Motor jcon rotor jaula de ardilla

Los motores asíncronos son máquinas eléctricas,
las cuales han tenido mayor aplicación en la industria y artefactos
electrodomésticos. Estas máquinas son los principales
convertidores de energía eléctrica en mecánica (actualmente los
motores asíncronos consumen casi la mitad de la energía eléctrica
generada). Su uso es, principalmente, en calidad de mando
eléctrico en la mayoría de los mecanismos, ello se justifica por la
sencillez de su fabricación, su alta confiabilidad y un alto valor
de eficiencia. Hay 2 tipos de MA; los de rotor de jaula de ardilla
y los de rotor de anillos

1. 1
Motor Asìncrono con rotor de “Jaula de ardilla”
Paul Santiago Saldaña Caldas
[email protected]
[email protected]
Abstract—Los motores asíncronos son máquinas eléctricas,
las cuales han tenido mayor aplicación en la industria y arte-
factos electrodomésticos. Estas máquinas son los principales
convertidores de energía eléctrica en mecánica (actualmente los
motores asíncronos consumen casi la mitad de la energía eléctrica
generada). Su uso es, principalmente, en calidad de mando
eléctrico en la mayoría de los mecanismos, ello se justica por la
sencillez de su fabricación, su alta conabilidad y un alto valor
de eciencia. Hay 2 tipos de MA; los de rotor de jaula de ardilla
y los de rotor de anillos
Index Terms—Asìncronico, coaxiales, estator, polifásico polos,
devanado, torsión ,electromagnetismo ,devanados , histéresis.
I. INTRODUCCIÒN
Este documento contiene informaciòn sobre el fun-
cionamiento del motor asìncrono , cabe destacar que la in-
vestigacion se centra en la forma de construccion del rotor ,
como lo es en este caso el diseño de “ jaula de ardilla ” .
Con el n de saber como funciona este rotor se describe el
proceso que ocurre al ser circulado por una corriente elèctrica
, ademas se muestra la curava de funcionamieno, los tipos de
arranque de la màquina , la contruccion del motor, tipos de
rotores,etc.
Para nalizar se describe brevemente los tipos de contro-
ladores de frecuencia , los cuales sirven principalmente para
la regulaciuon de velocidad.
II. FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR ASÌNCRONO
Los motores asíncronos o de inducción son aquellos motores
eléctricos en los que el rotor nunca llega a girar en la misma
frecuencia con la que lo hace el campo magnético del estator.
Cuanto mayor es el par motor mayor es esta diferencia de
frecuencias.
Estos motores son prácticamente motores trifásicos. Están
basados en el accionamiento de una masa metálica por la
acción de un campo giratorio. Están formados por dos ar-
maduras con campos giratorios coaxiales: una es ja, y la
otra móvil. También se les llama, respectivamente, estator y
rotor. El devandado del rotor, que conduce la corriente alterna
que se produce por inducción desde el devanado del estator
conectado directamente, consiste de conductores de cobre o
aluminio vaciados en un rotor de laminaciones de acero. Se
instalan anillos terminales de cortocircuito en ambos extremos
de la “jaula de ardilla” o bien en uno de los extremos en el
caso del rotor devanado.
Figure 1. Figura de un motor asìncrono
A. Caracterìsticas principales de funcionamiento
Hay 2 tipos de MA; los de rotor de jaula de ardilla y los
de rotor de anillos rozantes.
Una máquina de inducción ( asincrónica ) con rotor en
reposo tiene un funcionamiento similar a un transformador,
diferenciándose de un transformador convencional sólo por el
diseño ( devanados distribuidos en el rotor y en el estator,
presencia de entrehierro, etc. ) .
En cuanto a la naturaleza física de los fenómenos es la
misma en ambos casos. En el motor asíncrono se tiene 2
devanados, uno se coloca en el estator y el otro en el rotor.
Entre el estator y rotor se tiene un entrehierro, cuya longitud
se trata de, en lo posible, hacerlo pequeño (s = 0.1 - 0.3 mm),
con lo que se logra mejorar el acople magnético entre los
devanados.
