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. Característicamente, los motores de inducción lineales tienen una longitud primaria o secundaria finita, lo 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 lineales 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 compensar fuerza y velocidad. Por lo tanto, los motores de inducción lineales suelen ser menos eficientes energéticamente que los motores rotativos normales para cualquier producción de fuerza requerida.
Los LIM, a diferencia de sus homólogos giratorios, pueden dar un efecto de levitación. Por lo tanto, se utilizan a menudo cuando se requiere fuerza sin contacto, cuando se desea un bajo mantenimiento o cuando 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 hasta la década de 1840, hasta el trabajo de Charles Wheatstone en el King's College de Londres, [3] pero el modelo de Wheatstone era demasiado ineficiente para ser práctico. En la patente estadounidense 782312 (1905; inventor Alfred Zehden de Frankfurt-am-Main) se describe un motor de inducción lineal factible y está destinado a impulsar trenes o ascensores. El ingeniero alemán Hermann Kemper construyó un modelo funcional en 1935. [4] A finales 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 unilateral, el campo magnético puede crear fuerzas de repulsión que empujan al conductor lejos del estator, levitando y llevándolo en 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 utilizar postes muy largos y, por tanto, permite una alta velocidad y eficiencia. [5]
El primario de un motor de inducción lineal generalmente consiste en un núcleo magnético plano (generalmente laminado) con ranuras transversales que a menudo son de corte recto [6] con bobinas colocadas en las ranuras, y cada fase proporciona una polaridad alterna para que las diferentes fases se superpongan físicamente.
El secundario suele ser una lámina de aluminio, a menudo con una placa de soporte de hierro. Algunos LIM tienen dos caras con un primario a cada lado del secundario y, en este caso, no se necesita ningún respaldo de hierro.
Existen dos tipos de motor lineal: un primario corto , donde las bobinas son truncadas más cortas que las secundarias, y un secundario corto , donde la placa conductora es más pequeña. Los LIM secundarios cortos a menudo se enrollan como conexiones paralelas entre bobinas de la misma fase, mientras que los primarios cortos generalmente se enrollan en serie. [7]
Los primarios de los LIM de flujo transversal tienen una serie de polos gemelos que se encuentran transversalmente uno al lado del otro con direcciones de bobinado opuestas. Estos postes normalmente se fabrican con una placa de respaldo laminada cortada adecuadamente o con una serie de núcleos en U transversales.
En este diseño de motor eléctrico, la fuerza es producida por un campo magnético que se mueve linealmente y que actúa sobre los conductores del campo. Cualquier conductor, ya sea un bucle, una bobina o simplemente una pieza de placa de metal, que se coloque en este campo tendrá corrientes parásitas inducidas , creando así un campo magnético opuesto de acuerdo con la ley de Lenz . Los dos campos opuestos se repelerán, creando movimiento a medida que el campo magnético atraviesa 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 del campo viajero tiene una velocidad de:
donde v s es la velocidad del campo viajero lineal en m/s y t es el paso polar.
Para un deslizamiento de s , la velocidad del secundario en un motor lineal viene dada por
El accionamiento generado por los motores de inducción lineal es algo similar al de los motores de inducción convencionales; las fuerzas impulsoras muestran una forma característica más o menos similar en relación con el deslizamiento, aunque moduladas por 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 muestra "efectos finales". Estos efectos finales incluyen pérdidas en el rendimiento y la eficiencia que se cree que son causadas por la energía magnética que se lleva y se pierde al final del primario por el movimiento relativo del primario y el secundario.
Con un secundario corto, el comportamiento es casi idéntico al de una máquina rotativa, siempre que tenga al menos dos polos de largo pero con una breve reducción primaria en el empuje que se produce 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 ligereza": los motores de inducción normales pueden hacer funcionar el motor con un campo casi sincrónico en condiciones de carga baja. Por el contrario, en los motores lineales los efectos finales generan pérdidas mucho mayores. [7]
Además, a diferencia de un motor rotativo, se muestra una fuerza de levitación electrodinámica , que es cero con un deslizamiento cero y proporciona una cantidad aproximadamente constante de fuerza/espacio a medida que el deslizamiento aumenta en cualquier dirección. Esto ocurre en motores de un solo lado y la levitación generalmente no ocurre cuando se usa una placa de soporte de hierro en el secundario, ya que esto provoca una atracción que supera la fuerza de elevación. [9]
Los motores de inducción lineales suelen ser menos eficientes que los motores de inducción rotativos convencionales; los efectos finales y el espacio de aire relativamente grande que a menudo está presente reducirán las fuerzas producidas para la misma potencia eléctrica. [1] De manera similar, la eficiencia durante el funcionamiento del generador (frenado/recuperación eléctrica) con un motor de inducción lineal se informó como relativamente baja debido a efectos finales. [11] El entrehierro más grande también aumenta la inductancia del motor, lo que puede requerir condensadores más grandes y costosos.
Sin embargo, los motores de inducción lineal pueden evitar la necesidad de cajas de cambios y sistemas de transmisión similares, y estos 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 lineal tienen muchas menos piezas móviles y requieren muy poco mantenimiento. Además, el uso de motores de inducción lineales en lugar de motores giratorios con transmisiones de rotación a lineal en sistemas de control de movimiento permite un mayor ancho de banda y precisión del sistema de control , porque las transmisiones de rotación a lineal introducen juego, fricción estática y/o cumplimiento mecánico en el sistema de control.
Debido a estas propiedades, los motores lineales se utilizan a menudo en la propulsión maglev , como en la línea japonesa de trenes de levitación magnética Linimo cerca de Nagoya .
El primer sistema maglev automatizado comercial del mundo fue un transbordador maglev de baja velocidad que iba 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 e propulsados por 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 se exhibe ahora en Railworld en Peterborough , junto con el vehículo del tren flotante RTV31 . [14]
Sin embargo, se han utilizado motores lineales independientemente de la levitación magnética, como la línea Toei Ōedo de Tokio . El Bombardier Innovia Metro 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 Guangzhou , con aproximadamente 130 km (81 millas) de ruta utilizando trenes subterráneos propulsados por LIM a lo largo de la Línea 4 , Línea 5 y Línea 6 . También son utilizados por el PeopleMover de Tomorrowland Transit Authority en Walt Disney World Resort en Bay Lake, Florida , y el transportador de personas Subway en el Aeropuerto Intercontinental George Bush en Houston , Texas , que utiliza el mismo diseño.
La tecnología de motores de inducción lineal también se utiliza en algunas montañas rusas lanzadas . En la actualidad sigue siendo poco práctico en los tranvías que circulan por las calles , aunque, en teoría, podría hacerse 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 suelen utilizar en puertas correderas, como las de 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 movimiento X - Y directo para el corte láser de precisión de telas y láminas de metal, el dibujo automatizado y la formación de cables. Además, se han utilizado motores de inducción lineal con un secundario cilíndrico para proporcionar movimiento lineal y giratorio simultáneo para montar dispositivos electrónicos en placas de circuito impreso. [15]
La mayoría de los motores lineales utilizados son LIM (motores de inducción lineal) o LSM (motores síncronos lineales). Los motores lineales de CC no se utilizan porque implican un mayor costo y el SRM lineal adolece de un empuje deficiente. Por lo tanto, para carreras largas en tracción se prefiere principalmente LIM y para carreras cortas se prefiere 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 aviones (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 cable inventado por ThyssenKrupp utiliza un accionamiento de inducción lineal. [dieciséis]
{{cite journal}}: Citar diario requiere |journal=( ayuda ){{cite web}}: |last=tiene nombre genérico ( ayuda )