Motores eléctricos lineales

Cuando era estudiante de ingeniería me gustaba explorar conceptos poco transitados, entre ellos, los motores eléctricos lineales.

Algo de teoría

¿Qué es un motor eléctrico lineal?

Un motor electrico común (rotativo) utiliza una combinación de campos eléctricos y magnéticos para hacer que un eje gire sobre sí mismo, entregando potencia mecánica.

Para transformar el movimiento rotatorio en lineal se necesita de la mecánica: levas, engranajes, piñones y cremalleras.

Es natural pensar, entonces, en ahorrarse todo lo mecánico e intentar lograr un movimiento linear en lugar de circular, es así como se conciben los motores eléctricos lineales.

Una posible solución a un motor eléctrico lineal

¿Cómo logramos un motor elécrtrico lineal?

De varias maneras, imaginemos que cortamos un motor por su eje axial y lo desenrrollamos, tenemos un motor lineal. Un poco limitado,  porque no podrá funcionar más que la la longitud dada por el radio del motor por π, necesitamos prolongar o los bobinados o el inducido. Como prolongar los bobinados es costoso porque demanda el proceso de enrollarlo para formar las inductancias que generan el campo magnético, es por eso que por lo general el inductor se mueve sobre el inducido, siendo el inducido una combinación simple de anillos de cobre o láminas de cobre incrustadas o montadas sobre hierro.

En ingeniería eléctrica se conocen dos grandes grupos de motores eléctricos, los de corriente contínua y los de corriente alterna. Los motores de corriente contínua necesitan de imanes permanentes o de electroimanes para el estator. Al inducido se lo alimenta mediante escobillas, salta a la vista que este tipo de motores no son muy convenientes para hacerlos lineales.

Los motores de corriente alterna se dividen a su vez en sincrónicos y asincrónicos Los motores sincrónicos necesitan escobillas como los motores de contínua, quedan entonces los asincrónicos como los adecuados para contruir motores elécticos lineales.

Por lo general los motores eléctricos aptos para ser transformados en lineales son los denominados jaula de ardilla, que en el tipo rotatorio es una jaula de cobre incrustada en un cilindo de hierro.

Squirrel_cage

Desenrrollamos entonces la jaula de ardilla y el hierro y el bobinado del estator, prolongamos indefinidamente la jaula de ardilla y obtenemos un motor eléctrico lineal.

La pregunta es si en la vida real hay artefactos que funcionen utilizando estos motores. La respuesta es sí monorrieles y trenes de alta velocidad. El monrriel que forma parte del transporte del metro de Vancouver usa esta tecnología. Una aplicación menos obvia es el railgun, el inducido es un trozo de metal que es acelerado por el estator, distribuído a lo largo de un tubo. Es así como la bala es lanzada electromecánicamente sin la intervención de explosivos. Hay una película «Eraser» con Arnold Schwarzenegger donde se ve un arma de mano de este estilo (imposible de contruir con la tecnología actual)

Mi motor lineal

Mi proyecto tenía que ser realizable. No disponía de muchos recursos y de la variedad de motores lineales que se pueden construir, elegí el cilíndrico.

El motor eléctrico cilíndrico se logra enrollando los extremos que formaban el lado del motor, haciendo que las bobinas se cierren sobre sí mismas. El rotor que era jaula de ardilla, se transforma en un cilindo con anillos de cobre. Es sencillo de construir.

En la figura vemos un motor linear cilíndrico o tubular comercial.

Motor eléctrico tubular o cilíndrico

Motor eléctrico tubular o cilíndrico

Recuerdo que le presenté mi proyecto al Ingeniero Rafael Navarro y con una sonrisa aceptó que hiciera el proyecto, en aquel momento no sabía en lo que me metía, pero confiaba ciegamente en mi calculadora Texas TI 59 A, con 999 pasos de programa o memorias.

texas59

Texas 59

Con esta calculadora pude hacer los complicados cálculos que exigía el motor.  La razón es la completa alinealidad del campo magnético en el hierro debido a la curva de histéresis.

