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APLICACIÓN DE UN MODELO TÉRMICO PARA LA MEJORA DEL
PROCESO DE APRENDIZAJE EN EL ESTUDIO DE LA
DISTRIBUCIÓN DE LA TEMPERATURA EN EL MOTOR DE
INDUCCIÓN.
Arsenio Barbón, Nicolás Barbón, Javier Gómez-Aleixandre
Departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica de Computadores y Sistemas. (Universidad de Oviedo)
[email protected]
1. RESUMEN
El profesorado de asignaturas tecnológicas, se encuentra a menudo con la dificultad
de transmitir con claridad a los alumnos ciertos fenómenos físicos que suceden en el
interior de aparatos eléctricos, en este caso máquinas eléctricas. La distribución de
la temperatura en el interior del motor de inducción es uno de ellos.
En este trabajo se muestra la aplicación de los resultados de un proyecto de investigación sobre la distribución de la temperatura en un motor de inducción, a la enseñanza de la asignatura denominada Máquinas Eléctricas. Mediante un modelo de
elementos finitos de un motor de inducción se obtiene la distribución de la temperatura de la máquina, pudiendo observar las curvas isotérmicas, los puntos de mayor
temperatura en la máquina, la característica que rige el aumento de la temperatura
en cada parte de la máquina y una representación en tres dimensiones de la distribución de la temperatura. Con este estudio se consigue que el alumno comprenda la
importancia de las clases de aislamiento de los materiales aislantes que se utilizan
en la fabricación de las máquinas eléctricas, así como la relación que tienen con la
temperatura. También se pone de relieve la importancia que tiene una buena elección de la clase aislamiento, al poder determinar la temperatura de los devanados
del motor.
Además del uso del método de los elementos finitos para calcular la temperatura en
el interior del motor, también se utilizó una cámara termográfica para analizar la distribución de la temperatura en el exterior del motor. Con el análisis de estas imágenes termográficas se puede observar la diferencia de temperatura axial del motor y
como cambia la distribución de temperatura del lado del accionamiento comparado
con el lado del ventilador.
El resultado de esta experiencia fue totalmente satisfactoria, ya que consiguió mejorar el proceso de aprendizaje del alumno, así como incrementar su interés sobre la
asignatura.
2. INTRODUCCIÓN
Uno de los factores que determina el éxito en el diseño de las máquinas eléctricas es
el conocimiento de la temperatura en el interior de la misma. La habilidad para predecir una distribución exacta de la temperatura requiere, a su vez, un conocimiento
de la distribución de las distintas pérdidas, las características térmicas de los materiales y las condiciones de refrigeración, aspectos, todos ellos, difíciles de cuantificar.
El análisis térmico de los motores de inducción de rotor de jaula de ardilla ha sido
objeto de interés de muchos diseñadores de máquinas eléctricas, desde mediados
del siglo XX [1], [2], hasta nuestros días [3], [4], en su esfuerzo para mejorar la exactitud de la distribución de temperatura y optimizar el diseño.
Existen aspectos térmicos concretos del motor de inducción de rotor de jaula de ardilla que han sido estudiados con gran profusión, especialmente en funcionamiento de
sobrecargas y en arranques frecuentes [5].
En la actualidad los motores de inducción trabajan más cerca del límite de sobrecarga, entre otros motivos, debido a los altos pares de inercia que demandan los sistemas mecánicos. Como consecuencia, el riesgo de sobrecalentamiento aumenta y los
motores deben ser diseñados para asegurar que la temperatura de sus componentes se mantenga dentro de sus límites de funcionamiento. Como las especificaciones
de funcionamiento, en términos de eficiencia y potencia, son más exigentes, así lo es
también la necesidad de mejores estrategias de diseño mecánico, electromagnético
y térmico. La metodología del diseño térmico ha tendido a retrasarse respecto a
otros aspectos del diseño de la máquina debido a las incertidumbres en la caracterización de los materiales compuestos y a la falta de información en la distribución
exacta de las pérdidas.
Por lo tanto, el estudio de los problemas de calentamiento de los motores de inducción y las predicciones de los aumentos de temperatura del núcleo magnético, aislamientos, conductores... son necesarios para un diseño sofisticado, aunque extremadamente complejos. Una solución apropiada es importante para mantener la integridad del diseño, asegurar un alto rendimiento y optimizar costes. Para este propósito es esencial que la distribución de temperatura y su gradiente en las diferentes
partes del motor sean predichas apropiadamente.
Además de los aspectos generales relativos al diseño de los motores de inducción,
existen otros en los cuales también se necesita un adecuado conocimiento de la distribución de la temperatura. A continuación se resumirá alguno de estos:
• Motores de inducción situados en áreas clasificadas.
• Perspectiva económica de la utilización de este tipo de motores.
• Sistemas de protección desarrollados para estos motores.
• Identificación de causas de fallos en los motores de inducción.
• Motores de inducción accionados por control vectorial.
3. OBJETIVOS
Los objetivos son los siguientes:
• Que el alumno pueda visualizar las curvas isotérmicas del interior de la máquina.
• Que el alumno pueda visualizar los puntos de mayor temperatura del interior
de la máquina.
• Que el alumno pueda analizar la característica que rige el aumento de la
temperatura en cada parte de la máquina.
• Que el alumno pueda visualizar una representación en tres dimensiones de
la distribución de la temperatura.
• Que el alumno comprenda la importancia de las clases de aislamiento de los
materiales aislantes que se utilizan en la fabricación de las máquinas eléctricas, así como la relación que tienen con la temperatura.
