FRENOS Y EMBRAGUES VI. 2.- PARTÍCULAS MAGNÉTICAS

Los frenos y embragues a base de partículas magnéticas tienen separado el elemento motriz del conducido y  en el hueco que se forma por esta separación se coloca polvo con partículas que forman cadenas ante la presencia de un campo magnético. Estas cadenas unen los dos lados permitiendo la transmisión de un par.  La transmisión, entonces, no se da en base a la atracción o repulsión entre campos magnéticos, sino en base a la fuerza que une a estas cadenas entre sí y con las superficies tanto del lado motriz y como del lado conducido.

El par máximo que pueden transmitir sin deslizamiento se regula mediante la corriente que pasa por el embobinado que genera el campo magnético. Una vez que se alcanza el par máximo, se produce deslizamiento a par constante. Excepto a velocidades muy bajas, el par de deslizamiento es independiente de la velocidad de giro o de la de deslizamiento. Esta característica los hace atractivos para aplicaciones de par controlado como roscado de tornillos o tapones, control de tensión o bancos de prueba para motores.

El par generalmente varía en forma prácticamente lineal con respecto a la corriente, excepto en la proximidad de los extremos de corriente mínima y máxima. Aunque esta característica permite un manejo a lazo abierto, es común que en estos frenos y embragues se dé el fenómeno de histéresis en que además de la corriente, el par de deslizamiento depende del camino que siguió la corriente para llegar a un nivel en particular. La curva par vs corriente sigue un camino cuando se va  incrementando desde cero y sigue uno distinto, generalmente a par mayor, cuando disminuye desde su valor máximo. Esto significa que no hay una relación única entre el par y la corriente que se suministra a la bobina del electroimán, de manera que las aplicaciones de precisión o en las que hay cambios en el par de deslizamiento pueden requerir de sistemas con retroalimentación (a lazo cerrado). Debido a que la resistencia eléctrica de la bobina depende de su temperatura, la mayoría de los fabricantes recomiendan y ofrecen controles basados en la corriente en lugar del voltaje.

P_s: Potencia perdida en forma de calor por el deslizamiento (W)

N_s: Velocidad de deslizamiento (diferencia de velocidades entre los dos elementos, rpm)

T_t: Par transmitido en deslizamiento (Nm)

De la misma manera en que sucede con cualquier freno o embrague, el deslizamiento genera calor, Ps, de acuerdo a la ecuación anterior, por lo tanto, el freno o embrague seleccionado para una aplicación en particular, debe tener suficiente capacidad para disipar este calor en las condiciones específicas de operación. Los datos de disipación de calor que se publican en los catálogos se refieren a condiciones específicas de velocidad de giro, temperatura ambiente y voltaje aplicado.  De manera que si las condiciones de trabajo quedan fuera de estos supuestos, es necesario consultar con el fabricante para garantizar que la selección será adecuada para la aplicación propuesta.

Aunque no hay contacto directo entre el elemento motriz y el conducido, las partículas magnéticas sufren deterioro por el uso y es necesario reemplazarlas esporádicamente. Un punto que puede ser importante para aplicaciones que requieren mucha limpieza es el riesgo de fugas de las partículas magnéticas. Sin embargo el desgaste y las fugas normalmente son considerablemente menores que en los frenos o embragues a base de fricción.

Esta representación esquemática muestra el diseño básico con eje hueco en el rotor interno, el elemento exterior de transmisión será el alojamiento para la bobina de inducción con la que se genera campo magnético. Cuando se trata de un freno, el alojamiento queda fijo a la estructura de la maquina mediante una base o una brida. En los embragues se usan contactos eléctricos deslizantes para permitir el giro del elemento exterior.  En esta construcción, el eje puede ser hueco o sólido.

Entre las opciones para aumentar la capacidad de disipación de calor que se encuentran en el mercado, están las aletas, como las que muestra esta ilustración, o la circulación forzada de aire mediante ventiladores.

Ésta es una representación esquemática de un embrague con campo magnético estático montado sobre rodamientos. El alojamiento de la bobina es estático y permite que la conexión eléctrica sea mediante terminales para cables.

CONCLUSIÓN

los frenos y embragues a base de partículas magnéticas representan una forma sencilla, limpia y económica de mantener un par controlado en aplicaciones de deslizamiento ya sea intermitente como en el roscado de tornillos y tapones, o continua como en el control de tensión o bancos de prueba para motores. Sus principales ventajas son:

• Desgaste y mantenimiento mínimos.
• El par de deslizamiento es independiente de la velocidad de giro o de deslizamiento.
• El par de deslizamiento varía en forma prácticamente lineal respecto a la corriente que se aplica.
• Se adaptan fácilmente a control manual o automático.

FRENOS Y EMBRAGUES VI. 1.- CORRIENTES PARÁSITAS

INTRODUCCIÓN:

Esta serie de artículos tratará sobre  frenos y embragues a base de corrientes parásitas, histéresis magnética, partículas magnéticas y regenerativos. Todos ellos dependen de campos eléctricos o magnéticos sin que haya contacto directo entra el elemento motriz y el elemento conducido. Por sus características de construcción y de operación, cada una de estas tecnologías ofrece ventajas en diversas aplicaciones.

 1.- CORRIENTES PARÁSITAS.

