Campos magnéticos en máquinas eléctricas: entrehierro, armónicos y devanados

Resumen

El documento explica los campos magnéticos en máquinas eléctricas, empezando por la tensión magnética del entrehierro y el análisis de sus armónicos espaciales. Trata los armónicos de ranura, el teorema de Leblanc sobre la fmm de un devanado monofásico, la frecuencia de la fem de rotación, la dispersión en las cabezas de diente y el factor de saturación.

Puntos clave

La tensión magnética del entrehierro es una magnitud función de la coordenada angular alfa, calculada mediante una integral a lo ancho del entrehierro.
Un armónico de orden h de un campo de p pares de polos tiene 2·p·h polos; para h=5 y 4 polos, el quinto armónico tiene 20 polos.
Los armónicos de ranura cumplen h = 2·k·q ± 1 = 2·Q ± 1 y no se reducen al distribuir el devanado ni al acortar sus bobinas.
Según el teorema de Leblanc, una fmm pulsante de valor máximo FM equivale a dos campos giratorios de amplitud FM/2 que giran en sentidos opuestos.
La dispersión en las cabezas de diente son líneas de campo que van de un diente a otro del mismo órgano sin atravesar el entrehierro.
El factor de saturación se define como ks = Fm / Fom y depende de la geometría, de los materiales y de la saturación de los elementos ferromagnéticos.

Ponte a prueba

Campos Magnéticos en Máquinas Eléctricas

Tensión Magnética del Entrehierro

La tensión magnética del entrehierro se define como una magnitud función de la coordenada angular (alfa) y se calcula mediante la siguiente integral a lo ancho del entrehierro.

Armónicos en el Campo Magnético

Un devanado crea un campo magnético en el entrehierro de 4 polos. Si la distribución espacial de este campo magnético se descompone en series de Fourier, el quinto armónico tendrá 20 polos. Esto se calcula con la fórmula: φ_h = h * 2p. Para el quinto armónico (h=5) y 4 polos (p=2), φ₅ = 5 * 4 = 20.

Armónicos de Ranura

Un armónico de la distribución espacial del campo magnético en el entrehierro es un armónico de ranura cuando sus factores de distribución y acortamiento en el bobinado del estator son iguales a los del primer armónico. Por lo tanto, estos armónicos no se reducen al distribuir el devanado ni al acortar sus bobinas.

Estos armónicos de ranura tienen un orden h que cumple la siguiente relación: h = 2 * k * q ± 1 = 2 * Q ± 1.

Teorema de Leblanc

El teorema de Leblanc, referido a la fuerza magnetomotriz (fmm) creada por un devanado monofásico, establece que un devanado monofásico alimentado con corriente alterna monofásica genera una fmm pulsante en el entrehierro (cuyo valor máximo es F_M). Esta fmm pulsante se puede descomponer en dos campos giratorios con la misma amplitud (F_M / 2) y velocidades de giro iguales en magnitud, pero de sentidos opuestos.

Frecuencia de la FEM de Rotación

Sobre un devanado de p pares de polos que gira a una velocidad de n (rpm) actúa el armónico espacial de orden h del campo magnético, el cual gira a una velocidad de n_h. La frecuencia f_h de la fuerza electromotriz (fem) de rotación que este armónico espacial del campo magnético induce sobre una fase del devanado se calcula con la siguiente expresión:

nQWmsfFK0HvcGwtln6zIfJ4jeeccI07jVXIQAAAA

Dispersión en las Cabezas de Diente

Las líneas de campo correspondientes a la dispersión en las cabezas de diente siguen un recorrido que pasa a través del entrehierro sin llegar a atravesarlo completamente (sin pasar de estator a rotor o viceversa). Estas líneas de inducción van de un diente a otro contiguo situado en el mismo órgano (estator o rotor) de la máquina.

Factor de Saturación

El factor de saturación (k_s) de una máquina eléctrica depende de la geometría de la máquina, de las características magnéticas de los materiales con los que está construida y de la saturación de sus elementos ferromagnéticos. Se define como: k_s = F_m / F_om.

Preguntas frecuentes

¿Qué es un armónico de ranura?

Es un armónico de la distribución espacial del campo en el entrehierro cuyos factores de distribución y acortamiento en el estator son iguales a los del primer armónico. Por eso no se reducen al distribuir el devanado ni al acortar sus bobinas.

¿Qué dice el teorema de Leblanc?

Establece que un devanado monofásico alimentado con corriente alterna genera una fmm pulsante en el entrehierro, que puede descomponerse en dos campos giratorios de igual amplitud (FM/2) y velocidades iguales en magnitud pero de sentidos opuestos.

¿Cómo se calcula el número de polos de un armónico espacial?

Se usa la fórmula φh = h·2p, donde h es el orden del armónico y p el número de pares de polos. Por ejemplo, el quinto armónico de una máquina de 4 polos tiene 20 polos.