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Motores paso a paso de reluctancia variable El motor de reluctancia variable está constituido por un rotor de láminas ferromagnéticas no imantadas, formando un cilindro alrededor del eje, éstas se encuentran ranuradas de forma longitudinal, formando dientes (polos del rotor). La ranuración del rotor conlleva una variación de la reluctancia en función de su posición angular.

Figura 2.4 Sección de un motor paso a paso VR de tres fases Igualmente que el rotor, el estator está formado por láminas de material ferro magnético no imantado, con una serie de ranuras en forma longitudinal, que albergan los bobinados de las fases, y forman los polos del estator. Normalmente la constitución del rotor y el estator es a base de láminas ferromagnéticas, pero también se pueden encontrar unidades con constitución sólida de hierro dulce. El número de dientes del rotor es menor que el número de dientes del estator, de modo que sólo un par de polos del estator y su correspondiente par de polos del rotor pueden estar alineados por fase. La figura 2.4 representa un motor VR de tres fases con seis polos en el estator y cuatro en el rotor. Cada fase dispone de dos bobinados, situados en polos opuestos. La figura 2.4 (b) nos muestra una conexión de los bobinados en serie, pudiéndose conectar igualmente en paralelo.

Figura 2.5. Motor VR de 4 polos. (a) Posición de equilibrio con una fase excitada. (b) Curvatura de las líneas de flujo magnético que crean el par. Unos interruptores de potencia se encargan de suministrar la corriente a cada fase. Si S1 está en estado ON, la corriente fluye por la fase 1 y 1', generando un flujo magnético que recorre el estator y se cierra por los polos correspondientes a la fase 1 sobre los polos del rotor. Cuando los polos del rotor y el estator estén alineados, tenemos el flujo máximo, que corresponde con la reluctancia mínima. Si el rotor se mueve fuera de la posición de equilibrio, como consecuencia de un par externo aplicado al rotor, éste responde con un par en sentido contrario que se opone al movimiento; esto es resultado de la curvatura que sufren las líneas de flujo magnético entre los polos del rotor y el estator. Las líneas de flujo magnético tienden a estar paralelas entre si, y a circular por el elemento más permeable que encuentren; cuando son deformadas, generan una fuerza de atracción sobre los elementos en los que fluyen, intentando mantener el equilibrio. Una muestra de esto lo representa la figura 2.5 (b).

Figura 2.6. Paso producido en la excitación de las fases conmutando de la fase 1 a la fase 2

Figura 2.7. Forma de los pasos y secuencia de conmutación de un motor VR reluctancia variable de tres fases Partiendo de la posición de equilibrio con la fase 1 activada (figura 2.6 (a)). Un paso se obtiene situando la fase 1 a estado OFF y la fase 2 a estado ON; en este instante los polos del rotor más próximos a los polos de la fase dos del estator, son atraídos en el intento de circular las líneas de flujo magnético (figura 2.6 (b)),produciendo un movimiento de rotación entre ambos polos hasta quedar alineados (figura 2.6 (c)). Con esta operación obtenemos un paso del rotor. La figura 2.7 muestra la secuencia de avance en sentido anti horario de un motor VR de cuatro polos, resultado de la secuencia de activación (Ph1-Ph2-Ph3-Ph1..) de las fases del estator. El número de pasos para estos motores se calcula de la misma forma que en los motores de imán permanente, fórmulas (1) y (2). Tomando el motor de la figura 2.7, tenemos cuatro polos en el estator y tres fases en el rotor, por consiguiente el número de pasos por vuelta del rotor es 3*4=12. El ángulo del paso será 360º/12=30º.

Figura 2.8. Sección de unos motores VR de 15º de ángulo de paso. (a) Motor de tres fases: número de polos del estator = 12; número de polos del rotor = 8.

