Guía de diseño de motores de molienda PMSM

Diseñando un Motor síncrono de imanes permanentes (PMSM) por un aplicación de molienda (como un amoladora angular, amoladora de banco o rectificadora industrial) requiere una cuidadosa consideración de la potencia, el par, la velocidad, la refrigeración y el control. A continuación se muestra un enfoque estructurado para el diseño de PMSM para motores de molienda.

1. Requisitos clave para un PMSM de molienda

A. Especificaciones de rendimiento

Parámetro	Gama típica para motores de rectificado
poder	500W – 3000W (0,67 – 4 CV)
Velocidad	8.000 – 12.000 RPM (rectificado de alta velocidad)
par	0,5 – 5 Nm (depende del tamaño y material del disco)
voltaje	120 V/240 V CA (con cable) o 18 V-80 V CC (inalámbrico)
Eficiencia	>90% (ventaja PMSM)
Enfriamiento	Refrigeración forzada por aire/líquido (para uso industrial)

B. Consideraciones mecánicas

Alta velocidad de rotación → Requiere un diseño de rotor equilibrado para evitar vibraciones.

Resistencia al polvo y los escombros → Rodamientos sellados, IP54 o superior.

Gestión Térmica → Imanes de alta temperatura (p. ej., NdFeB con clasificación de 150 °C+).

2. Pasos de diseño PMSM para motor de molienda

A. Diseño electromagnético

(i) Diseño del estator

• Combinación de ranura y poste:

♦ Común: 12 ranuras/10 polos o 9 ranuras/6 polos (para un par suave y un engranaje reducido).

♦ Los motores de alta velocidad se benefician de los devanados concentrados de ranura fraccionaria (menor inductancia).

• Material de laminación:

♦ Acero al silicio (M19, M27) para reducir las pérdidas en el núcleo.

• Tipo de bobinado:

♦ Distribuido (para back-EMF sinusoidal) o concentrado (más fácil fabricación).

(ii) Diseño del rotor

• Tipo de imán:

♦ NdFeB (Neodimio) para alta densidad energética.

♦ Ferrita (más barata pero más débil, utilizada en trituradoras de bajo costo).

• Disposición del imán:

♦ PM de superficie (SPM) → Fabricación más sencilla.

♦ Interior PM (IPM) → Mejor robustez mecánica a altas velocidades.

• Manga de retención (por motores PMSM de alta velocidad):

♦ Fibra de carbono o acero inoxidable para evitar el desprendimiento del imán.

(iii) Optimización del espacio de aire

• Espacio de aire pequeño (~0,5 mm) → Mayor densidad de torque pero tolerancias de fabricación más estrictas.

B. Diseño térmico y mecánico

(i) Sistema de enfriamiento

• Enfriamiento por aire forzado (montado en ventilador) → Común en amoladoras angulares.

• Refrigeración Líquida (Molinillos industriales funcionando en continuo).

• Disipador de calor en el estator → Carcasa de aluminio para disipación de calor.

(ii) Selección de rodamientos

• Rodamientos híbridos cerámicos → Mayor vida útil en ambientes polvorientos.

• Cojinetes blindados/sellados → Evitan la entrada de polvo abrasivo.

(iii) Control de vibración y ruido

• Equilibrio dinámico del rotor para minimizar las vibraciones a altas RPM.

• Gabinete amortiguado (para reducción de ruido).

C. Control de motores y electrónica de accionamiento

(i) Estrategia de control

• Control orientado al campo (FOC) → Óptimo para torque y eficiencia.

• Control sin sensores (estimación Back-EMF) → Reduce costos (sin codificador).

• Control basado en codificador (para una regulación de velocidad ultraprecisa).

(ii) Requisitos del inversor

• Inversor trifásico basado en MOSFET/IGBT (por ejemplo, 600 V/30 A para motor de 1 kW).

• Protección contra sobrecorriente y sobretemperatura → Crítico para aplicaciones de rectificado.

(iii) Fuente de alimentación

• Con cable: AC-DC-AC (inversor PWM).

• Inalámbrico: Paquete de baterías de alto voltaje (por ejemplo, iones de litio de 40 V-80 V).

3. Ejemplo de especificaciones PMSM para una amoladora angular de 1,5 kW

Parámetro	Valor
poder	1,5 kilovatios (2 caballos de fuerza)
Velocidad	10.000 rpm
voltaje	220 V CA (o 72 V CC para inalámbrico)
par	1,43 Nm
Estator	Bobinado distribuido de 12 ranuras
Rotor	PM de superficie de 10 polos (NdFeB)
Enfriamiento	Enfriado por ventilador
controlar	FOC sin sensores
Eficiencia	94%

4. Ventajas del PMSM sobre otros motores en rectificado

Característica	PMSM	Motor de inducción	Motor universal (cepillado)	BLDC
Eficiencia	★★★★★	★★★☆	★★☆☆	★★★★☆
Control de velocidad	★★★★★	★★★☆	★★★☆	★★★★☆
Densidad de par	★★★★★	★★★☆	★★★★	★★★★
Mantenimiento	★★★★★	★★★★☆	★★☆☆	★★★★☆
Costo	★★★☆☆	★★★★☆	★★★★	★★★☆

¿Por qué gana PMSM?

✔ Mayor eficiencia → Menos calor, mayor tiempo de funcionamiento (crucial para amoladoras inalámbricas).
✔ Mejor regulación de la velocidad → Rendimiento de rectificado constante bajo carga.
✔ Más compacto → Más ligero, mejor para herramientas portátiles.

5. Desafíos y soluciones

Desafío	Solución
Esfuerzo del rotor de alta velocidad	Utilice una funda de fibra de carbono para la retención del imán.
Sobrecalentamiento en uso continuo	Refrigeración líquida o gestión térmica avanzada.
Entrada de polvo	Diseño sellado IP54+, rodamientos blindados.
Alto costo inicial	Optimice el uso del imán (matriz Halbach para un mejor flujo).

6. Motores de amoladora industriales versus motores de bricolaje

Parámetro	Molinillo industrial	Molinillo de bricolaje/hogar
poder	2-5 kilovatios	500 W–1,5 kW
Enfriamiento	Aire líquido/forzado	Enfriado por ventilador
controlar	Codificador+FO	FOC sin sensores
Durabilidad	Más de 10.000 horas	1000 a 5000 horas

Recomendaciones finales

► Para trituradoras industriales de alto rendimiento → PMSM con FOC y refrigeración líquida.

► Para amoladoras angulares inalámbricas → PMSM + batería de iones de litio de 72 V.

► Para aplicaciones sensibles al costo → BLDC (si el PMSM es demasiado caro).

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