Un motor de inducción lineal ( LIM ) es un motor lineal asíncrono de corriente alterna (CA) que funciona según los mismos principios generales que otros motores de inducción , pero que normalmente está diseñado para producir movimiento directamente en línea recta. Los motores de inducción lineales tienen una longitud primaria o secundaria finita, que genera efectos finales, mientras que un motor de inducción convencional está dispuesto en un bucle sin fin. [1]
A pesar de su nombre, no todos los motores de inducción lineal producen movimiento lineal; algunos motores de inducción lineal se emplean para generar rotaciones de grandes diámetros donde el uso de un primario continuo sería muy costoso.
Al igual que los motores rotativos, los motores lineales suelen funcionar con una fuente de alimentación trifásica y pueden soportar velocidades muy altas. Sin embargo, existen efectos finales que reducen la fuerza del motor y, a menudo, no es posible instalar una caja de cambios para equilibrar la fuerza y la velocidad. Por lo tanto, los motores de inducción lineales suelen ser menos eficientes energéticamente que los motores rotativos normales para cualquier salida de fuerza requerida.
Los LIM, a diferencia de sus contrapartes rotatorias, pueden producir un efecto de levitación. Por lo tanto, se utilizan a menudo donde se requiere fuerza sin contacto, donde se desea un bajo mantenimiento o donde el ciclo de trabajo es bajo. Sus usos prácticos incluyen levitación magnética , propulsión lineal y actuadores lineales. También se han utilizado para bombear metales líquidos. [2]
La historia de los motores eléctricos lineales se remonta al menos a la década de 1840, al trabajo de Charles Wheatstone en el King's College de Londres [3] , pero el modelo de Wheatstone era demasiado ineficiente para ser práctico. Un motor de inducción lineal factible se describe en la patente estadounidense 782312 (1905; inventor Alfred Zehden de Frankfurt-am-Main), y está destinado a impulsar trenes o ascensores. El ingeniero alemán Hermann Kemper construyó un modelo funcional en 1935 [4] . A fines de la década de 1940, el profesor Eric Laithwaite del Imperial College de Londres desarrolló el primer modelo funcional de tamaño real.
En una versión de un solo lado, el campo magnético puede crear fuerzas de repulsión que empujan al conductor lejos del estator, haciéndolo levitar y llevándolo a lo largo de la dirección del campo magnético en movimiento. Laithwaite llamó a las versiones posteriores un río magnético . Estas versiones del motor de inducción lineal utilizan un principio llamado flujo transversal donde dos polos opuestos se colocan uno al lado del otro. Esto permite que se utilicen polos muy largos y, por lo tanto, permite una alta velocidad y eficiencia. [5]
El núcleo primario de un motor de inducción lineal generalmente consta de un núcleo magnético plano (generalmente laminado) con ranuras transversales que a menudo están cortadas de forma recta [6] con bobinas colocadas en las ranuras, y cada fase proporciona una polaridad alterna de modo que las diferentes fases se superponen físicamente.
El secundario suele ser una lámina de aluminio, a menudo con una placa de respaldo de hierro. Algunos LIM tienen dos caras, con un primario en cada lado del secundario y, en este caso, no se necesita respaldo de hierro.
Existen dos tipos de motores lineales: un motor primario corto , en el que las bobinas están truncadas más cortas que el secundario, y un motor secundario corto , en el que la placa conductora es más pequeña. Los motores lineales secundarios cortos suelen estar bobinados como conexiones paralelas entre bobinas de la misma fase, mientras que los motores primarios cortos suelen estar bobinados en serie. [7]
Los conductores primarios de los LIM de flujo transversal tienen una serie de polos gemelos dispuestos transversalmente, uno al lado del otro, con direcciones de bobinado opuestas. Estos polos suelen estar hechos con una placa de soporte laminada cortada adecuadamente o con una serie de núcleos en U transversales.
En este diseño de motor eléctrico, la fuerza se produce por un campo magnético que se mueve linealmente y actúa sobre los conductores en el campo. Cualquier conductor, ya sea un bucle, una bobina o simplemente un trozo de placa de metal, que se coloque en este campo tendrá corrientes parásitas inducidas en él, creando así un campo magnético opuesto de acuerdo con la ley de Lenz . Los dos campos opuestos se repelerán entre sí, creando movimiento a medida que el campo magnético barre el metal.
donde f s es la frecuencia de suministro en Hz, p es el número de polos y n s es la velocidad sincrónica del campo magnético en revoluciones por segundo.
El patrón de campo móvil tiene una velocidad de:
donde v s es la velocidad del campo que se desplaza linealmente en m/s, y t es el paso polar.
Para un deslizamiento de s , la velocidad del secundario en un motor lineal está dada por
El accionamiento generado por los motores de inducción lineal es algo similar al de los motores de inducción convencionales; las fuerzas de accionamiento muestran una forma característica aproximadamente similar en relación con el deslizamiento, aunque modulada por los efectos finales. [9]
Existen ecuaciones para calcular el empuje de un motor. [10]
A diferencia de un motor de inducción circular, un motor de inducción lineal presenta "efectos finales". Estos efectos finales incluyen pérdidas de rendimiento y eficiencia que se cree que son causadas por la energía magnética que se pierde al final del motor primario debido al movimiento relativo del motor primario y el secundario.
