Motor PMSM para bomba de aguas residuales

Diseñando un Motor síncrono de imanes permanentes (PMSM) para una bomba de aguas residuales requiere un enfoque en alto par, confiabilidad, resistencia a la corrosión y eficiencia energética. A continuación se muestra un enfoque estructurado para el diseño de PMSM para esta aplicación.

1. Requisitos clave para una bomba de aguas residuales PMSM

A. Especificaciones de rendimiento

Parámetro	Rango típico para bombas de aguas residuales
poder	0,5 kW – 50 kW (sumergible)
Velocidad	1000 – 3600 RPM (bombas centrífugas)
par	5 – 200 Nm (depende del tamaño de la bomba)
voltaje	380 VCA (industrial) / 48 VCC (respaldo de batería)
Eficiencia	>92% (ventaja PMSM)
Protección	IP68 (sumergible) / IP55 (superficie)
Enfriamiento	Refrigerado por agua (sumergido) / Refrigerado por ventilador (superficial)

B. Consideraciones ambientales y mecánicas

Resistencia a la corrosión → Carcasa de acero inoxidable, devanados recubiertos de epoxi.

Sellado → Sellado hermético para bombas sumergibles.

Manejo de sólidos → Cojinetes robustos (cerámica o carburo de tungsteno).

Gestión Térmica → Imanes de alta temperatura (SmCo o NdFeB de alta calidad).

2. Pasos de diseño PMSM para bombas de aguas residuales

A. Diseño electromagnético

(i) Diseño del estator

• Combinación de ranura y poste:

♦ 12 ranuras/10 polos (bajo engranaje, par suave).

♦ 18 ranuras/16 polos (mayor densidad de par).

• Material de laminación:

♦ Acero al silicio M19/M27 (bajas pérdidas de hierro).

• Tipo de bobinado:

♦ Devanados distribuidos (mejor back-EMF sinusoidal).

(ii) Diseño del rotor

• Tipo de imán:

♦ NdFeB (Grado N42EH o superior) para par elevado.

♦ Samario Cobalto (SmCo) si se necesita alta resistencia a la corrosión.

• Disposición del imán:

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

♦ Interior PM (IPM) → Mejor robustez mecánica.

• Rotor Can (para motores sumergibles) → Funda de acero inoxidable para proteger los imanes.

(iii) Optimización del espacio de aire

• 0,8–1,2 mm (equilibrio entre par y capacidad de fabricación).

B. Diseño térmico y mecánico

(i) Sistema de enfriamiento

• Motores Sumergibles:

♦ Refrigerado por agua (el líquido de la bomba enfría el motor).

• Motores instalados en seco:

♦ Enfriado por ventilador (TEFC – Totally Enclosed Fan Cooled).

(ii) Selección de rodamientos

• Rodamientos Cerámicos → Resistentes a partículas abrasivas.

• Sellos Mecánicos Dobles → Previenen el ingreso de agua.

(iii) Protección contra la corrosión

• Carcasa de acero inoxidable (316L) → Para aguas residuales agresivas.

• Devanados del estator recubiertos de epoxi → Previene daños por humedad.

C. Control de motores y electrónica de accionamiento

(i) Estrategia de control

• Control orientado al campo (FOC) → Mejor eficiencia y control de par.

• Control sin codificador (sin sensores) → Reduce el costo (utiliza back-EMF).

• Arranque suave → Previene el golpe de ariete en los sistemas de bombas.

(ii) Requisitos del inversor

• VFD (variador de frecuencia) basado en IGBT → Para control de velocidad.

• Protección contra sobrecarga → Maneja los bloqueos de la bomba.

(iii) Fuente de alimentación

• CA trifásica (380 V/480 V) → motores de bombas industriales fuente de alimentación.

• CC (48V/72V) con respaldo de batería → Para instalaciones remotas.

3. Ejemplo de especificaciones PMSM para una bomba de aguas residuales de 5 kW

Parámetro	Valor
poder	5 kilovatios
Velocidad	2.900 rpm
voltaje	380 VCA
par	16,5 Nm
Estator	Bobinado distribuido de 18 ranuras
Rotor	16 polos, IPM (NdFeB)
Enfriamiento	Refrigerado por agua (sumergible)
controlar	FOC con modo sin codificador
Eficiencia	94%
Protección	IP68

4. Ventajas del PMSM sobre otros motores en bombas de aguas residuales

Característica	PMSM	Motor de inducción	BLDC
Eficiencia	★★★★★	★★★☆	★★★★☆
Densidad de par	★★★★★	★★★☆	★★★★
Mantenimiento	★★★★★	★★★★☆	★★★★☆
Control de velocidad	★★★★★	★★★☆	★★★★☆
Resistencia a la corrosión	★★★★☆	★★★☆	★★★★

¿Por qué gana PMSM?

✔ Mayor eficiencia → Menores costos de energía (crítico para bombas 24 horas al día, 7 días a la semana).
✔ Mejor regulación de velocidad → Previene la cavitación de la bomba.
✔ Compacto y liviano → Cabe en sumideros estrechos.

5. Desafíos y soluciones

Desafío	Solución
Corrosión en aguas residuales	Carcasa de acero inoxidable, revestimiento epoxi.
Partículas abrasivas que dañan los rodamientos.	Rodamientos de cerámica o carburo de tungsteno.
Alto requisito de par de arranque	FOC con debilitamiento del flujo.
Disipación de calor en motores sumergibles.	Refrigeración líquida directa.

6. Motores de bombas de aguas residuales industriales versus municipales

Parámetro	Bomba industrial	Bomba de aguas residuales municipales
poder	5-50 kilovatios	10-200 kilovatios
Velocidad	1.500–3.600 RPM	1.000–1.800 RPM
Protección	IP68	IP68 + antiobstrucción
controlar	VFD + FOC	Integración SCADA avanzada

Recomendaciones finales

⇒ Para bombas sumergibles para aguas residuales → PMSM con IP68, refrigeración por agua y FOC.

⇒ Para bombas de aguas residuales superficiales → TEFC PMSM con revestimiento resistente a la corrosión.

⇒ Para sistemas de respaldo de batería → PMSM 48V/72V con control sin sensores.

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