El devanado del estator puede ser monofásico o trifásico (en
caso general polifásico). En lo sucesivo se analiza el motor
trifásico, cuyas bobinas se colocan en las ranuras interiores
del estator. Las fases del devanado del estator AX, BY, CZ se
conectan en tipo estrella Y o triángulo4, cuyos bornes son
conectados a la red.
Figure 2. Esquema de conexiòn
El devanado del rotor también es trifásico (o polifásico)
y se coloca en la supercie del cilindro. En el caso simple
se une en corto circuito. Cuando el devanado del estator es
alimentado por una corriente trifásica, se induce un campo
magnético giratorio, cuya velocidad (síncrona) es:

2. 2
nsinc= 60F=
F=Frecuencia
p=Pares de polos
Este tipo de motor no se emplea industrialmente, por una
serie de problema que origina su puesta en marcha, proceso
de trabajo y desconexión.
Estos motores llevan siempre una velocidad inferior a la que
le correspondía por formula. Si el rotor está en reposo o su
velocidadn < nsinc, entonces el campo magnético giratorio
traspasa los conductores del devanado rotórico e inducen en
ellos una f.e.m.
III. FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR ASÌNCRONO CON
ROTOR DE“JAULA DE ARDILLA”
En su forma instalada, es un cilindro montado en un eje, que
internamente contiene barras conductoras longitudinales de
aluminio o de cobre con surcos y conectados juntos en ambos
extremos poniendo en cortocircuito los anillos que forman la
jaula. El nombre se deriva de la semejanza entre esta jaula de
anillos y barras y la rueda de un hámster.
Figure 3. Rotor jaula de ardilla
La base del rotor se construye láminas de hierro apiladas en
donde los devanados inductores en el estátor de un motor de in-
ducción insitan al campo magnético a rotar alrededor del rotor.
El movimiento relativo entre este campo y la rotación del rotor
induce corriente eléctrica, un ujo en las barras conductoras.
Alternadamente estas corrientes que uyen longitudinalmente
en los conductores reaccionan con el campo magnético del
motor produciendo una fuerza que actúa tangente al rotor,
dando por resultado un esfuerzo de torsión para dar vuelta al
eje. En efecto el rotor se lleva alrededor el campo magnético
pero en un índice levemente más lento de la rotación. Este
campo magnético variable va a inducir una tensión en el rotor
según la Ley de inducción de Faraday:
eind=N
d
dt
La diferencia en velocidad se llama "deslizamiento" y
aumenta con la carga.
Figure 4.
A menudo, los conductores se inclinan levemente a lo largo
de la longitud del rotor para reducir ruido y para reducir las
uctuaciones del esfuerzo de torsión que pudieron resultar, a
algunas velocidades, y debido a las interacciones con las barras
del estátor.
Sobre los conductores con corriente, empleados en el campo
magnético, actúan fuerzas electromagnéticas cuya dirección
se determina por la regla de la mano izquierda; estas fuerzas
crean unMelmagnque arrastra al rotor tras el campo mag-
nético. Si esteMelmagnes lo sucientemente grande entonces
el rotor va a girar y su velocidadn2va a corresponder a la
igualdad.
Melmagenest=Mf renorot:
Este es el funcionamiento de la máquina en régimen de
motor y es evidente en este caso.
0n2< n1
A la diferencia de velocidades entre el campo magnético
y el rotor se le llama deslizamiento y se representa por el
símbolos.
s=
n1n2
n1
De donde se deduce que en el régimen de motor:
0s <1
El número de barras en la jaula de la ardilla se determina
según las corrientes inducidas en las bobinas del estátor y
por lo tanto según la corriente a través de ellas. Las construc-
ciones que ofrecen menos problemas de regeneración emplean
números primos de barras.
La principal característica de los motores asíncronos es
la presencia del deslizamiento s, ósea la desigualdad de
velocidades entre el campo del estator y la velocidad del rotor
n26=n1.
