Comprensión del entrehierro en los motores eléctricos
Definición: ¿Qué es el entrehierro?
Entrehierro Es la holgura radial entre la superficie exterior del rotor y la superficie interior del estator en motores y generadores eléctricos. Este estrecho espacio (normalmente de 0,3 a 2,0 mm o de 0,012 a 0,080 pulgadas) está lleno de aire y representa la trayectoria magnética a través de la cual se transfieren las fuerzas electromagnéticas entre los devanados estacionarios del estator y el rotor giratorio. El entrehierro es una de las dimensiones más críticas en el diseño de motores, ya que afecta directamente al rendimiento electromagnético, la eficiencia, el factor de potencia, el par de arranque y la susceptibilidad a... atracción magnética y vibración.
Aunque pequeñas y aparentemente insignificantes, la uniformidad y magnitud del entrehierro tienen profundos efectos en el funcionamiento del motor. Los entrehierros no uniformes generan fuerzas magnéticas desequilibradas que provocan vibración y aceleran el desgaste de los rodamientos, mientras que los entrehierros excesivos reducen la eficiencia y aumentan los requisitos de corriente de magnetización.
Dimensiones típicas del entrehierro
Por tamaño del motor
- Motores pequeños (< 10 CV): 0,3-0,6 mm (0,012-0,024 pulgadas)
- Motores medianos (10-200 HP): 0,5-1,2 mm (0,020-0,047 pulgadas)
- Motores grandes (200-1000 HP): 1,0-2,0 mm (0,040-0,080 pulgadas)
- Motores muy grandes (> 1000 HP): 1,5-3,0 mm (0,060-0,120 pulgadas)
- Tendencia general: Los motores más grandes tienen holguras absolutas mayores, pero holguras menores como porcentaje del diámetro.
Por tipo de motor
- Motores de inducción: Espacios más grandes (0,5-2,0 mm típicos)
- Motores síncronos: Similares a los motores de inducción
- Motores de corriente continua: Huecos muy pequeños en la armadura (0,3-1,0 mm)
- Diseños de alta eficiencia: Tiende a espacios más pequeños para un mejor rendimiento
Importancia del entrehierro
Rendimiento electromagnético
- Reluctancia del circuito magnético: El entrehierro es el elemento de mayor reluctancia en la trayectoria magnética.
- Corriente magnetizante: Los espacios más pequeños requieren menos corriente de magnetización (mejor factor de potencia)
- Eficiencia: Los espacios más pequeños generalmente son más eficientes (menos pérdidas de magnetización)
- Producción de par: Los espacios más pequeños permiten un acoplamiento magnético más fuerte
Consideraciones mecánicas
- Autorización: Debe adaptarse a la deflexión del eje, las tolerancias de los cojinetes y el crecimiento térmico.
- Margen de seguridad: Evita el contacto entre el rotor y el estator durante vibraciones o condiciones inusuales
- Tolerancias de fabricación: Debe ser alcanzable con tolerancias de producción.
Excentricidad del entrehierro
Definición
La excentricidad del entrehierro es la falta de uniformidad del entrehierro alrededor de la circunferencia:
- Brecha uniforme: Misma dimensión en todas las posiciones angulares
- Espacio excéntrico: Varía alrededor de la circunferencia (pequeño en un lado, grande en el opuesto)
- Cuantificación: Excentricidad = (gmax – gmin) / margen de beneficio, expresado como porcentaje
- Aceptable: Típicamente < 10% excentricidad para un buen funcionamiento
Causas de la excentricidad
- Desgaste del cojinete: Permite que el rotor funcione descentrado
- Tolerancias de fabricación: El orificio del estator o el rotor no son perfectamente concéntricos
- Errores de ensamblaje: Campanas de extremo desalineadas, rotor ladeado
- Distorsión térmica: Calentamiento desigual que afecta la redondez
- Distorsión del marco: Marco de deformación por tensión de montaje o pie cojo
Efectos de la excentricidad
- Atracción magnética desequilibrada: Fuerza radial neta hacia el lado con espacio pequeño
- Vibración a 2×f: Fuerzas electromagnéticas pulsantes
- Frecuencia de paso de polos Bandas laterales: Firma diagnóstica en el espectro de vibración
- Sobrecarga del cojinete: Carga asimétrica que acelera el desgaste
- Pérdida de eficiencia: Circuito magnético no óptimo
Medición del entrehierro
Medición directa (motor desmontado)
- Galgas de espesores: Inserte calibres entre el rotor y el estator en múltiples ubicaciones
- Procedimiento: Mida en 8-12 posiciones alrededor de la circunferencia.
