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UNIVERSIDAD SIMON BOLIVAR
Departamento de Conversión y Transporte de Energía
Sección de Máquinas Eléctricas
Prof. E. Daron B.
PRINCIPIOS CONSTRUCTIVOS DE LAS MAQUINAS
Hoja Nº I-12
ELECTRICAS ROTATIVAS
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Departamento de Conversión y Transporte de Energía
Sección de Máquinas Eléctricas
Prof. E. Daron B.
MATERIALES UTILIZADOS EN LA CONSTRUCCION DE Hoja Nº I-13
LAS MAQUINAS ELECTRICAS
MATERIAL CONDUCTOR: Para los arrollamientos de las máquinas eléctricas se emplea
casi exclusivamente el cobre. La industria eléctrica mundial demanda el 50% de toda la
producción mundial de cobre.
Para las jaulas de rotores en corto circuito hasta potencias medias se emplea a menudo una
aleación de aluminio. Mas allá de ello, para el material de las barras de la jaula se usa mucho
el. Bronce.
MATERIAL AISLANTE: Tiene la finalidad de aislar entre si las partes de un arrollado y los
conductores y contra el hierro de la máquina.
Con los materiales sintéticos existe una muy amplia gama de materiales aislantes.
La selección del material aislante está relacionada con la temperatura máxima alcanzada por el
arrollado.
Las normas sobre construcción de máquinas han clasificado los materiales aislantes de acuerdo
a la temperatura máxima admisible.
En Baja Tensión se utilizan exclusivamente Barnices Aislantes.
Como material intermedio y para revestir las ranuras, se utilizan cartón prensado, folias
sintéticas, tejido de fibra de vidrio y materiales de asbesto.
En caso de máquinas de tensiones medias por encima de los 3 kV se utiliza igualmente barniz,
pero recubierto de cintas aislantes con fibra de vidrio. El aislamiento principal lo asume una
cinta de seda vitrificada con mica, que envuelve en varias capas el paquete de conductores.
Sigue una impregnación con resina sintética y secado al horno, lo que proporciona una
cubierta dura resistente. La protección mecánica dentro de la ranura la asume un recubrimiento
interno.
CHAPA MAGNETICA Y PERDIDAS EN EL HIERRO:
Para mantener los requerimientos de FMM para un flujo dado lo más pequeño posible para un
circuito magnético, las líneas de flujo se llevan con excepción del entrehierro existente entre
estator y rotor, por el camino del llamado HIERRO ACTIVO.
Si el flujo es constante en el tiempo, para el hierro activo puede utilizarse acero macizo forjado
o fundido.
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MATERIALES UTILIZADOS EN LA CONSTRUCCION DE Hoja Nº I-14
LAS MAQUINAS ELECTRICAS
Si el flujo es variable en el tiempo, se utiliza chapa magnética formada de chapas aisladas
entre sí y de 0,35 ó 0,5 mm de espesor.
El aislamiento entre las láminas se logra con una delgada capa de fosfato aislante aplicada
durante los procesos térmicos de fabricación de la chapa.
Las chapas se ganan de un proceso de laminado al frío o en cliente. Las chapas modernas son
ganadas del proceso al frío y además son de grano orientado, lo cual le da propiedades
magnéticas especialmente ventajosas si se magnetiza el material en el sentido de apilamientos
muy elevados.
Nota: Factor de apilamiento; es la relación entre sección efectiva de hierro y sección
geométrica de un paquete de chapas.
VALORES TIPICOS DE INDUCCION MAGNETICA EN UNA MAQUINA ELECTRICA
TABLA CON PROPIEDADES DE CHAPAS DE DINAMO (DIN 46400)
V: laminado en frío, grano no orientado; A tratamiento térmico; VM grano orientado; N
pérdidas magnéticas normales
Designación
V 250-35 A
V 270-50 A
V 800-50 A
VM 89-27 N
VM 111-35 N
Espesor
mm
0,35
0,50
0,50
0,27
0,35
Pérdidas en W/Kg
v17
v10 v15
1,00
2,50
1,10
2,70
3,60
8,00
0,89
1,40
1,11
1,65
Factor de
Apilamiento
0,95
0.97
0,97
0.95
0,96
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CARACTERISTICA MAGNETICA
Hoja Nº I-15
Todos los materiales ferromagnéticos muestran una fuerte dependencia entre la inducción
magnética y la permeabilidad. Para las consideraciones prácticas es mejor, en lugar de la
permeabilidad, mostrar de una vez la función B = f(H).
Con el comienzo de la saturación, la permeabilidad relativa decrece fuertemente y la curva
tiende al valor final B = µ .H
Curvas de magnetización en corriente continua :
1
Chapa de dinamo laminada en caliente 0.5 mm v10 = 3 W/kg
2
Chapa laminada al frío de grano orientado
0,35 mm v10 = 0,45 W/kg
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CARACTERISTICA MAGNETICA
Hoja Nº I-16
Grafico que muestra la dependencia de las pérdidas específicas y de la intensidad de campo
magnético de la desviación de la dirección de la magnetización relativa a la orientación de los
granos
B = 1,5 Tela
α : Desviación de la orientación
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PERDIDAS EN EL HIERRO
Hoja Nº I-17
Las pérdidas en el hierro solo se producen en el caso de una magnetización variable en el
tiempo. Estas pérdidas comprenden las PERDIDAS POR HISTERESIS y las PERDIDAS
POR CORRIENTES PARASITAS.
