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Motor lineal
Motor lineal
Un motor lineal es un motor eléctrico que posee su estator y su rotor "distribuidos" de forma tal que en vez de producir un torque (rotación) produce una fuerza lineal en el sentido de su longitud. El modo más común de funcionamiento es como un actuador tipo Lorentz, en el cual la fuerza aplicada es linealmente proporcional a la corriente eléctrica y al campo magnético
.
Se han desarrollado varios diseños de motores lineales, los cuales se enmarcan en dos categorías principales, motores lineales de baja aceleración y de alta aceleración. Los motores lineales de baja aceleración son apropiados para el tren maglev y otros usos en el campo del transporte de superficie. Los motores lineales de alta aceleración por lo general son relativamente cortos y se diseñan para acelerar un objeto a muy alta velocidad, por ejemplo véase el railgun.
Por lo general son utilizados para realizar estudios de colisiones con hipervelocidad, como armas, o como impulsores de masa de sistemas de propulsión de naves espaciales. Los motores de alta aceleración por lo general poseen diseños tipo motor de inducción lineal AC con un bobinado trifásico activo de un lado del entre hierro de aire y una placa conductora pasiva del otro lado. El motor lineal de corriente directa homopolar tipo railgun es otro diseño de un motor lineal de alta aceleración. Los motores de baja aceleración, alta velocidad y alta potencia por lo general son del tipo motores lineales sincrónicos (LSM), con un bobinado activo de un lado del entre hierro de aire y un conjunto de imanes con sus polos alternados del otro lado. Estos imanes pueden ser imanes permanentes o electroimanes. El motor del Shanghai Transrapid es un LSM.
Tipos
Tipos
Diagrama de cuerpo libre de un motor lineal sincrónico de canal en U. La vista es perpendicular al eje del canal. Los dos bobinados en el centro se encuentran conectados mecánicamente, y se energizan en "cuadratura" (con una diferencia de fase de 90° (π/2 radianes)). Si el bobinado inferior (tal como se muestra) se encuentra con la fase adelantada, entonces el motor se moverá hacia abajo (en el diagrama), y viceversa.
En este diseño, la fuerza es producida desplazando un campo magnético lineal que actúa sobre conductores en el campo. En cualquier conductor, sea un bobinado, espira o simplemente un trozo de metal, que se coloca en este campo se inducirán corrientes de Foucault creando un campo magnético opuesto, según determina la ley de Lenz. Los dos campos magnéticos opuestos se repelerán, creando el movimiento en la medida que el campo magnético barre el metal.
Motor de inducción
Motor de inducción
Prototipo de un motor lineal con bobinados separados visibles.
Motor sincrónico
Motor sincrónico
En este diseño, por lo general se controla la velocidad de desplazamiento del campo magnético mediante dispositivos electrónicos, para regular el movimiento del rotor. Debido a razones de costo los motores sincrónicos lineales raramente utilizan conmutadores, por lo que el rotor a menudo contiene imanes permanentes, o hierro dulce. Ejemplos de este tipo de motores son los coilguns y los motores utilizados en los sistemas maglev.
Un sistema piezo eléctrico a menudo es utilizado para impulsar motores lineales pequeños.
Un motor lineal de tren, en uso en la línea Toei Oedo.
Historia
Historia
La historia de los motores lineales eléctricos se remonta a 1840, con los trabajos de Charles Wheatstone en el King's College en Londres, pero el modelo de Wheatstone era muy ineficiente lo cual lo hacía impráctico. Un motor de inducción lineal posible es descrito en la patente norteamericana US 782312 ( 1905 - inventor Alfred Zehden de Frankfurt-am-Main ), para desplazar trenes o elevadores. El ingeniero alemán Hermann Kemper construyó un modelo funcional en 1935. A finales de la década de 1940 el profesor Eric Laithwaite del Imperial College en Londres desarrolló el primer modelo funcional a escala real. En una versión de un solo lado las fuerzas de repulsión magnéticas empujan a que el conductor se aleje del estator, haciéndolo levitar, y desplazándolo en la dirección del campo magnético desplazable. A estas versiones posteriores las denomino "río magnético".