(b) Motor de cuatro fases: número de polos en el estator = 8; número de polos en el rotor = 6. Para obtener un ángulo de paso determinado, se puede optar por diferentes combinaciones, jugando con el número de fases. La figura 2.8, muestra dos motores con ángulos de paso de 15º, el primero con tres fases en el estator y ocho polos en el rotor, el segundo con cuatro fases en el estator y ocho polos en el rotor. Hasta el momento, todos los motores de los que se ha tratado tienen un ángulo de paso grande. Para obtener ángulos de paso pequeños, lo único que se tiene que hacer es aumentar el número de polos (dientes) del rotor (figura 2.9).La configuración del estator sigue siendo la misma, se mantiene el número de fases, pero los polos se encuentran ranurados en varios dientes, para obtener la confrontación con los polos del rotor y que queden alineados.

Figura 2.9. Sección de un motor VR de tres fases, dos bobinados por fase y tres dientes por polo en el estator; el número de dientes en el rotor es de 20 y el ángulo del paso es de 6º. La figura 2.10 muestra una distribución lineal de los polos del rotor y el estator, representando el flujo magnético y el desplazamiento en un paso. Un motor con ángulos pequeños 1.8º y un número de pasos elevado 200, lo muestra la figura 2.11. El rotor dispone de 50 dientes. El estator tiene 8 bobinados 8 polos ranurados en 5 dientes. El número de fases puede ser cuatro, uniendo los bobinados 1-5 (fase 1), 2-6 (fase 2), 3-7 (fase 3), 4-8 (fase 4). Pero también se puede realizar en dos fases, uniendo los bobinados 1-2-5-7 (fase 1) y 2-4-6-8 (fase 2); en

este caso el número de pasos sería inferior (100) y los dientes de los polos del estator correspondientes a la misma fase, tienen que confrontar con los del rotor.

Figura 2.10. Modelo lineal del motor paso a paso de reluctancia variable. Una muestra de las dimensiones tan reducidas que se pueden obtener en este tipo de motores lo ilustra la figura 2.12; esto es debido a que al no tener imán permanente el rotor puede ser minimizado, dando lugar a motores de diámetro muy pequeño. Un segundo efecto en la reducción del diámetro del rotor es la disminución del momento de inercia de éste. Cuando tiene una carga baja, este motor ofrece una relación de giro muy alta.

Figura 2.11. Sección de un motor paso a paso VR de cuatro fases; el número de dientes en el rotor es de 50, los pasos por revolución son 200, el ángulo del paso es de 1,8º.

Figura 2.12. Estatory rotor de un motor paso a paso de reluctancia variable de cuatro fases y 7,5º de ángulo por paso.

3.4 MOTORES DE RELUCTANCIA VARIABLE La expresión motor de reluctancia variable hace referencia a un motor eléctrico del tipo paso a paso, cuyo funcionamiento se basa en la reluctancia variable mediante un rotor dentado en hierro dulce que tiende a alinearse con los polos bobinados del estator. Se pueden conseguir pasos muy pequeños. El rotor es de material magnético, pero no es un imán permanente, y presenta una forma dentada, con salientes. El estátor consiste en una serie de piezas polares conectadas a 3 fases. Este tipo de motor puede diseñarse para funcionar con pasos más pequeños que los pasos de un motor paso a paso de imán permanente. Por otra parte, su rotor es de baja inercia, con lo que se mejora su respuesta dinámica, aunque tiene la desventaja de tener menor par motor que un motor eléctrico de imán permanente de similar tamaño[1].

Fig. 1.14 Principio de trabajo de los motores de reluctancia variable (el puente entre las bobinas aa´ y demás es externo y no está representado. La alimentación en secuencia de las bobinas ABCD (Figura 1.14) provoca el giro del rotor, avanzando en cada paso 15° en el ejemplo.

Aunque en el esquema se hayan representado 4 bobinas, puede haber un número superior de las mismas, en función del paso angular del motor. La tabla de la figura 1.14 muestra el orden en que el controlador externo alimentaria las bobinas del ejemplo anterior, y se observa que constituye una tabla lógica formada por 0 y 1, donde el 1 indica alimentación de bobina y el 0 no alimentación.