PERDIDAS POR HISTERESIS: Estas se pueden ver en forma simplificada como pérdidas por
roce entre los “imanes elementales” que son responsables del efecto reforzador que sobre la
inducción magnética tiene el hiero.
Mediante la magnetización alterna de frecuencia f, se produce un cambio periódico del
sentido de orientación, proceso que absorbe energía.
Como se muestra en los conceptos de”densidad de energía de un campo magnético”, esa
energía es proporcional al contenido del Ciclo de Histéresis medido como superficie del ciclo.
Entre la superficie del ciclo y el valor máximo de la inducción existe, según el grado de
saturación magnética alcanzado, y del material de la chapa, una dependencia con el factor
1,6 − 2,3
Bmax
El exponente, llamado “Coeficiente de Steinmetz” se toma hoy día para la mayoría de los
casos prácticos como CUADRATICO.
Con ello, las pérdidas por histéresis por Unidad de Masa se obtienen de:
2
vH = cH . f . Bmax
PÉRDIDAS POR CORRIENTES PARASITAS: Un campo alterno origina en el hierro
tensiones según la ley de inducción, que encuentran en cada lámina un circuito cerrado de
corriente. Debido a la relativa buena conductividad eléctrica del hierro, se originan sobre su
sección corrientes distribuidas. Las pérdidas óhmicas de estas corrientes se conocen como
PERDIDAS POR CORRIENTES PARASITAS. Las tensiones en el hierro se obtienen de :
dφ
u2
2
2
2
u~
~ f . Bmax y las pérdidas Pv ~ ~ f 2 . Bmax
dt
r
Con ello se obtienen las pérdidas por Unidad de Masa según :
2
v = c . f .B
2
cp
cp
max
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CICLO DE HISTERESIS
Hoja Nº I-18
CICLO DE HISTERESIS
1 Material magnético blando
2 Material magnético duro
CURVAS MAGNETICAS
DESMAGNETIZANTES
(SEGUNDO CUADRANTE) DE
MATERIALES MAGNETICOS
PARA CIRCUITOS DE IMAN
PERMANENTE
1 Aleación AlNiCo
2,3 Ferrita cerámica
Oxit 300
Oxit 400
4
Tierras Raras
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CALCULO Y OPTIMIZACIÒN DE CIRCUITOS DE IMAN Hoja Nº I-19
PERMANENTE
Ho.δ + H.h = 0 →
Bo
µo
Bo.Ao = σ.B.A →
δ + H .h = 0
→ Bo = − µ o H
h
δ
A
Bo = σ .B.
Ao
Multiplicando (1) y (2):
Bo2 =
Bo =
(1)
con σ =
φo
φ o + φσ
(2)
σ . A.l
.µ o .B.H
Ao .l o
σ .Vol min .µ o .( B.H ) max
Ao .l o
y así puede optimizarse el diseño del circuito para una configuración dada del entrehierro,
haciendo trabajar el circuito en el punto óptimo, donde el producto (B.H) alcance un valor
máximo. Para ese punto puede determinarse el volumen mínimo necesario del imán para
alcanzar la inducción deseada en el entrehierro. Debido a la condición de igualdad de flujos
dada por la ecuación (2), no solo el volumen sino las dimensiones del imán quedan
establecidas.
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APLICACIÓN DE LOS CIRCUITOS DE IMAN
Hoja Nº I-20
PERMANENTE EN MAQUINAS ELECTRICAS
Como se examinó en I-19, característico para un imán permanente es la rama desmagnetizante
en el segundo cuadrante de B=f(H) y específicamente el producto máximo (B.H)max, que con
la unidad kJ/m3, determina la densidad de energía.
Como posibles materiales se cuenta hoy día con:
1. Aleaciones de los metales Al, Co, Ni, Ti, de los cuales en un proceso de fundición se
obtienen las formas geométricas deseadas para los imanes permanentes. Las aleaciones
conocidas como imanes ALNICO alcanzan con Brem < 1,3 T los valores de inducción
remanente mas elevados, pero tienen una fuerza coercitiva muy pequeña como lo muestra la
curva en I-18.
Los imanes ALNICO son por ello muy sensibles a una posible desmagnetización por causa de
campos extraños o por aumentos del entrehierro, ocasionado por ejemplo por la extracción del
rotor de una maquina. Debido a ello, la utilización de este material en motores es evitada.
2. Materiales de cerámica, obtenidos por compactar y una difusión de tierras raras (óxidos
alcalinos y óxidos de hierro) y que se conocen como FERRITAS.
Estos imanes, con fuerzas coercitivas de < 2,5 kA/cm son difícilmente desmagnetizables
(curva 2 en I-18), alcanzan sin embargo solo Brem < 0,4 T.
Debido a lo barato de su proceso de producción, las ferritas constituyen la gran mayoría de los
materiales de imán permanente producidos hoy día.
Como ejemplos se citan todos los accionamientos auxiliares en los vehículos y los imanes
usados en la industria del mueble entre otros.
3. Aleaciones de la combinación de tierras raras, han conducido en época reciente al
desarrollo de los más nuevos materiales según las curvas 3 y 4 de I-18, que poseen tanto una
alta remanencia como una alta fuerza coercitiva. Se fabrican según un proceso similar al
empleado para las ferritas y se alcanzan densidades de energía de hasta 350 kJ/m3 . Estos tipos
de imán permanente se emplean para la excitación de servomotores de control tanto de
corriente continua como sincrónicos.