Una manera de generar un potencial eléctrico consiste en hacer pasar un alambre de material conductor de electricidad a través de un campo magnético. Si en lugar de un alambre en que la corriente fluye en el sentido longitudinal del alambre, se tiene una placa en que la corriente eléctrica puede fluir libremente buscando el camino de menor resistencia, la corriente eléctrica tenderá a formar remolinos encontrados que llamamos corrientes parásitas. A su vez, estas corrientes parásitas crean sus propios campos magnéticos que interactúan con el campo magnético que las genera. La interacción entre estos campos magnéticos produce fuerzas que se oponen al movimiento de la placa. Si la placa es de material ferro-magnético habrá, además, una fuerza de atracción entre el campo magnético y la placa, fuerza que estará presente aunque no haya movimiento entre las partes y que tendrá efectos secundarios en la fuerza de frenado.

FRENOS

Si la placa es de material no-magnético, como cobre o  aluminio, la fuerza de frenado depende de la conductividad de los materiales empleados, de la configuración del freno, de la velocidad de deslizamiento y de la intensidad del campo magnético. Una consecuencia que se hace evidentemente de inmediato, es que no hay fuerza de frenado cuando la máquina está parada y por lo tanto, si la máquina requiere de esta función, será necesario tener un segundo freno. Otra consecuencia es que la fuerza de frenado aumenta con la velocidad, haciendo a estos frenos particularmente atractivos en aplicaciones en la que se requiere poner límite a la velocidad.

FRENOS GIRATORIOS

Para un freno giratorio hecho de materiales no magnéticos y con una configuración geométrica en particular, el par de frenado depende de la velocidad de giro y de la intensidad del campo magnético. Si el campo magnético proviene de un imán permanente, el par de frenado depende únicamente de la velocidad de giro, pero si el campo magnético proviene de un electroimán, su intensidad se puede controlar en base a la corriente que se hace pasar por la inducción que genera el campo magnético.

Al igual que sucede con otros embragues y acoplamientos, el par se salida tiene que ser igual al par de entrada. Si a esto agregamos el requerimiento de que haya una diferencia entre la velocidad de entrada y la de salida, tenemos una pérdida de energía que se refleja en un aumento en la temperatura de los componentes, de manera que en aplicaciones de frenado continuo, como en control de tensión, la potencia que puede soportar continuamente un freno de corrientes parásitas está  limitada por su capacidad para disipar el calor generado en operación. El calor se genera a razón de:

P_s: Potencia perdida por el deslizamiento (W)

N_s: Velocidad de deslizamiento (rpm)

T_t: Par de frenado (Nm)

Esta gráfica muestra curvas típicas par-velocidad para diferentes niveles de corriente eléctrica en el electroimán de un freno a base de corrientes parásitas. P_m representa la potencia máxima que puede disipar en condiciones ambientales específicas (temperatura, humedad, densidad y velocidad del aire) para mantener la temperatura dentro de un límite aceptable. La zona de operación continua del freno es lo que queda del lado izquierdo y debajo de la curva P_m, que puede desplazarse a la derecha si se incluyen sistemas ventilación forzada o enfriamiento por agua.

FRENOS PARA MOVIMIENTO LINEAL

Los ferrocarriles y juegos mecánicos están entre las aplicaciones que mejor se adaptan a esta tecnología. Montando electroimanes en el chasís de los vagones y usando los rieles como placas conductoras de electricidad, en el caso del ferrocarril, o colocando un campo magnético estático y una placa conductora en los vagones de un juego mecánico, se obtiene un freno de movimiento lineal que ofrece varias ventajas sobre los frenos de fricción aplicados en las ruedas:

·         No tienen partes que se desgastan por el uso.

·         No dependen del coeficiente de fricción, que se ve afectado por el medio ambiente.

·         La fuerza de frenado es fácil de controlar.

·         Ofrecen mayor fuerza de frenado a altas velocidades.

·         No rechinan.

·         Ofrecen mejor control de velocidad en las bajadas prolongadas.

·         Tienen una mejor disipación de calor, especialmente en bajadas prolongadas.

EMBRAGUES

Cuando se trata de un embrague, la gráfica se invierte porque la condición estática se da cuando ambas partes giran a la misma velocidad, la del motor. Esto significa que solamente se puede transmitir un par si el lado conducido gira a menor velocidad que el motriz (aunque también podría actuar como freno si la carga tratara de girar a mayor velocidad que el motor). En el mercado pueden encontrarse accionamientos de velocidad variable que consisten en un conjunto de motor de corriente alterna que gira a velocidad constante con un embrague de corrientes parásitas cuya velocidad de salida se controla en base la intensidad de la corriente directa que pasa por el embrague.

Es común que estos embragues tengan capacidad de transmitir un par equivalente al 250% del par nominal (a plena carga) del motor. Aunque el conjunto puede generar un par a ese nivel durante periodos cortos, como durante el arranque o si hay un incremento momentáneo en la carga, debemos recordar que el embrague solamente puede transmitir  un par igual al que genera el motor, y por lo tanto, aunque el embrague esté operando dentro de su capacidad continua, el tiempo durante el que el conjunto puede operar a un par superior a la capacidad nominal del motor, está limitado por la protección térmica del motor.

VENTAJAS

Comparados con los variadores de frecuencia, los sistemas de velocidad variable a base de corrientes parásitas ofrecen las siguientes ventajas que resultan atractivas para algunas aplicaciones, especialmente en operación cercana a la velocidad del motor:

·         Diseño sencillo y robusto, con pocas partes de desgaste.

·         Motor de corriente alterna conectado directamente a la línea de alimentación.

·         El motor no está expuesto a pulsaciones de voltaje que lo deterioran prematuramente.

·         No generan señales harmónicas que pueden afectar otros equipos conectados a la red.

·         Pocas pérdidas en el sistema de control (del orden del 2%).

Control bastante preciso de la velocidad.