Motores con inducido de campana (II)

Los periodistas suenen querer distinguir entre lo que es información y lo que es opinión. Bueno pues yo también quiero hacer  hoy esa distinción, porque todo lo publicado en la primera parte de este artículo era pura información sacada de los catálogos de Marklin de la web de Maxon, y algunas aportaciones adicionales. Pero son solamente descripciones de cómo son estos motores, como funcionan y cuales son sus propiedades. En esta segunda parte me voy a arriesgar a dar mi opinión sobre algunos de estos temas y cómo nos puede afectar a los aficionados

Motor con cabezas oblicuas.

Nos quedábamos en que estos nuevos motores tienen unas características distintas en algunos aspectos a los tradicionales motores que ha usado Märklin en esta escala, La verdad es que teniendo en cuenta que esta aventura empezó allá por el año 1972, los avances tecnológicos han sido mínimos, sobre todo en el tema de los motores, cuya única modificación importante fué el paso de motores de tres polos a motores de cinco polos, que se produjo hacia el año 2000. Luego hubo también unos motores con cabezas oblicuas que pasaron casi totalmente desapercibidos. En casi 50 años la tecnología ha evolucionado y concretamente en lo que respecta a este tema en dos aspectos: Por un lado, ahora, gracias a los procesos automáticos de producción con maquinaria controlada por ordenadores es posible construir motores de este tamaño, con la tremenda precisión que se requiere, sin que el coste sea desorbitado. En segundo lugar, y esto es más específico del tema de motores eléctricos, ahora se pueden fabricar imanes de una potencia mucho mayor que hace unos pocos años A todos nos ha sorprendido la presentación en sociedad del Neodimio, material que hace unos pocos años era poco más que una rareza de laboratorio. La consecuencia es que hoy se pueden fabricar motores adecuados para nuestras locomotoras con prestaciones superiores a las anteriores y seguramente a menor coste.

Decíamos que un motor con inducido de campana, tiene entre sus características un tamaño más reducido y un menor peso que el motor de tres o cinco polos de potencia equivalente. Esto ya es interesante, porque realmente el que una locomotora pese menos es un inconveniente, no una ventaja.

Todos los aficionados a la escala Z estamos acostumbrados a ver que nuestras locomotoras empiezan a patinar en cuanto las cargamos con demasiados vagones o en cuanto pretendemos hacerlas subir por pendientes demasiado fuertes. Naturalmente el hecho de que no tengan aros de goma en las ruedas, como es habitual en escalas mayores, contribuye a esa facilidad  con que comienza el patinaje. Hay quien considera que esto es un grave defecto, pero a mi me parece que es un tema muy real: Cuando un tren real pretende subir por una pendiente demasiado fuerte o lleva demasiada carga también patina. Y la solución es la misma en un caso y en otro: no hacer pendientes demasiado fuertes, no sobrecargar los trenes, y si todo eso no funciona poner dos locomotoras a tirar del tren, o poner una locomotora más pesada.

En efecto, es el peso de la locomotora (el que apoya sobre las ruedas motrices, llamado peso adherente) el que evita que la locomotora patine, tanto en la realidad como en nuestra escala.

Otra cosa que podría ocurrir, es que la locomotora no tenga fuerza suficiente, o sea que sin llegar a patinar las ruedas, la locomotora se pare deteniéndose el motor por falta de fuerza, Esto yo no lo he visto jamás en una locomotora de escala Z (si en otras escalas con aros de goma en las ruedas) así que parece que los motores tienen potencia más que sobrada para arrastrar cualquier tren.

En resumen: que no tenemos ninguna necesidad de motores más potentes y mucho menos de motores más ligeros. La única esperanza es que si estos motores son más pequeños, dejen espacio suficiente para meter contrapesos y aumentar el peso de las locomotoras.

Es curioso que en el tema del peso, Märklin ya lo ha hecho mal en otro aspecto: Desde 2013, Märklin empezó a fabricar las locomotoras de vapor con en bielaje completo. Esto fué una gran noticia, pero también quisieron añadir unos detalles adicionales para reproducir las zapatas de freno,y  algún detalle más. Todo eso está muy bien, pero para poder hacer por moldeado esa filigrana de elementos, decidieron hacer toda la parte inferior de plástico. Es sabido que la tapa inferior de la caja de engranajes de las locomotoras de vapor, era en todos los casos anteriores, una pieza de metal de un grueso notable, que naturalmente pesaba unos gramos y  contribuía a evitar que las locomotoras patinasen, Bueno pues con el cambio a plástico se nota bastante que la tendencia a patinar se ha incrementado.

Al año siguiente yo compre la BR38 (88998) que fué la primera locomotora pequeña que sacaron con bielaje completo. Es preciosa, (véase Marklin 88998) pero patina a la mínima carga que se pretenda arrastrar.

