Los motores son imprescindibles en las líneas de producción y en la maquinaria industrial, pero el calor que generan durante su funcionamiento es algo inevitable. Sin embargo, un calentamiento excesivo acorta la vida útil del motor y, en el peor de los casos, puede provocar problemas graves, como averías o incendios.
El calentamiento del motor se debe a pérdidas como las de cobre, las de hierro y las mecánicas, y cada una de ellas requiere las medidas adecuadas.
En este artículo te explicamos de forma exhaustiva todo lo que debes saber como técnico: desde cómo se calienta un motor hasta qué hacer cuando se calienta, pasando por medidas preventivas eficaces para evitar que se caliente.
Con una gestión adecuada de la temperatura, mejorarás la seguridad y la durabilidad del motor y conseguirás que la instalación funcione de forma estable.
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Las principales causas por las que el motor se calienta
El calor que genera el motor se debe principalmente a tres tipos de pérdidas: las pérdidas en el cobre, las pérdidas en el hierro y las pérdidas mecánicas.
El impacto de estos tres factores varía según el tipo de motor, su diseño y las condiciones de funcionamiento. En general, en los motores pequeños, las pérdidas por cobre suelen ser predominantes debido a la resistencia del bobinado, mientras que a altas velocidades tienden a aumentar las pérdidas por hierro. Entender el mecanismo de estas tres pérdidas es el primer paso para adoptar las medidas adecuadas contra el calentamiento. A continuación, veremos con más detalle cada una de estas pérdidas.
Lo que vamos a explicar en esta sección
- Calor generado por las pérdidas en el cobre
- Calor generado por las pérdidas en el hierro
- Calor generado por pérdidas mecánicas
Cada tipo de pérdida tiene un mecanismo de generación diferente, y su impacto varía según el tipo de motor y las condiciones de funcionamiento. Especialmente en los proyectos de desarrollo de motores pequeños, las medidas para reducir las pérdidas por cobre son clave para controlar la generación de calor.
Calor generado por las pérdidas en el cobre
Las pérdidas por cobre son las pérdidas de potencia que se producen debido a la resistencia del bobinado de la bobina del motor y a la corriente que circula por ella.
Esta pérdida se expresa mediante la fórmula de la potencia eléctrica P = I²R (corriente al cuadrado × resistencia) y es proporcional al cuadrado de la corriente.
Por eso, en teoría, si reduces la corriente a la mitad, el calor generado por las pérdidas en el cobre se reduce a aproximadamente una cuarta parte.
Aunque depende del uso y de las condiciones de diseño, en los motores en los que circula una gran intensidad de corriente por la bobina, las pérdidas en el cobre suelen ser la principal causa de la generación de calor, por lo que es un aspecto clave a la hora de tomar medidas para evitarla.
[Técnicas de diseño para reducir las pérdidas en el cobre]
- Aumentar el diámetro del cable (área de la sección transversal)
- Aumentar la tasa de ocupación
- Acortar la longitud del bobinado
- Optimizar la pureza y el tratamiento del cobre
Al combinar estas técnicas, se puede reducir de forma eficaz la resistencia del bobinado y limitar el calentamiento causado por las pérdidas en el cobre. En los motores pequeños que se usan en aparatos médicos y ópticos, optimizar el bobinado ya en la fase de diseño ayuda a mejorar el rendimiento y a alargar la vida útil.
Calor generado por las pérdidas en el hierro
Las pérdidas en el hierro son las que se producen en el núcleo de hierro debido a los cambios en el campo magnético, y se componen de pérdidas por histéresis y pérdidas por corrientes parásitas.
Las pérdidas por histéresis son las pérdidas de energía que se producen en el interior del núcleo de hierro al repetir ciclos de magnetización y desmagnetización, mientras que las pérdidas por corrientes parásitas se deben a que un campo magnético variable induce corrientes en el núcleo de hierro.
Es un fenómeno que se nota mucho cuando un motor con núcleo de hierro funciona a alta velocidad. Sobre todo en los motores medianos y grandes, se utilizan láminas de acero laminadas para reducir las pérdidas por corrientes parásitas. Por otro lado, como los motores sin núcleo no tienen núcleo de hierro, en principio no se producen pérdidas en el hierro, como las pérdidas por histéresis o las pérdidas por corrientes parásitas.
