Mecánica y transporte4 min de lectura
Frenos electromagnéticos: par regulable con una bobina y hierro
Con una bobina, un circuito de hierro y un rotor se puede ofrecer a un eje una resistencia que se ajusta con una simple corriente. Hay tres formas de hacerlo y cada una se comporta de manera distinta con la velocidad.
El principio común
Los tres frenos de este artículo comparten estructura: una bobina fija crea un campo magnético que recorre un circuito de material ferromagnético y atraviesa un pequeño hueco, el entrehierro, entre una parte fija y otra que gira con el eje. En todos, la corriente de la bobina fija el par y la potencia de frenado se convierte en calor. Lo que cambia es lo que ocurre en el entrehierro y, con ello, cómo depende el par de la velocidad.
Partículas magnéticas
El entrehierro está relleno de un polvo ferromagnético muy fino. Sin corriente, el polvo queda suelto y el eje gira casi libre, con un par residual de en torno al 1 o 2 % del nominal. Al excitar la bobina, las partículas se alinean con el campo y forman cadenas entre rotor y estátor; para girar hay que cizallarlas. El par crece de forma casi lineal con la corriente y es prácticamente independiente de la velocidad, incluso con el eje parado, así que puede sostener un par sin movimiento.
Si en lugar de estátor hay dos rotores, uno de entrada y otro de salida, se obtiene un embrague de partículas, que transmite un par ajustable aunque los ejes giren a distinta velocidad. Dan mucho par en poco volumen; a cambio, el polvo se degrada con el uso y la velocidad máxima suele quedarse en unos pocos miles de rpm.
Histéresis
Aquí el entrehierro está vacío. El rotor es un disco o una copa de una aleación magnética semidura que gira entre los polos del estátor. Cada zona del rotor se imanta y se desimanta una y otra vez, y en cada ciclo pierde una energía fija, la del ciclo de histéresis del material. Como esa energía no depende de lo rápido que se recorra el ciclo, el par es constante desde velocidad cero. A alta velocidad aparecen corrientes inducidas que suman algo de par, de un 2 a un 8 % por cada 1.000 rpm según el tamaño. Sin contacto ni polvo, solo se desgastan los rodamientos: es la opción más suave y repetible, con menos par por volumen.
Corrientes de Foucault
Si el rotor es un disco conductor, al girar dentro del campo se inducen en él corrientes, llamadas de Foucault o parásitas (eddy currents), que se oponen al movimiento. El par es nulo con el eje parado, crece con la velocidad, llega a un máximo y después se estabiliza o baja. No sirve para retener, pero absorbe mucha potencia de forma continua y sin desgaste: es la base de los retardadores de camiones y autobuses y de muchos dinamómetros para ensayar motores.
| Partículas | Histéresis | Foucault | |
|---|---|---|---|
| Par con el eje parado | Sí | Sí | No |
| Efecto de la velocidad | Casi nulo | Casi nulo, sube algo a alta velocidad | Fuerte |
| Desgaste | Polvo, a largo plazo | Solo rodamientos | Solo rodamientos |
| Punto fuerte | Par por volumen | Suavidad y repetibilidad | Potencia a alta velocidad |
La corriente manda, no la tensión
La resistencia del cobre aumenta alrededor de un 0,4 % por grado: una bobina que pasa de 20 a 100 °C tiene un 30 % más de resistencia y, alimentada a tensión fija, perdería un 30 % de corriente y de par. Por eso se alimentan con una fuente de corriente regulada, normalmente un regulador PWM que mide la corriente y la corrige.
Hay dos matices. La inductancia de la bobina retrasa la respuesta, con constantes de tiempo de decenas a cientos de milisegundos según el tamaño, que se acortan con una sobretensión breve en cada cambio de consigna. Y el material magnético tiene algo de histéresis: el par al subir la corriente no coincide exactamente con el par al bajarla. Si la precisión importa, se cierra el lazo con un sensor de par o de tensión del material.
El calor dimensiona el freno
Toda la potencia de frenado acaba en calor: P (W) = par (N·m) × velocidad (rpm) / 9,55. Un freno que sostiene 20 N·m a 150 rpm disipa unos 314 W de forma continua, y ese dato, más que el par, decide el tamaño. Los fabricantes indican una potencia de deslizamiento continua, que se amplía con aletas, ventilación forzada, aire comprimido o agua. Si se supera, se degradan el polvo, el aislamiento de la bobina o el rotor; conviene vigilar la temperatura, por ejemplo con un termopar.
Aplicaciones
- Tensión en bobinado: un freno de partículas en la desbobinadora mantiene tenso el papel, el film, el cable o la fibra; como el par debe ser tensión × radio, la corriente baja a medida que la bobina se vacía.
- Bancos de ensayo de motores: el freno aplica una carga conocida mientras se miden par y velocidad; histéresis para motores pequeños, Foucault para potencias altas. Si interesa recuperar la energía, se usa otro motor con su variador de frecuencia.
- Resistencia regulable para un mecanismo: ensayos de vida de bisagras, cierres y actuadores que deben trabajar contra una carga conocida, o equipos de rehabilitación.