Motores con inducido de campana (I)

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Aunque Märklin había sacado ya algún modelo (88770)  en el que hablaba, de una forma un poco confusa de un nuevo tipo de motor, ("The model has a new exclusive powerful motor") hasta ahora parecía que se trataba de un caso especial debido la original estructura de esa locomotora doble.

Sin embargo recientemente ha aparecido el catálogo de novedades para 2018 y nos encontramos con una irrupción de modelos en los que se anuncia una nueva generación de motores, dándoles el nombre de "motor con inducido de campana". En inglés "bell-shaped armature motor" y "Glockenankermotor" en alemán. Estas son las que yo he localizado en el citado catálogo:

88544 Locomotora eléctrica BR103
88353 Locomotora eléctrica E 41
88185 Locomotora de vapor Clase C de Wurttembeg
81332 Tren Rheingold con locomotora de vapor BR18
88203 Locomotora diesel V 200
88742 Locomotora de vapor BR 064
88227 Locomotora eléctrica E94

Dado que esas son prácticamente todas las nuevas locomotoras, está claro que Marklin ha tomado la decisión de utilizar este nuevo tipo de motor en todos los modelos que vayan apareciendo. Yo siempre me he  quejado del inmovilismo de Märklin, así que en principio parece un cambio importante y hay que suponer que a mejor. De hecho, un espía me dice que la gente de Märklin presume de que con este motor las locomotoras de escala Z funcionan tan bien como las de H0. Por cierto, que esta frase me deja un poco frío porque las locomotoras de Z ya funcionaban como las de H0, si se las alimentaba con PWM. El problema estaba en los transformadores, no en los motores.

Por lo que parece Marklin ha llegado a un acuerdo para que la empres Maxon le fabrique los motores tanto de H0 como de Z. Maxon es una empresa suiza especializada en pequeños motores utilizados en miles de productos, asi que esto es una garantía.

Pero, ¿qué es un motor con inducido de campana?. Con la ayuda de algunos contertulios del foro "Escala-Z" (Gracias, "cavero"!) parece que he llegado a unas cuantas ideas sobre el tema, aunque debo aclarar que dada la falta de información por parte de Märklin, algunas conclusiones pueden ser inexactas.

Inducido de campana

La imagen de la portada (de la web de Maxon)  presenta un esquema de este tipo de motores. En esencia se trata de un bobinado sin ningún núcleo, de hilos de cobre  por lo que adopta la forma de un cilindro hueco. Es como si enrolláramos el hilo en un lapicero, y luego quitamos el lapicero. Pero el cable no va enrollado formando círculos sino que sigue una dirección más o menos paralela al eje. por lo que ese cilindro se desharía fácilmente, pero realmente el aislamiento que lleva el cable se funde durante la fabricación del motor, de modo que queda un bloque con forma de cilindro hueco de pared relativamente fina en la que quedan embebidos los hilos de cobre. Este elemento es la famosa campana y está representada en rojo en el dibujo de la cabecera. Es el inducido o rotor, o sea la parte que gira en el motor.

En el interior de ese cilindro, tenemos un imán fijo de forma cilíndrica unido a la carcasa del motor por la parte abierta (la derecha en la imagen) Es la parte fija del motor y constituye por tanto el inductor o estator, y se  representa en verde en el dibujo

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El estator está perforado a lo largo de su eje y por ese taladro atraviesa el eje del motor que se sustenta en dos cojinetes en las tapas de la carcasa, Por la parte contraria, (la izquierda en la figura) el inducido acaba en una placa circular donde los extremos de los bobinados se juntan y se conectan a las delgas de un colector con escobillas al estilo clásico.

La carcasa es también de material ferromagnético para conducir el flujo magnético creado por los imanes.

La imagen sobre estas líneas es muy ilustrativa porque muestra el motor a medio desarmar, de manera que vemos el bobinado unido a la placa del colector, y ésta unida al eje, desplazados hacia la izquierda y por el lado derecho quedan la carcasa y el núcleo magnético, unido a la carcasa por la tapa de ese lado.

Vemos que el bobinado gira en el etrehierro que queda entre el imán y la carcasa.

Curiosamente en este tipo de motores es mucho más fácil entender porqué se mueven, que en un motor clásico de bobinados con núcleos de hierro. Como dije los hilos del bobinado van aproximadamente en dirección paralela al eje asi que esto es una aplicación directa de la ley de Loretz. Curiosamente cuando se empiezan a estudiar motores eléctricos, se suele utilizar una imagen como la siguiente:

Como vemos en el dibujo, la corriente circula por una espira que tiene dos ramas paralelas al eje del motor. Sobre estas dos ramas longitudinales es sobre las que aparece la fuerza de la ley de Loretz representada aquí con las flechas verdes. Bueno pues lo que estamos diciendo es que el motor de campana funciona exactamente así, excepto por el hecho de que el imán que genera el campo mágnético, en lugar de ser esas dos grandes piezas roja y azul, es una pieza más pequeña situada en el hueco entre las espiras. Pero el campo magnético es exactamente igual en cuanto a posición y sentido al representado en la figura con las flechas rojas.
El bobinado está compuesto por muchas espiras que van girando y que al situarse en una posición como la del dibujo reciben fuerzas como las F que hacen girar el bobinado.

