenta con corriente alterna.
Dicho campo magnético rotatorio induce corrientes en las barras que conforman la jaula del rotor, y estas corrientes a su vez producen un campo magnético secundario que interactúa con el campo primario, produciendo un torque o momento sobre el rotor.
La clave del funcionamiento está en la producción de un campo magnético rotatorio perpendicular al eje de rotación. Este campo rotatorio ejerce una fuerza magnética de torsión sobre las barras longitudinales de la jaula cuando circula corriente.
Para generar la corriente en las barras conductoras paralelas al eje de rotación de la jaula, no se precisa una fuente de corriente exterior, ya que el propio campo rotatorio, por inducción magnética, es capaz de inducir una corriente sobre las barras de la jaula.
Eso siempre y cuando exista una diferencia entre la velocidad de rotación del campo magnético y la velocidad de rotación del rotor.
Campo magnético giratorio en un motor trifásico
Los motores de jaula de ardilla pueden ser trifásicos o monofásicos. En el caso del motor trifásico, es decir el que funciona con corriente alterna de tres fases, cada fase adelanta a la anterior en 120º, es decir un tercio de periodo.
En todo motor eléctrico se distinguen dos partes:
- Estator, la parte periférica del motor que esta fija respecto a la carcasa del mismo.
- Rotor, parte central rotatoria del motor.
En el estator hay un paquete de láminas ranuradas y esmaltadas (para evitar corrientes parásitas o de Foucault) y de alta permeabilidad magnética.
Por el ranurado pasan los cables cubiertos con barniz aislante que forman, como mínimo, tres arrollamientos o bobinas, desfasadas en 120º. Las tres bobinas se alimentan con corriente alterna trifásica y cada fase adelantada también en 120º respecto de la anterior.
En cada instante la superposición de los campos magnéticos da un campo resultante perpendicular al eje de rotación del motor. A medida que avanza el tiempo, el campo magnético combinado de las tres bobinas mantiene su amplitud, pero su dirección siempre perpendicular al eje de rotación, rota con una frecuencia igual al de la corriente alterna, generalmente entre 50 y 60 Hz.
Rotor jaula de ardilla
Consiste en dos aros conductores conectados por ocho o más barras conductoras longitudinales, paralelas al eje de rotación.
Torque sobre el rotor
Para entender cómo el campo rotatorio produce torque sobre la jaula se puede imaginar una jaula mínima, constituida por dos barras longitudinales diametralmente opuestas.
Cuando esta jaula está originalmente en reposo y gracias a la fuerza electromotriz, el campo rotatorio que la atraviesa induce un movimiento de carga en cada barra. Sin embargo, como las barras están cortocircuitadas en sus extremos por un aro conductor, se establece una circulación de corriente entre las barras opuestas.
Por otra parte, como las barras tienen movimiento relativo al campo del estator, aparece sobre las mismas una fuerza de origen magnético, conocida como fuerza de Lorentz, la cual es perpendicular al campo radial del estator y a la dirección de la corriente en cada barra.
Para que exista corriente y torque sobre las barras, es necesario que las mismas tengan movimiento relativo respecto al campo magnético radial producido en el estator.
Por ello la velocidad de rotación de la jaula siempre es menor que la del campo magnético. Debido a esta falta de sincronía entre el rotor y el campo, este es un motor asincrónico.
Se produce por tanto un par de fuerzas opuestas en cada barra, que produce un torque sobre la jaula simplificada, y de igual forma con jaulas de más de dos barras.
Rotor con núcleo de hierro
Una mejora consiste en colocar la jaula embebida en un conjunto discos laminados y esmaltados, hechos de material de alta permeabilidad magnética, como el hierro.
La finalidad es multiplicar la intensidad de los campos magnéticos producidos tanto por el estator como por el propio rotor. Es gracias a la interacción entre estos dos campos que se produce el torque sobre el rotor.
La experiencia ha demostrado que, si las barras de la jaula tienen cierta oblicuidad respecto al eje de rotación, el motor presenta un funcionamiento más suave y con menos vibraciones.
A mayor carga en el rotor, la velocidad de deslizamiento del rotor respecto de la velocidad de rotación del campo magnético del estator también crece. Por tanto, las máximas corrientes y los máximos torques se producen cuando el rotor está trabado, razón por la cual el motor sobrecargado puede sufrir recalentamiento y por tanto daño en los barnices y esmaltes aislantes de las bobinas y de las chapas que conforman los núcleos del estator y rotor.
Aplicaciones del motor jaula de ardilla
Los motores jaula de ardilla trifásicos son los preferidos para aplicaciones industriales. Son menos recomendados para usos domésticos en los que se prefiere el motor monofásico asincrónico, debido a que la corriente trifásica generalmente no llega a las residencias.
Bombas centrífugas
Los motores jaula de ardilla son los preferidos para las bombas centrífugas.
Tornos y fresadoras
También son ideales en los grandes tornos y fresadoras, así como en las industrias donde se requiere de bandas transportadoras y sopladores.
Corte y troquelado de láminas
Este tipo de motores son aptos para la industria pesada de troqueles y cizalladura de láminas metálicas.
Ventajas
Los motores jaula de ardilla tienen numerosas ventajas respecto a otros tipos de motores eléctricos:
- En igualdad de potencia, los motores jaula de ardilla, son más compactos y de menor peso que los motores síncronos.
- Son completamente escalables, es decir se pueden construir desde pequeños hasta muy grandes.
- El torque o par de giro de los motores jaula de ardilla es generalmente mayor que el de otro tipo de motores, muy apropiados para el uso pesado.
- La eficiencia de los motores trifásicos de jaula de ardilla es superior al 70%. Los motores monofásicos asíncronos tienen un rendimiento menor, pero siempre superior a los motores de corriente continua.
- Debido al desarrollo de la electrónica de potencia, es posible controlar la velocidad de dichos motores en forma electrónica, variando la frecuencia de la corriente.
Desventajas
Entre las principales desventajas se pueden citar:
- En el momento de arranque los motores de inducción tienen una alta demanda de corriente, por lo que no son indicados para aplicaciones en las que el motor deba arrancar y parar constantemente, ya que supondría una sobrecarga en el sistema eléctrico.
- Aun cuando la electrónica de potencia ha avanzado, su velocidad de rotación no es tan controlable como la de los motores de paso.
Referencias
- Máquinas asíncronas o de inducción. Recuperado de: bibing.us.es
- Martínez J. Partes de un motor de inducción y su principio de funcionamiento. Recuperado de: maquinaselectricas4.files.wordpress.com
- Rosales J. Motores eléctricos para la industria. Recuperado de: usmp.edu.pe
- Wikipedia. Jaula de ardilla. Recuperado de: es.wikipedia.com
- Wikipedia. Motor asíncrono. Recuperado de: es.wikipedia.com