Obsérvese que este motor no puede iniciar, o sea, acelerar
desde una velocidad cero hasta la nominal. Las fuerzas que
actúan en las barras en cortocircuito se oponen unas a otras,
impidiendo el giro. Por lo tanto para el arranque, se utiliza una
bobina de campo auxiliar (bobinado de arranque) , desfasada
90° de las bobinas del campo principal, que crea un campo
magnético auxiliar para el arranque. Así, el ujo resultante
inicial estará desfasado en relación al eje de abscisas, y se
produce un torque de giro .Si el rotor está en reposo o su

3. 3
velocidadn < nsinc, entonces el campo magnético giratorio
traspasa los conductores del devanado rotórico e inducen en
ellos una f.e.m.
A. Curva Caracteristica
Se muestra la relación entre los pares de arranque, máximo
y nominal a plena carga que desarrolla un motor de inducción,
como función de la velocidad de éste y del deslizamiento.
Figure 5. Curva de funcionamiento
Esta gura es presentación gráca de la corriente y el
par desarrollados en el rotor del motor como funciones del
deslizamiento desde el instante del arranque (punto a) hasta
la condición de funcionamiento en estado estable (en general
entre marcha en vacío y marcha a plena carga - puntos c y d)
cuando los pares desarrollado y aplicado son iguales.
B. Tipos de Arranque
1) Arranque Directo:Bueno cuando se dispone de un mo-
tor pequeño de inducción de jaula de ardilla de unos cuantos
caballos de fuerza se pueden poner en marcha directamente
desde la línea o también llamada red eléctrica, con una caída
de voltaje que es de poca importancia en la fuente de voltaje,
y con un retardo pequeño o sin retardo para acelerarse a su
velocidad nominal.
Figure 6. Esquema de conexiòn
De igual manera en los motores grandes de inducción de
jaula de ardilla hasta de varios miles de HP, se pueden arrancar
conectándolos directamente a la línea sin daños ni cambios
indeseados de voltaje, siempre que las tomas de voltaje tengan
una capacidad bastante alta.
2) Arranque delta – estrella: :Bueno este método es
uno de los métodos más conocidos con el que se pueden
arrancar motores de hasta bajas potencias. Consiste en conectar
primero el motor en estrella para, una vez arrancado, realizar
la conmutar a la conexión en triángulo. Para que este tipo
de arranque tenga un buen funcionamiento el motor tiene que
estar preparado para funcionar a la tensión inferior conectado
en estrella.
Figure 7. Esquema de conexion
Si a un motor de las características indicadas se le conecta
primero en estrella, cada una de las bobinas del mismo quedará
sometida a una tensión, SQRT (3) inferior que si hubiese
conectado en triángulo. Con ello se consigue que la intensidad
en el arranque quede disminuida a la tercera parte respecto
al arranque directo en conexión en triángulo. El par también
queda reducido a la tercera parte, lo que conviene tenerlo en
cuenta si el motor arranca con toda la carga. Por esta razón,
conviene que el motor arranque en vacío o con poca carga.
3) Arranque con parte del devanado::Generalmente los
diseños de los motores de inducción de jaula de ardilla son con
devanados parciales, es decir, dos devanados de fase idénticos,
cada uno de los cuales produce el mismo número de polos
y el mismo campo magnético giratorio. La ventaja de esos
devanados es que se pueden conectar en serie para sistemas
de alto voltaje o en paralelo con sistemas de menor voltaje, la
corriente de arranque que resulta es un 65% de la normal de
arranque, con los devanados en paralelo, y el par de arranque
es aproximadamente el 45 % del par normal de arranque. Por
lo tanto, el motor se pone en marcha con la mitad de sus
devanados y conectando en estrella; cuando el motor llega
a determinada velocidad, el segundo devanado se conecta en
paralelo.
4) Arranque con resistencias estatóricas.:Este sistema de
arranque consiste en reducir la tensión que producen unas re-
sistencias conectadas en serie con el estator. Este sistema tiene
el inconveniente de que consigue disminuir la corriente en
función lineal de la caída de tensión producida. Sin embargo,
el par queda disminuido con el cuadrado de la caída de tensión,
por lo que su aplicación, se ve 1imitada a motores en 1os que
el momento de arranque resistente, sea baja.