Con un secundario corto, el comportamiento es casi idéntico al de una máquina rotatoria, siempre que tenga al menos dos polos de longitud, pero con una reducción primaria corta en el empuje que ocurre con un deslizamiento bajo (por debajo de aproximadamente 0,3) hasta que tenga ocho polos o más. [7]
Sin embargo, debido a los efectos finales, los motores lineales no pueden "funcionar con poco peso": los motores de inducción normales pueden hacer funcionar el motor con un campo casi sincrónico en condiciones de carga baja. Por el contrario, los efectos finales crean pérdidas mucho más significativas con los motores lineales. [7]
Además, a diferencia de un motor rotatorio, se muestra una fuerza de levitación electrodinámica , que es cero en deslizamiento cero y da una cantidad de fuerza/espacio aproximadamente constante a medida que el deslizamiento aumenta en cualquier dirección. Esto ocurre en motores de un solo lado y la levitación no suele ocurrir cuando se utiliza una placa de respaldo de hierro en el secundario, ya que esto provoca una atracción que supera la fuerza de elevación. [9]
Los motores de inducción lineal suelen ser menos eficientes que los motores de inducción rotativos convencionales; los efectos finales y el entrehierro relativamente grande que suele estar presente normalmente reducirán las fuerzas producidas para la misma potencia eléctrica. [1] De manera similar, se informó que la eficiencia durante el funcionamiento del generador (frenado/recuperación eléctrica) con un motor de inducción lineal era relativamente baja debido a los efectos finales. [11] El entrehierro más grande también aumenta la inductancia del motor, lo que puede requerir capacitores más grandes y más costosos.
Sin embargo, los motores de inducción lineales pueden evitar la necesidad de cajas de engranajes y transmisiones similares, y estas tienen sus propias pérdidas; y el conocimiento práctico de la importancia del factor de bondad puede minimizar los efectos del mayor espacio de aire. En cualquier caso, el uso de energía no siempre es la consideración más importante. Por ejemplo, en muchos casos, los motores de inducción lineales tienen muchas menos partes móviles y requieren muy poco mantenimiento. Además, el uso de motores de inducción lineales en lugar de motores rotativos con transmisiones rotativas a lineales en sistemas de control de movimiento permite un mayor ancho de banda y precisión del sistema de control , porque las transmisiones rotativas a lineales introducen holgura, fricción estática y/o flexibilidad mecánica en el sistema de control.
Debido a estas propiedades, los motores lineales se utilizan a menudo en la propulsión de levitación magnética , como en la línea de tren de levitación magnética japonesa Linimo cerca de Nagoya .
El primer sistema de levitación magnética automatizado comercial del mundo fue un transbordador de levitación magnética de baja velocidad que funcionó desde la terminal del aeropuerto de Birmingham hasta la cercana estación de tren internacional de Birmingham entre 1984 y 1995. [12] La longitud de la vía era de 600 metros (2000 pies), y los trenes "volaban" a una altitud de 15 milímetros (0,59 pulgadas), levitados por electroimanes y propulsados con motores de inducción lineal. [13] Estuvo en funcionamiento durante casi once años, pero los problemas de obsolescencia con los sistemas electrónicos lo hicieron poco confiable en sus últimos años. Uno de los vagones originales ahora está en exhibición en Railworld en Peterborough , junto con el vehículo de tren flotante RTV31 . [14]
Sin embargo, los motores lineales se han utilizado independientemente de la levitación magnética, como en la línea Toei Ōedo de Tokio . El metro de Bombardier Innovia es un ejemplo de un sistema automatizado que utiliza propulsión LIM. El sistema de tránsito rápido más largo que emplea dicha tecnología es el metro de Cantón , con aproximadamente 130 km (81 mi) de ruta que utiliza trenes subterráneos propulsados por LIM a lo largo de las líneas 4 , 5 y 6. También los utilizan el SkyTrain (Vancouver) , el Tomorrowland Transit Authority PeopleMover en Walt Disney World Resort en Bay Lake, Florida , y el Subway People Mover en el Aeropuerto Intercontinental George Bush en Houston , Texas , que utiliza el mismo diseño.
La tecnología de motor de inducción lineal también se utiliza en algunas montañas rusas . En la actualidad, todavía no es viable en tranvías que circulan por la calle , aunque en teoría se podría hacer enterrándolo en un conducto ranurado.
Fuera del transporte público, se han propuesto motores lineales verticales como mecanismos de elevación en minas profundas , y el uso de motores lineales está creciendo en aplicaciones de control de movimiento . También se utilizan a menudo en puertas corredizas, como las de los tranvías de piso bajo, como el Alstom Citadis y el Eurotram .
También existen motores lineales de doble eje. Estos dispositivos especializados se han utilizado para proporcionar un movimiento directo X - Y para el corte láser de precisión de tela y chapa metálica, el trazado automatizado y el conformado de cables. Asimismo, se han utilizado motores de inducción lineal con un secundario cilíndrico para proporcionar un movimiento lineal y rotatorio simultáneo para montar dispositivos electrónicos en placas de circuitos impresos. [15]
La mayoría de los motores lineales que se utilizan son LIM (motores de inducción lineales) o LSM (motores síncronos lineales). Los motores de CC lineales no se utilizan porque son más costosos y los SRM lineales tienen un empuje deficiente. Por lo tanto, para tracción de larga duración, se prefiere principalmente el LIM y, para tracción de corta duración, el LSM.
Los motores de inducción lineal también se han utilizado para el lanzamiento de aviones; el sistema Westinghouse Electropult [7] de 1945 fue un ejemplo temprano y el Sistema Electromagnético de Lanzamiento de Aeronaves (EMALS) debía entregarse en 2010.
Los motores de inducción lineal también se utilizan en telares, la levitación magnética permite que las bobinas floten entre las fibras sin contacto directo.
El primer ascensor sin cables inventado por ThyssenKrupp utiliza un sistema de accionamiento por inducción lineal. [16]