A causa de estas propiedades, los motores lineales han sido utilizados a menudo para propulsión maglev, como por ejemplo en el tren de levitación magnética Linimo japonés cerca de Nagoya. Sin embargo, los motores lineales han sido utilizados independientemente de la levitación magnética, como en los sistemas Advanced Rapid Transit de Bombardier y en varios subterráneos modernos japoneses incluida la línea Toei Oedo en Tokio.
Una tecnología similar aunque con algunas modificaciones se utiliza en algunas montañas rusas pero en la actualidad todavía es poco práctico su uso en tranvías urbanos, aunque en teoría ello seria posible de hacer si se lo ubicara en un conducto escondido en una ranura en el pavimento.
Además del transporte público, se ha propuesto el uso de motores lineales verticales para dispositivos de ascenso en minas profundas, y el uso de motores lineales se encuentra en crecimiento para dispositivos de control de movimiento. A menudo son utilizados en puertas corredizas, tales como las que poseen los tranvías de piso bajo como el Citadis y el Eurotram. También existen los motores lineales de doble eje. Estos dispositivos especializados han sido utilizados para permitir un desplazamiento directo X-Y para corte de tela y placas de metal mediante láseres de precisión, dibujo automatizado, y armado de cables. Los motores lineales más utilizados son el LIM (motor de inducción lineal) y el LSM (motor sincrónico lineal). Los motores lineales DC no son utilizados ya que su costo es mayor y los SRM lineales poseen una potencia baja.
Baja aceleración
Los trenes ART se impulsan utilizando una cinta de inducción de aluminio ubicada entre los rieles.
Alta aceleración
Alta aceleración
Se ha propuesto el uso de motores lineales de alta aceleración para varias aplicaciones. Se los ha evaluado para utilizarlos como armas, dado que las municiones perforadoras de blindaje actuales consisten de pequeños proyectiles con una muy alta energía cinética, para lo cual estos motores son adecuados. Muchas montañas rusas de parques de diversiones utilizan en la actualidad motores de inducción lineales para impulsar el tren a alta velocidad, como un sistema alternativo a la alternativa de la elevación por medios mecánicos al comienzo del recorrido. La marina de Estados Unidos también utiliza los motores lineales de inducción en el Electromagnetic Aircraft Launch System que reemplazará las tradicionales catapultas de vapor en los portaaviones. También se ha propuesto su uso para propulsión de naves espaciales. En este contexto son denominados impulsores de masa. La forma más simple de utilizar impulsores de masa para propulsión de naves espaciales es construir un gran impulsor de masa capaz de acelerar carga hasta la velocidad de escape, aunque también se ha considerado el lanzamiento de un RLV como el StarTram a órbita terrestre baja.
Los motores lineales de alta aceleración son difíciles de diseñar por una variedad de razones. Estos motores requieren liberar grandes cantidades de energía durante períodos de tiempo muy breves. El diseño de un lanzador de cohetes requiere de 300 GJ en cada lanzamiento al espacio en un periodo de tiempo menor a 1 segundo. Los generadores eléctricos normales no se encuentran diseñados para este tipo de demanda, pero es posible utilizar métodos de almacenamiento de energía eléctrica de liberación rápida. Los capacitores son voluminosos y caros pero pueden suministrar grandes cantidades de energía de manera rápida. Los generadores homopolares pueden ser utilizados para convertir rápidamente la energía cinética de un volante de inercia en energía eléctrica. Los motores lineales de alta aceleración también demandan muy elevados campos magnéticos; los campos magnéticos son a menudo demasiado intensos como para que sea posible utilizar superconductores. Sin embargo, mediante un diseño adecuado, esto puede ser resuelto.
Existen dos diseños básicos para motores lineales de alta aceleración: railguns y coilguns.
Ejemplo : Maglev
California Screamin' - Roller coaster LIM application
Doubly fed electric machine
Launch loop - A proposed system for launching vehicles into space using a linear motor powered loop
Actuador lineal
Maverick - A roller coaster LSM application
Pulse transformer
Skytrain, Canadá - Sistema rápido de transporte
StarTram - Concepto para un motor lineal de gran tamaño
Tether cable catapult system
Tomorrowland Transit Authority - Slow ride LIM application
Dreamworld, Australia - LSM reverse freefall roller coaster
Research Test Vehicle 31 - A hovercraft-type vehicle guided by a track
Detalle de una superficie de conductor plano pasivo de un motor lineal de control de movimiento.
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