En otro tipo de motores es difícil llegar a cómo funcionan, pero en este tipo es elemental, ya que coincide con esa sencilla figura, en la que como vemos no hay piezas polares ni nada parecido.

Asi que lo primero qué vemos es que en efecto, aquí hay mucho menos hierro que en un motor clásico, y eso tiene dos consecuencias importantes:

Por un lado se disminuye el peso y el volumen del motor respecto de uno de la misma potencia (o dicho de otra forma podemos hacer un motor más potente con el mismo tamaño)

Por otra parte en un motor clásico, la corriente circula por conductores arrollados alrededor de núcleos de hierro. Esta disposición tiene la característica de presentar una alta inductancia y esto lleva consigo que haya una pérdida de energía debida a la histéresis del hierro, que se traduce en calentamiento. Es lo que se llama en física "pérdidas en el hierro". En este tipo de motores la inductancia es mucho menor asi que las pérdidas son menores, pudiendo obtenerse más potencia sin que el motor se recaliente.

O sea que podemos tener un motor más pequeño y eficiente. Esto ya sería importante, pero hay un factor que para nuestros trenes es mucho más importante, asi que voy a intentar describirlo con detalle. Bueno lo primero que ocurre es que no se como se llama en español. En ingles la palabra es cogging. He estado buscado en internet como traduce la gente esta palabra y me he encontrado con que cuando el que traduce sabe de lo que está hablando, deja la palabra sin traducir, o sea directamente usa cogging. Por el contrario todos los intentos de traducción que he visto resultan rocambolescos.

Una imagen vale mas que mil palabras....

¿Y qué significa cogging?  Imaginemos que tenemos una carretilla de las clásicas de obra, con una única rueda delante y dos mangos detrás para llevarla. y que la hacemos rodar sobre una plancha ondulada como las antiguas uralitas, moviéndola perpendicularmente a las crestas de la chapa, es decir que la rueda va subiendo y bajando según avanza. Cada vez que la rueda sube una cresta, nos exige un esfuerzo extra. Ciertamente una vez que supera la cresta la rueda cae sola,  pero inmediatamente hay que volver a hacer el esfuerzo para superar cada cresta. Y cuando dejamos de empujar la carretilla se queda siempre encajada entre dos crestas, y es casi imposible dejarla con la rueda en la parte alta. Entonces este movimiento en lugar de ser uniforme, exige un mayor esfuerzo y además no permite detenerse en cualquier punto. Exactamente eso quieren decir los ingleses cuando dicen que ese movimiento tiene cogging. Parece ser que deriva de cog que es algo asi como diente de una rueda dentada. Yo no se si hay una palabra en español para referirse a eso, así que de momento lo dejaremos en inglés.

Bueno, pues si nosotros cogemos un motor eléctrico del tipo que usamos en los trenes, y sin conectarlo eléctricamente a nada, ni ponerle nada en el eje, es decir solo y aislado en el mundo, y hacemos girar el eje entre los dedos, notaremos ¡que tiene cogging!. es decir el eje gira, pero presenta momentos en que está mas duro y otros en los que parece que se mueve solo hasta el próximo punto duro. Como el motor está desconectado, no es nada que tenga que ver con la electricidad. De hecho podríamos quitar todo el cobre de los bobinados, y el efecto seguiría igual. Se trata simplemente de la atracción magnética entre los núcleos de hierro de las bobinas del rotor (tengan o no los bobinados de cobre puestos) y los polos del imán del estator. Hay puntos en que las atracciones van a favor del movimiento, y por tanto son puntos "blandos" y puntos en los que la atracción se opone al movimiento y son los puntos "duros". Bueno pues este efecto lo tenemos siempre, tanto si movemos el eje entre los dedos como si el motor está girando cuando funciona. Siempre es un efecto que tiende a frenar el motor, aunque cuando la marcha del motor es un poco rápida es un efecto prácticamente imperceptible.

Peeeero..... Cuando estamos a un régimen muy bajo o pretendemos arrancar lentamente, el efecto es muy significativo. Tanto que cuando decimos eso de que al ir subiendo la tensión lentamente desde cero, inicialmente el motor no gira hasta tanto se alcanza un punto en el que se vence el rozamiento, y el motor arranca es mentira: ¡lo que hay que vencer fundamentalmente es el cogging no el rozamiento! Por eso notamos que los motores de tres polos arrancan peor que los de cinco polos. La diferencia es que los de tres polos tienen menos puntos de cogging pero más potentes mientras que los de cinco polos tienen más puntos pero menos potentes, así que incordian menos.

Bueno, pues lo interesante, es que un motor con inducido de campana ¡no tiene cogging!. Pero nada, o sea cero pelotero. Es evidente porque aquí no hay ninguna pieza de hierro que se mueva en un campo magnético que es lo que daba lugar a cogging. De hecho no hay ninguna pieza de hierro que se mueva.

Parece por lo tanto que las diferencias fundamentales entre un motor con inducido de campana y el clásico motor de polos bobinados, son tres

Menor peso y tamaño para la misma potencia.
Mucha menor inductancia.
Cero cogging

Ahora voy a tratar de analizar cómo nos pueden afectar estas diferencias a nuestros tenes, pero será mejor dejar pasar unos días para ir asimilando el tema.