Los motores sin núcleo de C.I. Takiron tienen la ventaja de que, gracias a estas características estructurales, pueden reducir la generación de calor debida a las pérdidas en el hierro incluso a altas velocidades de rotación.
En aplicaciones de maquinaria industrial y equipos ópticos en las que se requiere un funcionamiento rápido y de alta precisión, una estructura de motor sin pérdidas por hierro puede ser una buena opción.
Calor generado por las pérdidas mecánicas
Las pérdidas mecánicas son aquellas que se producen por la fricción interna del motor o la resistencia del aire, entre otras cosas.
Esto incluye el calor de fricción en el punto de contacto entre el rodamiento y el eje, así como las pérdidas por resistencia aerodinámica debidas a la rotación, aunque su proporción respecto al calor total generado es relativamente pequeña.Depende del tipo de motor y de las condiciones de funcionamiento, pero por lo general supone entre el 3 % y el 12 % de las pérdidas totales. Sin embargo, si sigues usando el motor con el aceite lubricante o la grasa en mal estado, la resistencia a la fricción puede aumentar de golpe y el calor por fricción también puede subir mucho.
En aplicaciones en las que se requiere un funcionamiento sin mantenimiento durante largos periodos de tiempo, como en el caso de los dispositivos de seguridad y protección, hay que tener en cuenta este desgaste mecánico.
La elección de rodamientos y grasa de alta calidad, junto con un mantenimiento periódico, permite reducir al mínimo los daños en la maquinaria.
Efectos negativos provocados por el calor que genera el motor
El sobrecalentamiento del motor no solo hace que suba la temperatura, sino que también provoca graves daños en los componentes internos del motor.
Los efectos del calor abarcan diversos ámbitos, como los materiales aislantes, las piezas mecánicas y las características eléctricas, y acaban acortando la vida útil del motor o provocando averías repentinas.
En el caso de los dispositivos médicos y de seguridad, como estas averías afectan directamente a la seguridad de los pacientes y del personal, es importante entender bien cuáles son las consecuencias concretas que tiene el sobrecalentamiento.
A continuación, te explico cuáles son los efectos negativos más comunes de la fiebre.
Lo que vamos a explicar en esta sección
- Deterioro del material aislante y de la bobina
- Deterioro de los cojinetes y la grasa
- Pérdida de rendimiento y disminución de la eficiencia
Estos efectos negativos están relacionados entre sí y dan lugar a un deterioro en cadena, en el que un problema provoca otros. Si controlas bien la temperatura, podrás minimizar estos riesgos.
Deterioro del aislante y de la bobina
La capa aislante que recubre la superficie de la bobina se va deteriorando en entornos con altas temperaturas.
La temperatura admisible varía según la clase de resistencia al calor (B, F, H, etc.). Cuanto más te acercas a la temperatura admisible, más fácil es que se deteriore el aislamiento, así que a la hora de diseñar es importante dejar un margen teniendo en cuenta la clase y el aumento de temperatura.
Si se daña el revestimiento aislante, se produce un cortocircuito entre las bobinas y se entra en un círculo vicioso en el que el gran flujo de corriente local agrava aún más el calentamiento. A la larga, esto puede provocar que las bobinas se quemen o incluso un incendio; además, como en los motores que se usan dentro de carcasas herméticas es difícil disipar el calor, los daños tienden a agravarse fácilmente.
En el caso de los dispositivos médicos y los equipos industriales, las paradas repentinas debidas a una ruptura del aislamiento pueden poner en peligro la vida de los pacientes o provocar la interrupción de las líneas de producción, por lo que la resistencia térmica de los materiales aislantes y la supervisión de la temperatura son extremadamente importantes.
Deterioro de los cojinetes y la grasa
Si las altas temperaturas se prolongan, la grasa pierde viscosidad y puede salir, o por el contrario, se endurece, lo que reduce su capacidad de lubricación y hace que deje de funcionar.
Cuando se rompe la película de lubricación, se produce un contacto directo entre las piezas metálicas, lo que provoca un aumento de la resistencia por fricción que, a su vez, genera más calor por fricción, y así se entra en un círculo vicioso en el que la temperatura sigue subiendo. En el peor de los casos, el cojinete se grieta, el eje se bloquea y el motor se para por completo.