Por cierto, y hablando de peso, si efectivamente los nuevos motores son más ligeros, hay que considerar que la mayor pérdida de peso corresponde a la desaparición del inducido de hierro. Como el inducido es justamente la parte que gira en el motor, quiere decir que la parte móvil pesa menos y por tanto tiene menos inercia. Los fabricantes de motores de este tipo alaban como una gran ventaja esta falta de inercia que hace que el motor empiece a girar a su velocidad máxima en tiempos muy cortos. Pero de nuevo hay que preguntarse si eso es bueno o no, y la respuesta es evidentemente negativa. Muchas marcas de otras escalas ponen en sus motores un "volante de inercia" cuya misión es regularizar la marcha y sobre todo evitar que la más mínima interrupción de la corriente, por ejemplo al pasar por un desvío o un trozo de vía sucio. haga que la locomotora se pare. Marklin nunca ha puesto volantes de inercia en la escala Z pero es evidente que el rotor de tres polos y más el de cinco polos, tienen un peso relativamente importante. Cuando están girando mantienen una cierta inercia que tiene un pequeño efecto de volante de inercia.  Si ahora el rotor, la famosa campana, es mucho más ligera, este efecto se pierde y podría ocurrir que la locomotora se pare a la mínima interrupción. Supongo que Marklin ha adoptado alguna solución sobre este tema, porque si no es así, podría estar empeorando el comportamiento.

La segunda cuestión es mucho más importante, porque se relaciona con la importante bajada de la inductancia del motor de campana. Esta reducción proviene fundamentalmente del hecho de que se ha suprimido el núcleo de hierro del motor clásico. De nuevo los fabricantes de motores presentan esto como una ventaja, y tienen razón desde el punto de vista de que debido a la histéresis, una corriente no constante produce un calentamiento del núcleo de hierro, que se lleva parte de la energía consumida, mientras que al no haber núcleo de hierro en el motor de campana no se pierde esa energía. Se evita por lo tanto el calentamiento por esta causa, y se aumenta el rendimiento energético.  De hecho, este desperdicio de energía que suele denominarse "pérdidas en el hierro", puede llegar a ser el factor más importante de pérdida de energía en un motor clásico, de manera que el de campana, resulta más eficiente por esta causa.

Pero cuando he dicho una corriente no constante no he aclarado a que me refiero. Estamos hablando de un motor de corriente continua, así que la corriente debería ser constante. Bueno, en primer lugar en un motor clásico, aunque la corriente sea continua, debido al juego del colector, en cada revolución del motor la corriente que pasa por los bobinados cambia de sentido un par de veces, y como estos bobinados tienen  el núcleo de hierro se produce la perdida por histéresis aunque la alimentación sea un tensión constante. Pero además en la práctica, en muy pocos casos se utiliza corriente rigurosamente continua aunque por el hecho de que no cambia de polaridad la llamamos así.

Hace tiempo escribí aquí un par de artículos  (Corriente ¿continua?) en que analizaba los distintos tipos de corriente que proporcionan los distintos tipos de controladores que podemos usar con nuestros trenes. Los seguidores de este blog saben que me he dedicado con intensidad al tema de la corriente PWM y naturalmente tengo mucho interés en analizar en qué afecta al tipo de control basado en corriente PWM, la baja impedancia de estos motores. Hay muchos artículos en este blog dedicados a este tema, pero recomiendo a los que quieran tener una buena idea de lo que es y lo que se obtiene con este sistema que vean el artículo siguiente: Comparativa PWM.

Lo primero que se puede deducir del citado artículo es que no basta con hablar de corriente PWM. Es necesario determinar de qué frecuencia es esa corriente, y en el mismo artículo se deduce que los mejores resultados se obtienen con frecuencias muy bajas, del orden de 50 Hz. Sin embargo también se avisa que muchos aficionados compran controladores de tipo industrial para sus trenes, y es seguro que si lo hacen se van a encontrar con un aparato que produce una frecuencia de mas de 20 kiloherzios.Realmente las bajas frecuencias, del orden de 20 Hz se encuentran solamente en controladores PWM diseñados especificamente para el control de trenes, como los que fabrica, System Jörger, Ken Stapleton, o yo mismo. 

Como decía, los mejores resultados para controlar trenes se obtienen con frecuencias del orden de 40 Hz como es el caso de los míos, pero en el artículo anterior se veía un pequeño controlador de tipo industrial de origen chino, cuya frecuencia variaba entre 20000 y 30000 Hz. y no es nada excepcional sino precisamente es lo habitual.