En los motores eléctricos convencionales, se supone que el entrehierro  linealiza el comportamiento del flujo magnético, pero en el caso de los motores lineales, la falta de simetría en ambos extremos es un desafío interesante. Además en los motores elécricos convencionales, los ingenieros disponían en aquel momento (1982) de tablas y gráficos en abundancia que los ayudaban en la tarea y existían, como seguramente lo hay ahora, reglas muy claras para construir un robusto motor eléctrico.

En mi caso particular no disponía de esas tablas, tampoco de mucha ayuda. Sólo de la teoría electromagnética, la curva de histéresis ingresada como una aproximación de Newton en mi calculadora, y tiempo.

Ataqué el desafío suponiendo que el estator cerraba las líneas de flujo de manera lineal y desprecié el flujo más allá de los 5 milímetros de los extremos.

Mi motor iba a ser trifásico, así que tenía que tener al menos tres espiras. Decidí hacerlo de nueve espiras (tres por fase).

El rotor sería un simple cilindro de metal cubierto con cobre, aprovechando al máximo la corriente inducida. En los motores de este tipo, la eficiencia puede ser dejada de lado. Si se necesita más potencia, basta con aumentar la frecuencia, (el flujo magnético es proporcional al cuadrado de la frecuencia). Por supuesto hay que tener en cuenta el calentamiento y hacer el cálculo correspondiente de la evacuación del calor. De todas maneras mi experimento iba a ser corto, así que no necesitaba de que ese cáculo sea tan preciso, bastaba con que no se quemara apenas le aplicara la tensión eléctrica y que funcione.

Pero para evitar el sobrecalentamiento de las espiras del bobinado, alargué el hierro que forma parte del estator para que sobresalgan sobre las espiras,  lo que permite una mejor evacuación del calor y ayuda a cerrar el flujo magnético aunque sea por el aire, con enorme dispersión por supuesto.

Hice los cálculos por dos vías distintas, una por medio de aproximaciones sucesivas para obtener el campo magnético resultante, desde donde saldrían todas las demas variables y por el otro lado suponiendo que el flujo magnético tenía un comportamiento lineal, lo cual es bastante válido porque los saltos por el aire del aire eran enormes, distintos a cualquier otra máquina eléctrica.

Mi falta de criterio o de experiencia hizo que no aumentara la frecuencia, eso hubiera disminuído el tamaño del motor, porque la corriente inducida tiene relación con el cuadrado de la frecuencia del flujo magnético.

Hice los cálculos y en teoría el motor debería funcionar. Con las especificaciones de los bobinados, el grosor y el tamaño del hierro ejecuté mi obra con la ayuda de un bobinador profesional y el corte de planchuelas de una empresa que se dedicaba a la venta de planchuelas de hierro.

Con la ayuda de en ese momento mi suegro hice el estator: un cilindro de hierro con una funda de cobre de alrededor de 30 cm y 1,5 cm de diámetro.

El cableado lo hice de una manera muy cuidadosa, paso a paso, cuidando los detalles porque cualquier error podría crear un cortocircuito.

El motor estuvo terminado con el incentivo de que si funcionaba iba a ser financiado por una empresa local que hacía portones automáticos. Yo no tenía la posibilidad de tener alimentación trifásica en mi casa, así que lo llevé apenas terminado a esta empresa, llamada «Cibernética».

Aún recuerdo la emoción que sentí cuando conecté el motor bajo tensión.

¡Se movió! ¡Funcionó!

Pero el dueño de la empresa no estaba tan emocionado como yo, el imaginaba algo con mucha más potencia.

La vida tuvo otras urgencias y el motor quedó en casa como otros proyectos que tuve a lo largo de mi vida y que quizás relate como este.

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