4. 4
Figure 8. Esquema de conexiòn
El núcleo de hierro sirve para llevar el campo magnético
a través del motor. En estructura y material se diseña para
reducir al mínimo las pérdidas. Las laminas nas, separadas
por el aislamiento de barniz, reducen las corrientes parásitas
que circulan resultantes de las corrientes de Foucault (en
inglés, 'eddy current'). El material, un acero bajo en carbono
pero alto en silicio (llamado por ello acero al silicio), con
varias veces la resistencia del hierro puro, en la reductora
adicional. El contenido bajo de carbono le hace un material
magnético suave con pérdida bajas por histéresis.
Figure 9. Rotor de jaula de ardilla armado en el motor para su uso
El mismo diseño básico se utiliza para los motores
monofásicos y trifásicos sobre una amplia gama de tamaños.
Los rotores para trifásica tienen variaciones en la profundidad
y la forma de barras para satisfacer los requerimientos del
diseño. Este motor es de gran utilidad en variadores de
velocidad.
IV. CONSTRUCCION DEL MOTOR ASÌNCRONO
En los motores asíncronos de rotor bobinado, el devanado
rotórico, al igual que el estatórico, está constituido por hilo de
cobre.
Figure 10. Partes constitutivas
En las ranuras de la corona rotórica se alojan, por lo
general, tres devanados conectados por un punto común. Los
extremos libres pueden estar conectados a tres anillos de
cobre (anillos rozantes) que giran solidariamente con el eje.
Haciendo contacto con los anillos rozantes, se encuentran unas
escobillas, generalmente de grato, que están jas respecto
al estator y que permiten realizar la conexión de los tres
devanados rotóricos con el exterior.
Figure 11. Rotor jaula de ardilla
Aunque desde el punto de vista constructivo el motor de
rotor bobinado es más complejo y menos robusto que el de
jaula de ardilla, se puede lograr un par de arranque aproxi-
madamente 2,5 veces superior al nominal y una corriente de
arranque menor que en el caso de rotor en jaula de ardilla.
También, mediante el uso de las resistencias, se puede regular
la velocidad de giro del motor.
V. TIPOS DE ROTOR
Existen varios tipos de estos elementos, pero aquí solamente
vamos a tratar los que son más usados en la industria; es decir,
los rotores para motores asíncronos de corriente alterna.
A. Rotor de jaula de ardilla simple.
En el dibujo se puede observar unos círculos negros, éstos
representan las ranuras del rotor donde va introducido el
bobinado. Existen varios tipos de ranuras, de ahí que existan
varios tipos de rotores.

5. 5
Figure 12. Jaula de ardilla simple
Este tipo de rotor es el usado para motores pequeños, en
cuyo arranque la intensidad nominal supera 6 ó 8 veces a la
intensidad nominal del motor. Soporta mal los picos de cargas.
Esta siendo sustituido por los rotores de jaula de ardilla doble
en motores de potencia media. Su par de arranque no supera
el 140 % del normal.
B. Rotor de jaula de ardilla doble.
En este otro dibujo, observáis que la ranura es doble, por
este motivo tiene el nombre de jaula de ardilla doble. Las dos
ranuras están separadas físicamente, aunque en el dibujo no
se observe.
Figure 13. Jaula de ardilla doble
Este tipo de rotor tiene una intensidad de arranque de 3 ó
5 veces la intensidad nominal, y su par de arranque puede ser
de 230 % la normal. Éstas características hacen que este tipo
de rotor sea muy interesante frente al rotor de jaula de ardilla
simple. Es el más empleado en la actualidad, soporta bien las
sobrecargas sin necesidad de disminuir la velocidad, lo cual
le otorga mejor estabilidad.
C. Rotor con ranura profunda.
El tipo de rotor que se ve en el dibujo es una variante del
rotor de jaula de ardilla simple, pero se le denomina rotor de
ranura profunda.
