Disipación de calor del motor
Calcule la disipación de calor del motor, el aumento de temperatura y la temperatura de funcionamiento a partir de la potencia de entrada y la eficiencia.
Fórmula
P_loss = P_in × (1−η), ΔT = P_loss × Rθ
Cómo Funciona
La disipación de calor del motor es la potencia térmica que se debe eliminar para evitar que se rompa el aislamiento del bobinado. Las pérdidas totales son iguales a la potencia de entrada menos la potencia de salida mecánica: P_loss = P_in − P_out = P_in × (1 − 424). El componente de pérdida dominante es la pérdida de cobre (P_Cu = I² × R_winding), que aumenta con el cuadrado de la corriente y, por lo tanto, con el cuadrado del par de carga. La resistencia térmica del motor (R_θ, en °C/W) determina el aumento de temperatura en estado estacionario: ΔT = P_loss × R_θ. La clase de aislamiento limita la temperatura máxima del bobinado (clase B: 130 °C, clase F: 155 °C, clase H: 180 °C).
Ejemplo Resuelto
Un motor de corriente continua con escobillas de 24 V y 100 W funciona con una eficiencia del 80% bajo carga continua. La resistencia térmica (del bobinado a la temperatura ambiente) es de 1,8 °C/W. La temperatura ambiente es de 35 °C. Aislamiento de clase F. Paso 1 — Potencia de entrada: P_in = P_out/424 = 100/ 0.80 = 125 W Paso 2 — Calor disipado: P_loss = P_in − P_out = 125 − 100 = 25 W Paso 3 — Aumento de la temperatura del bobinado en estado estacionario: ΔT = P_loss × R_θ = 25 × 1.8 = 45 °C Paso 4 — Temperatura absoluta de bobinado: T_Winding = T_ambient + ΔT = 35 + 45 = 80 °C Paso 5 — Margen hasta el límite de clase F: Margen = 155 − 80 = 75 °C: adecuado para un funcionamiento continuo Resultado: con una eficiencia del 80% y una temperatura ambiente de 35 °C, el motor funciona a 80 °C en la bobina, dentro de los límites de la clase F. Si la eficiencia se reduce al 70%, P_loss = 42,9 W y T_winding = 35 + 77 = 112 °C, se mantienen dentro de los límites, pero con un margen de solo 43 °C.
Consejos Prácticos
- ✓Utilice una cámara térmica o un termistor integrado para medir la temperatura en estado estacionario en la configuración de montaje real; los valores de R_θ de la hoja de datos suponen la convección al aire libre
- ✓Para aplicaciones de servo y posicionamiento con arranques y paradas frecuentes, modele la constante de tiempo térmica (= R_θ × C_thermal) para garantizar que el motor se enfríe entre ráfagas
- ✓Rebaje la corriente continua máxima entre un 3 y un 5% por grado Celsius de temperatura ambiente superior a 25 °C cuando se opera en entornos de alta temperatura
Errores Comunes
- ✗Suponiendo que la temperatura del cuerpo del motor sea igual a la temperatura de la bobina, el punto caliente de la bobina puede ser entre 30 y 60 °C más alto que la temperatura de la caja medida
- ✗Hacer funcionar un motor parado (velocidad cero) durante más de unos segundos, sin girar el eje, el flujo de aire de refrigeración se detiene y la resistencia térmica aumenta bruscamente, lo que provoca una rápida acumulación de calor
- ✗Ignorar el ciclo de trabajo: un motor puede tolerar el 150% de la corriente nominal durante 10 s de forma intermitente, aunque se sobrecaliente a ese nivel de forma continua
Preguntas Frecuentes
¿Cómo puedo encontrar la resistencia térmica de un motor?
Algunas hojas de datos de motores muestran R_θ (bobinado a temperatura ambiente o bobinado a caja). Si no está disponible, mídalo experimentalmente: haga funcionar el motor con una disipación de potencia conocida hasta el equilibrio térmico, luego mida la temperatura de la bobina (mediante un cambio de resistencia o un termistor incorporado) y divida ΔT por P_loss.
¿Qué clase de aislamiento debo elegir?
Seleccione una clase de aislamiento con un margen de al menos 20 a 30 °C por encima de la temperatura de bobinado calculada en el peor de los casos. La clase F (155 °C) es estándar para los motores industriales. La clase H (180 °C) se utiliza en aplicaciones de alta temperatura ambiente o de ciclo de trabajo elevado. El aislamiento de clase superior suele costar más y puede afectar al tamaño del motor.
¿La frecuencia de conmutación PWM afecta al calentamiento del motor?
Sí, la alta frecuencia PWM reduce la ondulación de la corriente y las pérdidas de cobre I²R. Sin embargo, las pérdidas por corrientes parásitas y por histéresis en las laminaciones del estator aumentan con la frecuencia. En el caso de los motores de corriente continua con escobillas, las frecuencias superiores a 20 kHz son generalmente óptimas. En el caso de los motores BLDC, la frecuencia de conmutación óptima depende del material de laminación y del grosor específicos.
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