Un rotor de jaula de ardilla es la parte giratoria del motor de inducción de jaula de ardilla común . Consta de un cilindro de láminas de acero, con conductores de aluminio o cobre incrustados en su superficie. En funcionamiento, el devanado del estator no giratorio está conectado a una fuente de alimentación de corriente alterna ; La corriente alterna en el estator produce un campo magnético giratorio . El devanado del rotor tiene corriente inducida por el campo del estator, como un transformador , excepto que la corriente en el rotor varía a la velocidad de rotación del campo del estator menos la velocidad de rotación física. La interacción de los campos magnéticos en el estator y las corrientes en el rotor producen un par en el rotor.
Al ajustar la forma de las barras en el rotor, se pueden cambiar las características de velocidad-par del motor, para minimizar la corriente de arranque o maximizar el par a baja velocidad, por ejemplo.
Los motores de inducción de jaula de ardilla son muy frecuentes en la industria, en tamaños desde menos de 1 kilovatio (1,3 hp) hasta decenas de megavatios (decenas de miles de caballos de fuerza). Son simples, resistentes y de arranque automático, y mantienen una velocidad razonablemente constante desde carga ligera hasta carga completa, determinada por la frecuencia de la fuente de alimentación y el número de polos del devanado del estator. Los motores comúnmente utilizados en la industria suelen tener tamaños de bastidor estándar IEC o NEMA , que son intercambiables entre fabricantes. Esto simplifica la aplicación y el reemplazo de estos motores.
Galileo Ferraris describió en 1885 una máquina de inducción con un devanado de estator de dos fases y una armadura cilíndrica de cobre macizo. En 1888, Nikola Tesla recibió una patente para un motor de inducción de dos fases con un devanado de rotor de cobre en cortocircuito y un motor de dos fases. devanado del estator. Los desarrollos de este diseño adquirieron importancia comercial. En 1889, Mikhail Dolivo-Dobrovolsky desarrolló un motor de inducción de rotor bobinado y poco después un rotor de bobinado de tipo jaula. A finales del siglo XIX, los motores de inducción se utilizaban ampliamente en los crecientes sistemas de distribución eléctrica de corriente alterna. [1]
La forma del rotor del motor es un cilindro montado sobre un eje. Internamente contiene barras conductoras longitudinales (generalmente hechas de aluminio o cobre) colocadas en ranuras y conectadas en ambos extremos mediante anillos de cortocircuito que forman una forma similar a una jaula. El nombre se deriva de la similitud entre esta cuerda de anillos y barras y una jaula de ardilla .
El núcleo sólido del rotor está construido con pilas de laminaciones de acero eléctrico. La figura muestra uno de los muchos juegos de laminación utilizados. La laminación del rotor tiene un mayor número de ranuras que su correspondiente laminación del estator , y el número de ranuras del rotor debe ser un múltiplo no entero del número de ranuras del estator para evitar el entrelazado magnético del rotor y los dientes del estator en el instante de arranque. [2]
Las barras del rotor pueden estar hechas de cobre o aluminio. Una estructura muy común para motores más pequeños utiliza aluminio fundido a presión vertido en el rotor después de apilar las laminaciones. Los motores más grandes tienen barras de aluminio o cobre soldadas a los anillos de los extremos. Dado que la tensión desarrollada en el devanado de jaula de ardilla es muy baja y la corriente muy alta, no existe ninguna capa aislante intencionada entre las barras y el acero del rotor. [3]
Los devanados de campo en el estator de un motor de inducción crean un campo magnético giratorio a través del rotor . El movimiento relativo entre este campo y el rotor induce corriente eléctrica en las barras conductoras. A su vez, estas corrientes longitudinales en los conductores reaccionan con el campo magnético del motor para producir una fuerza que actúa en una tangente ortogonal al rotor, lo que genera un par para girar el eje. En efecto, el rotor se mueve con el campo magnético pero a una velocidad de rotación ligeramente más lenta. La diferencia de velocidad se llama deslizamiento y aumenta con la carga.
Los conductores a menudo están ligeramente sesgados a lo largo del rotor para reducir el ruido y suavizar las fluctuaciones de par que podrían resultar a algunas velocidades debido a las interacciones con las piezas polares del estator, asegurando que en cualquier momento la misma fracción de una barra del rotor está debajo de cada ranura del estator. Si las barras del rotor fueran paralelas a los polos del estator, el motor experimentaría una caída y luego una recuperación del par a medida que cada barra pasa por el espacio del estator.