MOTORES PASO A PASO (STEP MOTOR) El motor paso a paso (step motor) está concebido para el posicionamiento con precisión y de forma discreta, con incrementos angulares de su eje, denominados pasos. Éstos se producen en la inversión de la corriente por los devanados, que a su vez es controlada por unos interruptores de estado sólido de potencia. A éstos llega una señal discreta proveniente del circuito digital de control, el cual determina la acción del motor. Existe una gran variedad de motores paso a paso, diferenciados entre si por su constitución y forma de construcción. Entre éstos destacan tres tipos:   

Motores de imán permanente. Motores de reluctancia variable. Motores híbridos.

1.1. Motores de imán permanente Este tipo de motores se caracteriza por la utilización de un imán permanente cerámico cilíndrico en el rotor. El imán está magnetizado radialmente en una serie de polos. El estator está constituido por láminas de material ferro magnético, bobinado con el mismo número de polos que el rotor. El ángulo de paso de este tipo de motores depende del número de polos del estator y el rotor. Debido a las características del material magnético utilizado en la construcción del rotor, el número de polos de éste es limitado, por lo que los ángulos que se consiguen con este tipo de motor son grandes. En un intento de reducción del ángulo del paso se puede incrementar el diámetro del imán del rotor, con ello se consigue aumentar el número de polos, pero también el momento de inercia de éste (que para un cilindro aumenta con la cuarta potencia del diámetro). Esto reduce drásticamente el par de arranque, por lo que esta posibilidad queda descartada. La solución a adoptar consiste en construir el motor con más de un estator, con lo que se puede obtener ángulos del paso inferiores a 3,75º.

Figura 2.1 Motor de dos polos y una fase

La figura 2.1 representa un motor de imán permanente básico con un bobinado (fase) y dos polos. En la figura 2.1 (a), la alimentación del bobinado genera un flujo magnético en sentido horario, este se cierra sobre los polos del estator, provocando el movimiento del rotor, hasta conseguir el equilibrio en la orientación de los campos magnéticos, estado de reposo. En la figura 2.1 (b) cambia el sentido de la corriente, lo que conlleva a la inversión del flujo magnético, y por consiguiente, los polos que antes se atraían en equilibrio, ahora se repelen, produciendo un nuevo movimiento del rotor, buscando la nueva orientación del campo, posición de equilibrio. El resultado constituye un motor con pasos de 180º. Generalizando, el número de pasos para el motor viene determinado por la expresión: n=ne*np Donde; ne = número np = número de polos el ángulo por fase será: Θ=360/n

de

devanados

(fases)

Figura 2.2 Ejemplo de un devanado de 6 polos

Un sistema con un número de polos superior a dos podría ser el que muestra la figura 2.2. Un bobinado (fase) con seis polos tanto para el rotor como para el estator. Todos los polos se encuentran repartidos de forma equidistante formando un círculo. Un motor que esté formado por una única fase no tiene sentido, ya que la dirección de arranque quedaría indeterminada, y el cambio de sentido seria imposible. El número mínimo de fases es dos.

Figura 2.3 Motor paso a paso de dos polos y dos fases

Con un motor de dos fase y dos polos por fase (figura 2.3), se puede controlar el sentido de giro. La figura 2.3 (a) nos muestra el estado inicial, las dos fases excitadas forman un campo magnético que orienta el rotor a la posición uno de equilibrio. En la figura 2.3 (b) se realiza la inversión de la corriente en la fase B, lo que produce una variación del campo magnético en sentido horario, a su vez, el rotor se desplaza con el mismo sentido, buscando siempre la posición de equilibrio. La figura 2.3 (c) muestra una nueva inversión de la corriente en la fase A, produciendo un nuevo paso de 90º en sentido horario. Si se invierte el orden de inversión de la corriente por las fases, el movimiento igualmente se invierte, obteniendo una rotación del rotor en sentido anti horario.