- Calcular: Promedio, mínimo, máximo y porcentaje de excentricidad
- Cuando: Durante la revisión del motor o el reemplazo de cojinetes
Evaluación indirecta (motor operativo)
- Vibración a 2×f: Una amplitud elevada indica una brecha no uniforme
- Bandas laterales del PPF: La presencia y la amplitud se correlacionan con la excentricidad.
- Análisis actual: Efectos del campo magnético visibles en el espectro actual
- Ruido: Intensidad del zumbido electromagnético
Problemas y soluciones de los entrehierros
Demasiado pequeño (< Especificación mínima)
Consecuencias:
- Riesgo de contacto entre el rotor y el estator por vibración o deflexión
- Atracción magnética muy alta si es excéntrico
- Daños durante el arranque o transitorios
Causas y soluciones:
- Error de fabricación → Remecanizar el rotor o perforar el estator
- Rotor incorrecto instalado → Reemplazar con el rotor correcto
- Desgaste del cojinete que permite el desplazamiento del rotor → Reemplace los cojinetes, verifique que se haya restaurado el espacio
Demasiado grande (>Especificación máxima)
Consecuencias:
- Eficiencia reducida (mayor corriente de magnetización)
- Factor de potencia más bajo
- Par de arranque reducido
- Mayor corriente sin carga
Generalmente menos crítico: Puede funcionar pero el rendimiento se degrada
No uniforme (excéntrico)
Los más comunes y problemáticos:
- Crea una atracción magnética desequilibrada
- Provoca vibración 2×f
- Acelera el desgaste de los rodamientos mediante retroalimentación positiva.
- Solución: Reemplace los cojinetes desgastados, corrija la distorsión del bastidor, verifique la concentricidad del rotor.
Diagnóstico del entrehierro en el motor
Indicadores de diagnóstico
| Síntoma | Posible problema de espacio de aire |
|---|---|
| Vibración de frecuencia de línea alta de 2× | Espacio excéntrico, atracción magnética |
| Bandas laterales de frecuencia de paso de polo | Brecha no uniforme |
| Alta corriente sin carga | Brecha excesiva |
| Par de arranque bajo | Brecha excesiva |
| Prueba de frotamiento | Espacio libre insuficiente |
| Desgaste asimétrico de los rodamientos | Espacio excéntrico que crea UMP |
Tendencias y monitoreo
- Monitoriza la vibración de frecuencia de línea 2× durante la vida útil del motor
- El aumento de 2×f indica un desarrollo de excentricidad (generalmente debido al desgaste del cojinete).
- Documentar las mediciones del entrehierro durante las revisiones
- Comparar con especificaciones y mediciones anteriores
- Úselo como entrada para tomar decisiones sobre el reemplazo de cojinetes.
Diseño y fabricación
Compensaciones en la selección de brechas
- Brecha más pequeña: Mejor eficiencia, factor de potencia, torque PERO mayor atracción magnética si es excéntrico, menor holgura mecánica
- Brecha más grande: Mayor holgura mecánica, menor atracción magnética PERO menor eficiencia, mayor corriente de magnetización
- Mejoramiento: El espacio más pequeño compatible con los requisitos mecánicos y las capacidades de fabricación
Especificación de tolerancia
- Espacio nominal especificado en los planos
- Tolerancias típicamente ±10-20% del nominal
- Límites de excentricidad especificados (a menudo < 10%)
- Verificación del control de calidad durante la fabricación
El entrehierro es un parámetro fundamental en el diseño y funcionamiento de motores eléctricos. Comprender sus efectos en el rendimiento electromagnético, identificar los síntomas de problemas de entrehierro mediante el análisis de vibraciones y mantener un entrehierro uniforme mediante un mantenimiento adecuado de los rodamientos es esencial para un funcionamiento fiable y eficiente del motor y para prevenir fallos catastróficos en el contacto rotor-estator.
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