¿Qué escenarios especiales requieren motores para aplicaciones especiales?

Los entornos explosivos y peligrosos requieren motores especiales a prueba de explosiones

Principio: Seguridad intrínseca y estándares de encapsulamiento (ATEX, IECEx, NEC Clase I/II)

Cuando los motores funcionan en áreas donde existen gases inflamables, vapores o polvo combustible, necesitan una protección especial contra chispas que podrían iniciar incendios. La idea básica es sencilla pero fundamental: mantener toda la energía eléctrica y térmica muy por debajo del nivel que podría causar una explosión, y asegurarse de que cualquier chispa potencial permanezca contenida dentro de recintos especialmente diseñados. En todo el mundo, organizaciones como ATEX (que significa ATmósferas EXplosivas), IECEx y los sistemas Clase I y II del NEC establecen exactamente qué tipo de medidas de seguridad son necesarias según los riesgos específicos presentes. La Clase I trata principalmente con esos molestos gases inflamables que mencionamos anteriormente, mientras que la Clase II se centra en situaciones que implican partículas de polvo combustible. Estos recintos de protección tampoco están simplemente ahí para verse bien. Se someten a pruebas intensas para soportar explosiones internas a presiones hasta 1,5 veces superiores a los niveles normales antes de liberar de forma segura los gases enfriados al exterior. Y no olvidemos las consecuencias de cometer errores. Los motores que no cumplen con estas normas crean peligros graves. De hecho, instalaciones defectuosas fueron responsables de aproximadamente el 37 por ciento de todas las explosiones en refinerías el año pasado, según datos de Safety Journal 2022.

Estudio de caso: Cintas transportadoras en refinería de petróleo que utilizan motores de inducción a prueba de llamas (Ex d) con clasificaciones IP66/IP68

Una refinería de petróleo en la costa del Golfo recientemente sustituyó motores convencionales por modelos de inducción a prueba de llamas (Ex d) en su sistema de cintas transportadoras de crudo. Las carcasas pesadas de hierro fundido mantienen confinadas las peligrosas chispas eléctricas en el interior, y cuentan con clasificaciones IP66 e IP68, lo que básicamente significa que ni el polvo ni el agua pueden penetrar, incluso cuando las condiciones son adversas en la zona costera. Desde que se realizó este cambio, no ha habido problemas de incendios ni explosiones en los motores, a pesar de que en ocasiones la temperatura alcanza unos 140 grados Fahrenheit. Lo realmente importante es que estos nuevos motores no generan chispas gracias a su diseño sin escobillas. Esto es sumamente importante en áreas clasificadas como Clase I División 1, donde los gases explosivos están presentes más del 15 % del tiempo que los trabajadores están en el lugar.

Tendencia: Integración de sensores inteligentes en recintos de motores peligrosos para el monitoreo en tiempo real de temperatura y fugas de gas

Los motores a prueba de explosiones actualmente vienen con sensores IoT integrados dentro de sus carcasas para monitorear en tiempo real la temperatura y los niveles de gases. Estos sensores detectan cuando los rodamientos superan los 150 grados Celsius o cuando el sulfuro de hidrógeno alcanza tan solo 10 partes por millón. Enviar toda esta información a través de circuitos especiales diseñados para funcionar de forma segura en áreas peligrosas, directamente a paneles de control que pueden detener automáticamente los sistemas si es necesario. Una gran instalación química registró una reducción bastante impresionante en paradas inesperadas tras instalar estos sensores el año pasado: aproximadamente un 43 por ciento menos de tiempo de inactividad en general. De cara al futuro, los fabricantes están trabajando en formas de analizar las vibraciones de los motores para detectar posibles problemas en sellos antes de que ocurran, especialmente importante en lugares donde los productos químicos deterioran los equipos o donde las condiciones son particularmente severas para la maquinaria. Este tipo de avance ayuda a mantener a los trabajadores más seguros, al mismo tiempo que garantiza que la producción continúe funcionando sin interrupciones.

El control de precisión exige motores de aplicación especial con precisión submicrónica

Desafíos: juego, resonancia y errores de cuantización en sistemas de lazo abierto frente a lazo cerrado

Llegar a niveles de precisión submicrónicos realmente muestra lo defectuosos que son los sistemas de movimiento tradicionales. Cuando las máquinas cambian de dirección, el juego mecánico hace que se desvíen de la trayectoria prevista. En ciertas frecuencias, la resonancia empeora y amplifica las vibraciones en lugar de reducirlas, lo que altera la trayectoria real que sigue la máquina. Los dispositivos de retroalimentación también tienen sus propios problemas: generan movimientos tipo escalón en lugar del movimiento suave que necesitamos para trabajos finos. Los sistemas de bucle abierto simplemente acumulan errores porque no hay forma de corregirlos, mientras que los de bucle cerrado tienen dificultades para mantenerse estables cuando intentan corregir demasiado los errores. Todo esto es muy importante en la fabricación de semiconductores, donde las tolerancias deben estar dentro de ±0,1 micrones. Una empresa del sector vio caer su producción un 37 % el año pasado porque los obleas se alineaban mal debido a esas molestas resonancias que nadie esperaba.