Bien, pues estoy seguro de que un controlador PWM de baja frecuencia, es decir con una frecuencia por debajo de 100 Hz no produce ningún calentamiento detectable en el inducido de campana. Digo que estoy seguro, no por que me lo parezca, sino porque un compañero de foro, que tiene una locomotora 88770 y uno de mis controladores ha hecho la prueba y me ha confirmado que no hay ningún problema. Y tampoco lo habrá con controladores PWM como los de System Jorger, Ken Stapleton ni ningún otro que opere a frecuencia baja, en definitiva con controladores diseñados para trenes. Como ilustración, en la cabecera de este artículo hay un vídeo en el que se ve uno de mis controladores manejando una locomotora de escala Z, y que tiene un osciloscopio conectado para mostrar la forma de onda de la corriente que produce. Se aprecia muy bién que la velocidad de la locomotora responde exactamente a la anchura de los pulsos de la corriente PWM generada y también se aprecia, sobretodo al final, del video, que la frecuencia de ese controlador concretamente es de 31 / 34 Hz

Sin embargo hay que avisar a aquellos que han comprado controladores PWM que son de uso general, y se venden por internet para control de iluminación, control de ventiladores, etc. Casi todos esos aparatos usan frecuencias muy altas, superiores a 20000 Hz, porque es la forma de evitar sonidos por resonancia o parpàdeos cuando se usan para regular luces. Aunque los hayan usado con éxito para sus trenes com motores clásicos, prodría ocurrir que con los motores de inducido de campana tengan problemas de calentamiento.

Es curioso que en este caso la página de Maxon si que admite que la falta de impedancia puede ser un problema con controladores PWM. Se está refiriendo desde luego a sistemas industriales con frecuencias altas, y dice que la solución es poner unas inductancias externas en serie con las bornas del motor. Bueno, claro, es de perogrullo: Si el motor con poca inductancia se calienta, pongamos inductancia añadida por fuera. Pero es también una bonita forma de estropear el efecto de la PWM. Siempre que se va a usar una locomotora en digital o con PWM se recomienda eliminar los posibles condensadores "atiparasitarios" y las "bobinas" (inductancias) en serie.

Todavía tenemos otro caso relacionado con el tema de la inductancia del motor. Me estoy refiriendo a los llamados limpiavías electrónicos, de los cuales los más populares son los que fabrica la marca Gaugemaster. Tan populares son que entre los aficionados se habla simplemente del Gaugemaster para referirse a estos limpiavías, aunque realmente Gaugemaster fabrica muchas otras cosas.

El principio del "Gaugemaster" está comentado en unos cuantos artículos de este blog. Para el que desee saber los fundamentos del sistema, recomiendo en concreto: Gaugemaster II, donde se explica la teoría en la que se basa. En resumidas cuentas el Gaugemaster inyecta en la vía una corriente alterna de alta tensión y alta frecuencia que cuando se interrumpe por una falta de contacto entre los carriles y las ruedas a causa de suciedad en la vía, produce un chispazo que quema la suciedad y limpia los carriles y las ruedas.

Naturalmente después de lo que hemos estado diciendo respecto de lo mala que era una corriente de alta frecuencia para los motores de campana, decir "alta tensión y alta frecuencia" pone los pelos de punta a cualquiera. Más se ponen de punta si conectamos un osciloscopio a la vía cuando hay un Gaugemaster actuando sobre ésta. La imagen es bastante espectacular como se ve en la fotografía siguiente:

Esto es lo que aparece en el osciloscopio cuando ponemos las puntas de prueba en los carriles con el Gaugemaster funcionando, ¡ lo prometo !. Bueno, aclaremos un par de cosas: La linea roja no corresponde a la vía sino que es la entrada de corriente alterna de 50 Hz con que alimentamos el Gaugemaster. También hay que decir que la punta de prueba lleva un atenuador de 1:100 para no saturar el osciloscopio.  Entonces lo que vemos es una salida representada en amarillo que es una corriente alterna de más de 60 KHz (60.22 KHZ se lee en la imagen) que vemos tan apretada que parece una macha amarilla sólida, pero realmente es una onda alterna de esa frecuencia. Como se ve la amplitud de esa onda no es constante, sino que está modulada por la corriente de alimentación de 50 HZ, y además se interrumpe durante los ciclos negativos de esa corriente de alimentación. Medidas más precisas hechas posteriormente me han dado los valores de 58 kHz y 688 Voltios de pico a pico. 

La primera idea es que esos valores son una burrada y que pueden destruir cualquier motor de una locomotora de escala Z sea de campana o sea de lo que sea. El truco está en que eso corresponde a lo que tenemos en la vía cuando no hay ninguna locomotora. En cuanto ponemos una locomotora en la vía todo eso desaparece y en la vía no hay tensión ni frecuencia ni nada. Si la locomotora está parada tampoco habrá tensión de alimentación, o, si conectamos la alimentación, por ejemplo un controlador PWM, aparecerá su característica onda cuadrada con una altura de unos 9 V en escala Z (o 12 V en escala N) tal como veíamos en el video que hay en la cabecera. ¡Nada de 600 Voltios!