Figure 14.
Sus características vienen a ser iguales a la del rotor de jaula
simple. Es usado para motores de baja potencia que necesitan
realizan continuos arranques y paradas.
D. Rotor de Devanados
El rotor devanado o bobinado, como su nombre lo indica,
lleva unas bobinas que se conectan a unos anillos deslizantes
colocados en el eje; por medio de unas escobillas se conecta
el rotor a unas resistencias que se pueden variar hasta poner
el rotor en corto circuito al igual que el eje de jaula de ardilla.
Figure 15. Esquema del rotor
Conectando unas resistencias externas a las escobillas se
consigue aumentar la resistencia rotórica, de esta forma, se
logra variar el par de arranque, que puede ser, dependiendo
de dichas resistencias externas, del 150 % y el 250 % del
par normal. La intensidad nominal no supera las 2 veces la
intensidad nominal del motor.
VI. CONTROLADORES DE FRECUENCIA
A. Variadores de velocidad
Los controladores de frecuencia variable son dispositivos
complejos y hasta hace poco eran costosos. Sin embargo,
trabajan con motores estándar lo cual permiten su fácil adición
a unidades motrices existentes. Varios tipos de ventiladores
(enfriadores de aire, torres de enfriamiento, ventilación y aire
acondicionado, etc.) operan a velocidad variable mediante sis-
temas de variación de velocidad. Los sistemas de variación de
velocidad alteran la velocidad del motor cambiando el voltaje y

6. 6
la frecuencia de la electricidad suministrada al motor en base
a los requerimientos del sistema. Esto se logra convirtiendo
corriente alterna en continua, y luego de múltiples mecanismos
de cambio, invirtiendo la corriente continua a corriente alterna
sintética con voltaje y frecuencia controlados. Si este proceso
es realizado en forma apropiada, la velocidad del motor puede
ser controlada en un rango amplio (desde cero RPM hasta el
doble de la velocidad nominal) con las características de torque
apropiadas para la aplicación. Para mantener un factor de
potencia apropiado y reducir calentamiento excesivo del motor,
debe mantenerse el ratio de voltaje/frecuencia original. Esta
es la función principal del variador de velocidad. Los cuatro
componentes principales que hacen posible la operación de
los variadores de velocidad son: convertidor, inversor, circuito
de corriente continua (que sirve de enlace entre ambos), y la
unidad de control, tal como se muestra en la siguiente Figura.
Figure 16. Sistema avariador de frecuencia
El convertidor contiene un recticador y varios circuitos que
convierten la frecuencia ja de corriente alterna en continua.
El inversor convierte la corriente continua en corriente alterna
de voltaje y frecuencia regulables (ambos deben ser regulables
para poder mantener ratios de voltaje/frecuencia constante).
Los circuitos de corriente continua ltran la corriente y la
conducen al inversor. La unidad de control regula el voltaje y la
frecuencia de salida en base a la señal proveniente del proceso
(ej. sensor de presión). Los tipos principales de inversor son
inversores de voltaje, inversores de corriente e inversores de
modulación de pulsos.
B. Recticador controlado motor de corriente continua
Proporciona, a partir de una red de corriente alterna
monofásica o trifásica, una corriente continua con control del
valor medio de la tensión.
Los semiconductores de potencia constituyen un puente de
Graëtz, monofásico o trifásico (gura 17). El puente puede
ser mixto (diodos/tiristores) o completo (sólo tiristores). Esta
última solución es la más frecuente porque permite un mejor
factor de forma de la corriente suministrada.
El motor de corriente continua más utilizado tiene la ex-
citación separada, salvo para pequeñas potencias, en las que
suelen usarse frecuentemente motores de imán permanente.
La utilización de este tipo de variadores de velocidad se
adapta bien a todas las aplicaciones. Los únicos límites vienen
impuestos por el propio motor de corriente continua, en
especial por la dicultad de conseguir velocidades elevadas y
la necesidad de mantenimiento (sustitución de las escobillas).