• Que el alumno pueda visualizar la distribución de la temperatura en el exterior del motor.
4. DESARROLLO DEL TRABAJO.
En primer lugar se ha realizado un modelo térmico del motor basado en el método
de los elementos finitos [6]. En la Figura 1 se muestra el diseño geométrico utilizado.
Fig. 1.- Diseño geométrico.
Con este modelo térmico se puede observar la distribución de la temperatura en distintas partes de la máquina. La Figura 2 muestra la distribución de la temperatura en
la sección transversal del motor. La Figura 3 muestra la distribución de temperatura
en una ranura del estator y en la Figura 4 se muestra la distribución de la temperatura en una barra del rotor. Las Figuras 5 y 6 muestran la distribución de la temperatura en los dientes y en el yugo del estator. En las Figuras 7 y 8 se representan la distribución de temperatura en los dientes y en el yugo del rotor.
En la Figura 9 se muestra la distribución de la temperatura en el entrehierro. En esta
figura se puede apreciar el efecto de las barras del rotor sobre la distribución de la
temperatura en el estator. En la Figura 10 se muestra un perfil de temperatura de
una ranura del estator. En las Figuras 11 y 12 se muestran un perfil de temperatura
del yugo y de los dientes del estator.
Fig. 2.- Distribución de la temperatura en una sección transversal del motor.
Fig. 3.- Distribución de la temperatura en una ranura.
Fig. 4.- Distribución de la temperatura en una barra.
Fig. 5.- Distribución de la temperatura en los dientes del estator.
Fig. 6.- Distribución de la temperatura en el yugo del estator.
Fig. 7.- Distribución de la temperatura en los dientes del rotor.
Fig. 8.- Distribución de la temperatura en el yugo del rotor.
Fig. 9.- Distribución de la temperatura en el entrehierro.
Fig. 10.- Perfil de temperatura en una ranura del estator
Fig. 11.- Perfil de temperatura en el yugo del estator.
Fig. 12.- Perfil de temperatura en los dientes del estator.
En la Figura 13 se muestra un perfil de temperatura de una barra del rotor. En las
Figuras 14 y 15 se muestran un perfil de temperatura del yugo y de los dientes del
rotor.
Fig. 13.- Perfil de temperatura en una barra del rotor.
Fig. 14.- Perfil de temperatura en los dientes del rotor.
Fig. 15.- Perfil de temperatura en el yugo del rotor.
Como la mayoría de las máquinas son refrigeradas por un flujo de aire forzado, en la
dirección axial de la misma. La carcasa de las máquinas eléctricas está equipada
con aletas de refrigeración en la dirección axial, por donde circula el flujo de aire forzado. Esta refrigeración es asimétrica con respecto a un plano central del paquete
estatórico, por lo que se produce un gradiente de temperatura interno. En la Figura
16 se muestra una imagen termográfica del motor de inducción utilizado en este estudio, donde se puede apreciar la refrigeración asimétrica del mismo.
Fig. 16.- Imagen termográfica que muestra la asimetría de la refrigeración
5. CONCLUSIONES
Con este modelo térmico se puede “ver” la distribución de la temperatura en el interior del motor. Sin esta herramienta es imposible poder visualizar esta distribución de
la temperatura.
Además, la utilización de un material moderno aumentó el interés del alumno por la
asignatura y por conocer su utilización, ya que, sin duda encontrará aplicaciones en
el mundo industrial.
El resultado final de este material didáctico puede calificarse como totalmente satisfactorio, ya que se han alcanzado los objetivos propuestos.
El modelo térmico se ha utilizado por primera vez en el curso 2002 - 2003, en la impartición de las clases teóricas de la asignatura de Máquinas Eléctricas. Este equipo
de trabajo pudo comprobar que los objetivos marcados se cumplieron satisfactoriamente.
Las opiniones vertidas por los alumnos sobre esta metodología son muy favorables,
y animan a este equipo de trabajo a continuar con esta línea de trabajo.
6. REFERENCIAS
[1] ROSENBERRY, G.M. The transient stalled temperature rise of cast aluminium
squirrel-cage rotors for induction motors. IAEE Transactions on Power Applications
System. Octubre 1955, vol. 74, p. 819 – 824.
[2]: HEIDREDER, J.F. Induction motor temperature characteristics. IEEE Transactions on Power Applications System. 1958, vol. 77, p. 80 – 84.
[3]: LEE, Y., HAHN, S. and KAUH, S. Thermal analysis of induction motor with forced
cooling channels. IEEE Transactions on Magnetics. 2000, vol. 36, nº 4, p. 1398 –
1402.
[4]: DYMOND, J.H., ONG, R. and STRANGES, N. Instrumentation, testing, and
analysis of electric machine rotor steady-state heating. IEEE Transactions on Industry Applications. 2002, vol. 38, nº 6, p. 1661 - 1667.
[5]: CHAN, C.C., YAN, L., CHEN, P., WANG, Z. and CHAU, K.T. Analysis of electromagnetic and thermal fields for induction motors during starting. IEEE Transactions
on Energy Conversion. 1994, vol. 9, no. 1, p. 53 – 60.
[6] BARBON, A., DIAZ, G., GOMEZ-ALEIXANDRE, J. y DIEZ A. Analysis of temperature distribution of an induction motor rotor by means of thermographic analysis and
the finite element method. Proceeding of International Conference Electrical Machines (ICEM02). Agosto 2002, vol. 1, p. 134 – 140.