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.