Las laminaciones que se muestran en la foto tienen 36 barras en el estator y 40 barras en el rotor. El máximo común divisor de 36 y 40 es 4, por lo que no se pueden alinear más de 4 barras del estator y del rotor a la vez, lo que también reduce las fluctuaciones del par.
El número de barras del rotor determina en qué medida las corrientes inducidas se devuelven a las bobinas del estator y, por tanto, la corriente a través de ellas. Las construcciones que ofrecen la menor retroalimentación utilizan números primos de barras del rotor.
El núcleo de hierro sirve para transmitir el campo magnético a través de los conductores del rotor. Debido a que el campo magnético en el rotor alterna con el tiempo, el núcleo utiliza una construcción similar a la del núcleo de un transformador para reducir las pérdidas de energía del núcleo . Está formado por finas laminaciones, separadas por aislamiento de barniz, para reducir las corrientes parásitas que circulan en el núcleo. El material es un hierro con bajo contenido de carbono pero alto contenido de silicio , con una resistividad varias veces mayor que el hierro puro, lo que reduce aún más las pérdidas por corrientes parásitas y una baja coercitividad para reducir las pérdidas por histéresis .
Se utiliza el mismo diseño básico para motores monofásicos y trifásicos en una amplia gama de tamaños. Los rotores para trifásicos tendrán variaciones en la profundidad y forma de las barras para adaptarse a la clasificación del diseño. Generalmente, las barras gruesas tienen buen torque y son eficientes con bajo deslizamiento, ya que presentan menor resistencia a los CEM . A medida que aumenta el deslizamiento, el efecto superficial comienza a reducir la profundidad efectiva y aumenta la resistencia, lo que resulta en una eficiencia reducida pero aún se mantiene el torque.
La forma y profundidad de las barras del rotor se pueden utilizar para variar las características de velocidad-par del motor de inducción. En reposo, el campo magnético giratorio pasa por las barras del rotor a alta velocidad, induciendo una corriente de frecuencia de línea en las barras del rotor. Debido al efecto piel, la corriente inducida tiende a fluir en el borde exterior del devanado. A medida que el motor acelera, la frecuencia de deslizamiento disminuye y la corriente inducida fluye a mayores profundidades en el devanado. Al ahusar el perfil de las barras del rotor para variar su resistencia a diferentes profundidades, o al construir una jaula de ardilla doble, con una combinación de rotor de alta y baja impedancia en paralelo, se puede disponer el motor para producir más o menos par en parado y cerca. su velocidad sincrónica. [3]
Para demostrar cómo funciona el rotor de jaula, se puede utilizar el estator de un motor monofásico y un tubo de cobre (como rotor). Si se aplica alimentación de CA adecuada al estator, un campo magnético alterno girará dentro del estator. Si el tubo de cobre se inserta dentro del estator, habrá una corriente inducida en el tubo, y esta corriente producirá un campo magnético propio en el tubo. La interacción entre el campo magnético giratorio del estator y el campo magnético inducido del rotor del tubo de cobre produce un par y, por tanto, una rotación.
Un motor síncrono puede tener un devanado de jaula de ardilla incrustado en su rotor, que se utiliza para aumentar el par de arranque del motor y así disminuir el tiempo para acelerar a velocidad síncrona. El devanado de jaula de ardilla de una máquina síncrona generalmente será más pequeño que el de una máquina de inducción de potencia similar. Cuando el rotor gira a la misma velocidad que el campo magnético giratorio del estator, no se induce corriente en los devanados de jaula de ardilla y los devanados no tendrán ningún efecto adicional sobre el funcionamiento del motor síncrono en estado estacionario.
El devanado de jaula de ardilla en algunas máquinas proporciona un efecto de amortiguación para perturbaciones de carga o del sistema, y en esta función puede designarse como devanado amortiguador . Las máquinas grandes sólo podrán tener barras amortiguadoras en las caras individuales de los polos, no interconectadas entre polos. Debido a que el devanado de jaula de ardilla no es lo suficientemente grande para disipar el calor del funcionamiento continuo, las máquinas síncronas grandes a menudo tienen relés de protección para detectar cuando la máquina no está sincronizada con el voltaje de suministro. [4]
Los motores de inducción trifásicos de jaula de ardilla también se pueden utilizar como generadores. Para que esto funcione, el motor debe tener una carga reactiva y estar conectado a una red eléctrica o a una disposición de condensadores para proporcionar corriente de excitación. Para que el motor funcione como generador en lugar de motor, el rotor debe girar más rápido que la velocidad sincrónica de su estator. Esto hará que el motor genere energía después de acumular su magnetismo residual.