Solución: Stepper híbrido + codificador + control orientado al campo (FOC) para el manejo de obleas de semiconductores

Los motores de aplicaciones especiales abordan estos problemas combinando varias tecnologías juntas - piensen en motores híbridos paso a paso, esos codificadores de alta resolución y algo llamado control orientado al campo o FOC para abreviar. Los paso híbridos tienen un gran golpe cuando se trata de par, que es básicamente la cantidad de fuerza de giro que pueden generar. ¿Y estos codificadores? Bueno, tienen este impresionante recuento de 512 mil puntos, lo que les permite medir posiciones tan finas como 0,045 micrómetros. Lo que hace que todo esto funcione tan bien es la forma en que FOC ajusta constantemente los campos magnéticos dentro del motor. Esto ayuda a eliminar las molestas vibraciones y mantiene todo en movimiento sin problemas sin que se detengan o arranquen. Cuando todos estos componentes se unen, lo que obtenemos es...

• Eliminación de las reacciones adversas con un valor de las partidas de la caja de transmisión de la partida 8421
• Repetibilidad en el submicrón con verificación en tiempo real de la posición
• Amortiguación adaptativa que neutraliza las vibraciones en menos de 2 ms

En robots para manipulación de obleas semiconductoras, el sistema mantiene una precisión de ±0,08 µm durante transferencias a alta velocidad. La eliminación de cajas de engranajes reduce las tasas de fallo mecánico en un 63 % en comparación con los sistemas servo tradicionales. La compensación térmica integrada garantiza además estabilidad a largo plazo en ciclos de producción variables.

Condiciones ambientales extremas impulsan la ingeniería personalizada en motores para aplicaciones especiales

Desafíos térmicos y de materiales: estabilidad de imanes desde −40 °C hasta +150 °C y aleaciones resistentes a la corrosión

Los motores requieren una ingeniería especial cuando operan en condiciones adversas donde los extremos de temperatura y la presencia de productos químicos son problemas comunes. Los imanes permanentes convencionales comienzan a perder fuerza alrededor de los 150 grados Celsius, reduciendo aproximadamente un 15 % en densidad de flujo. Además, se vuelven frágiles cuando las temperaturas descienden por debajo de los menos 20 grados, según informó el Journal of Magnetism el año pasado. Por eso, los motores de alto rendimiento suelen incorporar imanes de samario-cobalto o versiones especiales de neodimio tratadas que resisten mejor estas condiciones. Para abordar problemas de corrosión, el equipo utilizado en perforaciones offshore normalmente cuenta con carcasa de acero inoxidable, a veces reforzada con piezas de aluminio marino y sellos de níquel-cobre contra daños por azufre. Considere sitios geotérmicos donde los niveles de acidez pueden caer por debajo de pH 3,0. Allí, los devanados con recubrimiento cerámico se han convertido en estándar porque no solo resisten ácidos, sino que también conducen bien el calor, asegurando que estos motores sigan funcionando incluso cuando están expuestos día tras día a entornos químicos agresivos.

Compromiso: SinRMs de alta eficiencia y el cambio del enfriamiento por aire al sumergido sellado en aceite

Los SynRM pueden alcanzar una eficiencia de alrededor del 98 % incluso cuando las temperaturas son muy altas, aunque tienden a generar tanto calor concentrado que el enfriamiento por aire convencional ya no es suficiente. Por eso, muchos operadores han comenzado a cambiar a sistemas sellados de inmersión en aceite. Estos sistemas permiten que fluidos dieléctricos especiales circulen por las cavidades del motor a unos 5 litros por minuto, lo que aumenta la capacidad de gestión térmica aproximadamente tres veces más que lo que puede lograr el aire forzado. Pero también hay desventajas. La operación en climas fríos requiere aceites sintéticos que permanezcan líquidos hasta -40 grados Celsius; de lo contrario, todo se vuelve demasiado viscoso para funcionar correctamente. El contacto con el fluido también genera una resistencia adicional en el rotor, reduciendo la salida de par entre un 8 y un 12 por ciento. Además, esas cámaras de rodamientos selladas implican rutinas de mantenimiento más complejas. Afortunadamente, los avances en dinámica computacional de fluidos están ayudando a los ingenieros a diseñar deflectores internos mejores. Esto permite que maquinaria pesada utilizada en operaciones mineras en desiertos siga funcionando sin interrupciones incluso cuando las temperaturas ambiente alcanzan los 60 grados Celsius, sin necesidad de reducir la potencia.

Aplicaciones de Alto Par y Baja Velocidad Prefieren Motores de Aplicación Especial de Accionamiento Directo

Ventaja: Eliminación de la Caja de Engranajes en Extrusoras y Control de Paso de Turbinas Eólicas para Mejorar la Confiabilidad

Los motores de accionamiento directo para aplicaciones especiales eliminan esos engranajes mecánicos cuando se trabaja con alto par a bajas velocidades, lo que hace que todo el sistema sea mucho más confiable. Eliminar engranajes y acoplamientos que a menudo se rompen reduce el tiempo de mantenimiento en sistemas como los de extrusión. Las turbinas eólicas también necesitan este tipo de configuración. Los sistemas de control de paso se benefician de las unidades de accionamiento directo porque proporcionan un par sólido sin todas esas piezas adicionales entre el motor y la carga. Esto funciona muy bien incluso cuando las condiciones son difíciles allá afuera en el campo. Con menos partes móviles en general, se desperdicia menos energía en el proceso, se obtienen mejores niveles de eficiencia y se alarga el tiempo entre mantenimientos. Para cualquier persona que necesite una entrega constante de potencia a bajas velocidades, la tecnología de accionamiento directo se ha convertido prácticamente en estándar ahora en muchas industrias.