En aplicaciones que requieren un funcionamiento continuo y una larga vida útil, como las cerraduras electrónicas de los dispositivos de seguridad o los mecanismos de accionamiento de los equipos médicos, es imprescindible tomar medidas para evitar la degradación térmica de los rodamientos y la grasa.
La elección de una grasa de alta calidad que mantenga su rendimiento incluso en entornos con altas temperaturas, junto con un mantenimiento periódico que incluya su sustitución, contribuye a alargar la vida útil de los rodamientos.
Pérdida de rendimiento y disminución de la eficiencia
El calor hace que aumente la resistencia eléctrica de la bobina, lo que dificulta el paso de la corriente y hace que baje el par de salida.
El cable de cobre tiene la propiedad de que su resistencia aumenta a medida que sube la temperatura; concretamente, por cada 10 ℃ que sube la temperatura, el valor de la resistencia aumenta aproximadamente un 4 %. Además, en los motores que usan imanes permanentes, cuando la temperatura es alta, la fuerza magnética se debilita debido a la desmagnetización térmica, lo que hace que el rendimiento del motor disminuya notablemente.
Los imanes de neodimio tienen una temperatura admisible que varía según el grado; en los grados estándar, puede producirse una desmagnetización permanente a partir de unos 80 ℃. Los imanes de ferrita son relativamente resistentes a las altas temperaturas; unos 250 ℃ es un valor de referencia. Además, el aumento de la temperatura hace que aumente la resistencia de los componentes electrónicos, lo que provoca un mayor consumo de energía y una disminución de la eficiencia.
En los motores de accionamiento de lentes de los equipos ópticos y en las herramientas industriales, esta disminución del rendimiento afecta directamente a la precisión del producto y a la eficiencia del trabajo, por lo que hay que tener muy en cuenta en la fase de diseño los cambios de rendimiento provocados por el calor.
Medidas y métodos para reducir el calentamiento del motor
Para reducir el calentamiento del motor, hay tres formas de hacerlo: instalar un sistema de refrigeración, optimizar las condiciones de funcionamiento y elegir el motor adecuado.
En el caso de los motores ya instalados, es eficaz mejorar la disipación del calor mediante ventiladores de refrigeración o disipadores térmicos, y también se puede reducir considerablemente la generación de calor revisando la forma de funcionamiento.
A la hora de diseñar un nuevo modelo o cambiar de modelo, se puede resolver el problema de raíz eligiendo una estructura de motor que genere menos calor.
A continuación, te voy a explicar en detalle cada una de las medidas que puedes tomar.
Lo que vamos a explicar en esta sección
- Mejora de la disipación del calor gracias al sistema de refrigeración
- Optimización de las condiciones de funcionamiento
- Cambio a un motor que genera menos calor
Estas medidas no solo se pueden aplicar por separado, sino que, si se combinan, se consigue una mayor eficacia. Especialmente en los sistemas actuales en los que la generación de calor supone un problema, la introducción gradual de estas medidas permitirá avanzar en las mejoras sin dejar de controlar los riesgos.
Mejora de la disipación del calor gracias al sistema de refrigeración
La refrigeración forzada mediante ventiladores y la instalación de disipadores de calor favorecen de forma eficaz la disipación del calor del motor.
En la maquinaria industrial, el uso de motores con ventilador de refrigeración permite evitar el sobrecalentamiento durante el funcionamiento prolongado.
Cambiar la placa de montaje por una de aluminio, que disipa mejor el calor, o aumentar su grosor también son formas eficaces de mejorar la disipación del calor.
Si lo usas dentro de una carcasa hermética, puedes crear una corriente de aire colocando aletas de disipación de calor en la propia carcasa o añadiendo un ventilador pequeño en el interior.
En aplicaciones en las que se requiere un funcionamiento silencioso, como los dispositivos médicos o los equipos ópticos, el sistema de refrigeración natural mediante tubos de calor también es una opción válida. Sin embargo, como añadir un sistema de refrigeración implica un aumento del espacio y del coste, hay que estudiarlo bien ya en la fase de diseño.
Optimización de las condiciones de funcionamiento
Al reducir la corriente de funcionamiento, se pueden reducir considerablemente las pérdidas por cobre, que son proporcionales al cuadrado de la corriente.
