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Consideraciones térmicas para los motores de CC sin escobillas y sin escobillas
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Estas pérdidas de potencia se convierten principalmente en energía térmica y tienden a ser de mayor magnitud cuando la potencia mecánica entregada es mayor. La energía térmica generada en el interior de un motor eléctrico crea un aumento de temperatura que dará lugar a una transferencia de calor de más caliente a más frío (gracias a la conducción y la convección), y finalmente lleva el calor al exterior del motor.
Uno de los mayores retos para los fabricantes de motores eléctricos es garantizar que la temperatura interna instantánea del motor nunca supere la temperatura máxima admisible de sus distintos componentes. Dependiendo del diseño del motor y de los materiales utilizados, los fenómenos térmicos dictarán el rendimiento del motor.
Los diseñadores suelen considerar dos áreas de mejora para aumentar el rendimiento de un motor sin que se sobrecaliente y dañe sus componentes:
Minimizar las pérdidas: mejorar el rendimiento de la conversión de potencia generando menos calor para una potencia mecánica dada (permitiendo una mayor potencia mecánica para la misma creación de calor).
Mejorar la capacidad del motor para conducir la energía térmica generada a su entorno (disipación de calor) de manera que el aumento de la temperatura interna disminuya, permitiendo una mayor generación de energía térmica para el mismo aumento de temperatura interna.
Para ayudar a entender este fenómeno, utilizaremos una analogía del agua que llena una bañera que al mismo tiempo tiene fugas. Véase la figura 1.
El flujo de agua que sale del grifo corresponde a la generación de energía térmica en el interior del motor. En cuanto el agua se acumule en la bañera, la presión en el fondo provocará una fuga que enviará el agua fuera de la bañera, lo que corresponde a la disipación del calor. Cuanto mayor sea el nivel de agua, mayor será la presión en el fondo de la bañera y, por tanto, mayor será el flujo de fuga de agua.
Del mismo modo, la disipación de calor de un motor es proporcional al delta entre la temperatura interior del motor y la temperatura exterior (ambiente). Pero como el flujo de agua depende del diámetro del orificio de salida, la disipación de calor también depende de la resistencia térmica, que define "lo difícil" que es transportar el calor fuera del motor. Cuanto menor sea la resistencia térmica, más fácil y rápido será conducir el calor fuera del motor, lo que significa una mayor potencia de disipación.
Una bañera tiene una capacidad finita y se desborda si el nivel del agua supera un determinado punto. Del mismo modo, los componentes de un motor tienen una capacidad térmica determinada y el hecho de que la temperatura instantánea supere un determinado nivel puede dañar los componentes en cuestión de segundos. El rendimiento nominal del motor debe ajustarse a la exigencia de mantener su temperatura dentro del rango de temperatura de funcionamiento admisible.
Por lo general, el componente más crítico es la bobina, ya que es el lugar donde se produce el calentamiento por joule. En caso de temperatura excesiva, el revestimiento aislante que rodea el cable de cobre acabaría fundiéndose, lo que provocaría daños permanentes en el motor.
FUNCIONAMIENTO EN ESTADO ESTACIONARIO
Motor de CC de escobillas
Un motor de CC de escobillas sin núcleo suele estar diseñado como una bobina autoportante que gira en el espacio de aire entre un imán permanente y la carcasa, que forman parte del estator.
La potencia calorífica en joules (W) producida en la bobina giratoria está directamente relacionada con su resistencia eléctrica R (Ω) y con la corriente que circula por ella, I (A). No hay pérdidas en el hierro ya que el rotor no tiene hierro. Véase la figura 2.
A medida que la temperatura de la bobina aumenta, el calor se transferirá de la bobina al tubo (1), y luego del tubo al ambiente (2), como se muestra en la figura 2. Estos dos pasos sucesivos tienen resistencias térmicas diferentes (Rth1 y Rth2, respectivamente), ya que los materiales individuales tienen conductividades térmicas dispares, y la forma, la masa y la superficie de cada pieza también influyen en cómo se transferirá el calor.
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