Figure 17. Esquema de un recticador controlado para motor de C.C
Los motores de corriente continua y sus variadores asoci-
ados han sido las primeras soluciones industriales. Después
de más de una década, su uso va en constante disminución
en benecio de los convertidores de frecuencia. En efecto, el
motor asíncrono es a la vez más robusto y más económico que
un motor de corriente continua. Contrariamente a los motores
de corriente continua, los asíncronos se han estandarizado con
envolvente IP55, siendo por tanto prácticamente insensibles al
entorno (goteo, polvo y ambientes peligrosos)
C. Convertidor de frecuencia para motor asíncrono
Suministra, a partir de una red de corriente alterna de
frecuencia ja, una tensión alterna trifásica, de valor ecaz y
frecuencia variables (gura 18). La alimentación del variador
puede ser monofásica para pequeñas potencias (orden de
magnitud de algunos kW) y trifásica para los mayores. Cier-
tos variadores de pequeña potencia aceptan indistintamente
tensiones de alimentaciones mono y trifásicas. La tensión
de salida del variador es siempre trifásica. De hecho, los
motores asíncronos monofásicos no son adecuados para ser
alimentados mediante convertidores de frecuencia.
Figure 18. Esquema de principio de un convertidor de frecuencia
Los convertidores de frecuencia alimentan los motores
de jaula estándar con todas las ventajas de estos motores:
estandarización, bajo coste, robustez, estanqueidad, ningún
mantenimiento. Puesto que estos motores son auto-ventilados,
el único límite para su empleo es el funcionamiento a baja
velocidad porque se reduce esta ventilación. Si se requiere
este funcionamiento hay que prever un motor especial con
una ventilación forzada independiente.

7. 7
D. Regulador de tensión para el arranque de motores asín-
cronos
Suministra, a partir de una red de corriente alterna, una
corriente alterna de frecuencia ja igual a la de la red,
mediante el control del valor ecaz de la tensión, modicando
el ángulo de retardo de disparo de los semiconductores de
potencia (dos tiristores montados en antiparalelo en cada fase
del motor) (gura 19).
Figure 19. Arrancador para motor asincrono y forma de onda de la corriente
de alimentacion
VII. CONCLUSIONES
Gracias a este trabajo aprendimos mas sobre el fun-
cionamiento de los motores de inducción, aspectos como
sus características, sus tipos, fueron estudiados para la com-
prension de esta màquina. Ademàs se pudo aprender que la
diferencia entre el motor a inducción y el motor síncrono
es que en el motor a inducción el rotor no es un imán
permanente sino que es un electroimán , consta de barras
de conducción en todo su largo, incrustadas en ranuras a
distancias uniformes alrededor de la periferia, Estas barras
están internamente conectadas con anillos a cada extremidad
del rotor.
Este ensamblado tiene un gran parecido a las pequeñas
jaulas rotativas para ejercer a mascotas como hamsters o las
ardillas y por eso a veces se llama "jaula de ardillas".
Hablando magnèticamente cada par de barras es una revolu-
ción en cortocircuito. El rotor se magnetiza por las corrientes
inducidas en sus barras, debido a la acción del campo mag-
nético, girando en el estator. Mientras que el campo del estator
pasa a lo largo de las barras del rotor, el campo magnético
que cambia induce altas corrientes en ellas y genera su propio
campo magnético. La polaridad del campo magnético inducido
del rotor es tal que repela al campo del esta torque lo creó, y
esta repulsión resulta en un torque sobre el rotor que le causa
de girar.
Por ultimo se puede decir que un motor de inducción tiene
físicamente el mismo estator que una máquina sincrónica, pero
la construcción del rotor es diferente. Hay dos tipos diferentes
de rotores que pueden disponerse dentro del estator del motor
de inducción. Uno de ellos se llama rotor de jaula de ardilla
o simplemente rotor de jaula, mientras que el otro es llamado
rotor devanado.
VIII. BIBLIOGRAFÌA
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spanish/motoresainduccin.htm
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McGraw-Hill. México D.F.
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Máquinas Eléctrica, A. E. Fitzgerald, Quinta Edición