Si el ciclo de funcionamiento del motor te lo permite, configura un tiempo de parada más largo para que el motor tenga tiempo de enfriarse.
Para reducir la generación de calor, también es importante evitar las situaciones de sobrecarga y asegurarse de que el funcionamiento se mantenga siempre dentro del par nominal.
En el caso de las herramientas industriales y los productos para aficiones, si optimizas el ciclo de trabajo (la relación entre el tiempo de funcionamiento continuo y el tiempo de reposo) según el patrón de uso, podrás mantener el rendimiento necesario sin que se genere demasiado calor.
Ajustar la tensión de alimentación al valor adecuado también es una medida básica para reducir la corriente innecesaria y limitar la generación de calor.
Si el circuito controlador tiene una función de control de corriente, se puede reducir aún más la generación de calor optimizando la corriente en función de la carga.
Realizar comprobaciones periódicas del funcionamiento y mediciones de temperatura para detectar a tiempo cualquier indicio de sobrecalentamiento es también una medida eficaz para garantizar un funcionamiento estable a largo plazo.
Cambio a un motor que genera menos calor
Los motores sin escobillas no tienen pérdidas por fricción de las escobillas, por lo que son un sistema que permite alcanzar fácilmente una alta eficiencia. Por otro lado, la disipación del calor depende en gran medida de factores de diseño como la estructura del rotor interno o externo, la forma de la carcasa, las condiciones de montaje y las vías de disipación del calor (rutas térmicas).
Como los motores sin núcleo no tienen núcleo de hierro, no producen pérdidas en el hierro, lo que permite un funcionamiento de alta eficiencia y baja generación de calor.
Los motores sin núcleo de C.I. Takiron se utilizan en aplicaciones que requieren una alta precisión, como los dispositivos médicos y los equipos ópticos, gracias a estas características estructurales. Además, los motores sin escobillas de esta empresa destacan por su larga vida útil y sus bajas vibraciones (silenciosos), por lo que son ideales para equipos industriales y de seguridad.
Si el espacio lo permite, al aumentar el tamaño del motor, se puede funcionar con la misma potencia pero con menos corriente, lo que permite reducir la generación de calor.
A la hora de diseñar sistemas nuevos o mejorar los ya existentes, si te planteas cambiar a motores que generan menos calor, podrás simplificar el sistema de refrigeración y reducir la frecuencia de mantenimiento.
Resumen
El calentamiento del motor se debe a tres tipos de pérdidas: pérdidas por cobre, pérdidas por hierro y pérdidas mecánicas, lo que puede provocar consecuencias graves, como el deterioro del aislamiento, la quemadura de los cojinetes o la disminución del rendimiento.
Como medidas, son eficaces la instalación de un sistema de refrigeración, la optimización de las condiciones de funcionamiento y el cambio a tipos de motores que generen menos calor. En particular, los motores sin núcleo y los motores sin escobillas permiten reducir la generación de calor gracias a su diseño, lo que también contribuye a alargar su vida útil.
En C.I. Takiron ofrecemos motores sin núcleo, que no tienen pérdidas por hierro, y motores sin escobillas con una excelente disipación del calor, y te proponemos la solución más adecuada para tus necesidades.
Con una gestión adecuada de la temperatura, mejoraremos la seguridad y la fiabilidad del motor y conseguiremos un funcionamiento estable del producto.
Información sobre productos y consultas
Puedes consultar más detalles sobre los micromotores de C.I. Takiron en la siguiente página web.
- Página web del producto: https://cik-ele.com/
- Motores sin núcleo: https://cik-ele.com/products/list/coreless_motor/
- Motores sin escobillas: https://cik-ele.com/products/list/brushless_motor/
- Motorreductor: https://cik-ele.com/products/list/gearhead/
- Codificador: https://cik-ele.com/products/list/encoder/
Si tienes alguna duda a la hora de elegir un motor pequeño para el desarrollo de tus productos, no dudes en ponerte en contacto con nosotros a través del formulario de consulta. Nuestro equipo técnico analizará el uso y los requisitos que necesitas y te propondrá la solución más adecuada.
- Consultas: https://cik-ele.com/contact/