Esto que parece complicado de hacer y peligroso por si algo llegase a fallar y todos esos voltios llegasen a la locomotora, en realidad es algo sencillo y seguro pues se debe solamente a la gran impedancia del Gaugemarter. En lugar de extenderme en explicaciones y cálculos de como funciona esto, he hecho una simulación en el programa Proteus, para ver que es lo que pasa y de paso para sacar unas imágenes que ilustren el tema. 

1 Sin locomotora en la vía

En la primera imagen podemos ver el circuito que hace la simulación. Se hace que genere una salida muy parecida a la que genera el Gaugemaster real, y está formada por un generador de señal y una fuente de 50 Hz que modula la señal producida por el generador de señal. La clave del tema es el transformador que se ve en el circuito, que eleva mucho la tensión y por lo tanto crea un agran impedancia de salida. En la parte derecha he puesto los dos elementos que van a simular el motor: una resistencia de 12 ohmios y una impedancia de 100 milihenrios. Estos datos corresponden a un motor clásico- Hay también un interruptor SW2 que permite eliminar la impedancia cortocircuitándola. y así poder simular lo que ocurre con el motor sin inductancia como sería el caso de inducido de campana.

El otro interruptor SW1 conecta o desconecta el circuito de R2 y L1 que  simula la locomotora, asi que al estar abierto como en la figura 1, es como si la locomotora no estuviera, y la acción de cerrarlo equivale a poner la locomotora en la vía.

2. Con la locomotora en la via

Asi que la figura 1 muestra la situación de que no haya ninguna locomotora en la vía. Como vemos en la imagen el osciloscopio virtual de la simulación muestra una imagen muy parecida a la obtenida con el Gaugemarster real. No sólamente el aspecto es similar sino los datos: La sonda de tensión situada en la parte superior permite leer una tensión de 299 Voltios que correspondería a 600 de pico a pico y la frecuencia del generador de señal es de 60kHz, y por supuesto la frecuencia de modulación es de 50Hz. (se ve la onda en rojo). Asi que una situación prácticamente idéntica a la que se obtuvo en su día con el Gaugemaster real.

La figura 2 muestra lo que ocurre cuando cerramos el interruptor SW1 es decir lo que ocurre simplemente por colocar la locomotora en la vía. Lo más espectacular es que los casi 300 Voltios que marcaba la sonda sin locomotora.,  han pasado a una cifra despreciable. Concretamente se puede leer 4.5 E-005 o sea unos 45 microvoltios. y como consecuencia  la intensidad que circula ahora por la locomotora es 3,73 microamperios. Eso y nada es lo mismo.

 Si en esta situación abrimos y cerramos el interruptor SW2 lo que equivale a considerar un inducido con inductancia o sin inductancia, las variaciones son mínimas, asi que se puede concluir que la influencia de la presencia de un inducido con inductancia o sin ella es prácticamente despreciable.

Por último, ya que estamos, vamos a ver que pasa cuando se produce una interrupción, por suciedad en la vía o por falta de contacto:

3. Circuito interrumpido por suciedad

Bueno, si hay un corte en la alimentación, ocurre lo que vemos en esta tercera imagen: En la parte inferior vemos que el circuito está interrumpido en un punto y he situado sondas de tensión a ambos lados de ese corte. Lo primero que vemos es que la alta tensión y alta frecuencia aparecen de nuevo, y podemos leer en la sonda de la parte superior otra vez una tensión altísima, de 562 voltios en la imagen, pero esta misma tensión aparece en el lado derecho del corte. 

Sin embargo por esa rama donde está la locomotora la intensidad es cero, así que por la locomotora no pasa ninguna intensidad y toda esa rama se ha puesto a esa tensión. A la izquierda del corte la tensión es cero y la intensidad también. O sea, en definitiva, que a ambos lados de la interrupción tenemos más de 500 voltios.  Este punto será normalmente, por un lado el carril sucio y por el otro la llanta de la rueda de la locomotora. Lo normal es que entre ambos puntos separados por milésimas de milimetro y con una tensión de unos cientos de voltios, salte una chispa que queme la suciedad que impedía el contacto. En cuanto el contacto se restablece volvemos a la situación de la figura 2

Lo más interesante de esto, es que en ninguna de las tres situaciones pasa una corriente significativa por la locomotora, con lo cual no hay energía suficiente para estropear ni para calentar nada, asi que mi conclusión es que el sistema de limpiavías Gaugemaster es compatible con los motores con inducido de campana.

Bueno, pues nos queda el tema mas divertido. El del dichoso cogging. En el próximo artículo será tratado como se merece.