Motores con inducido de campana (y III)

Automotor a vapor "Kittel"
Uno de los nuevos modelos de Märklin (Ref: 88145) anunciados con motor de inducido de campana

Toca abordar el tema del cogging. Realmente me he enterado de que existe esta palabra cuando hace unos días, la leí en la página de Maxon relativa a sus motores con inducido de campana, aunque conocía el efecto, pero no había encontrado antes algo serio escrito sobre el mismo. No tiene nada de extraño que no encontrase nada, dado que desconocía la palabra cogging y dado que, por lo que parece, no hay en español una palabra que se haya adoptado para describir ese efecto. Sin embargo, lo conocía, y en algún caso incluso ya hablé sobre él en algún foro. El símil de la carretilla rodando sobre chapa ondulada ya lo emplee hace tiempo en alguno de esos comentarios. (*)

Bien, pues este efecto, que como sabemos de debe a la influencia del campo magnético del estator sobre las piezas polares del rotor cuando el motor gira, se traduce en que a lo largo de un giro completo del motor hay zonas en las que aparece una fuerza (mejor dicho un par) que se opone al giro, y zonas en las que aparece un pàr que favorece el giro. Este par se denomina en inglés "Cogging torque" (**) y como vemos es de sentido alternante lo que da lugar a que el giro del motor no sea uniforme, sino que el motor gira ligeramente más rápido  en unas zonas del giro y ligeramente más lento en otras zonas, lo cual naturalmente se convierte en una vibración, y en definitiva en una pérdida de energía. De todas formas el efecto es pequeño y apenas es apreciable en cuanto el motor coge velocidad y la inercia del rotor girando estabiliza el movimiento.

Algo curioso es que cuando cortamos la alimentación, y el motor se para, lo hace siempre en un punto en el cual el par de coggin es nulo, porque si no fuese así este mismo par le haría seguir girando hasta llegar a un punto de cero, a partir del cual ya no puede seguir girando sin energía porque el par de coggin empezaría a crecer en sentido de oposición al movimiento.

Pero hay una circunstancia especialmente interesante, y es lo que ocurre en el arranque:

Volviendo al símil de la carretilla, la carretilla siempre se queda parada con la rueda metida en uno de los valles de la chapa ondulada. Entonces para arrancar hay que hacer un esfuerzo especial para que la rueda suba hasta la primera cresta. Una vez que se ha llegado a ese punto, la rueda cae sola hacia el siguiente valle, y la inercia de ese movimiento facilita la subida de la cresta siguiente. En resumen se necesita más esfuerzo para iniciar el movimiento que para mantenerlo.

Pues con el motor ocurre igual: si partimos de cero y vamos incrementando lentamente la tensión, al principio el par generado es insuficiente para vencer el par de cogging que siempre está inicialmente en el punto en que hay que vencer el mayor valor desfavorable, Hasta que no se supera el valor de ese par, el motor no arranca. En el momento en que se supera la tensión que produce un par mayor que el de cogging el motor comienza a girar y como a partir de ese momento el par alterna entre favorable y desfavorable el motor sigue girando ya con una cierta velocidad. O sea: el par de cogging es el responsable de que los motores clásicos arranquen ya con una cierta velocidad.

Aqui vemos también la razón de que los controladores PWM consigan arrancadas lentas. La corriente PWM está formada por pulsos muy cortos pero de tensión máxima. Por lo tanto cada uno de esos pulsos produce de sobra un par mucho mayor que el par de cogging y el motor empieza a girar. A partir de ese momento la inercia de giro del rotor mantiene el giro hasta el próximo pulso.

Esa claro que todos los aficionados desean que sus locomotoras se comporten del modo más parecido posible a las locomotoras reales, y uno de los deseos más claros es conseguir que puedan rodar a velocidades muy lentas y que los arranques sean lentos y progresivos. Y acabamos de ver el motivo por el que esto no es posible con corriente continua normal y motores clásicos a causa del par cogging de este tipo de motores.

Desde luego, Marklin ha tratado de minimizar el efecto cogging de sus motores y a esto fundamentalmente se deben los cambios de tecnología que ha ido introduciendo en sus motores de escala Z:

Hacia el año 2000 cambió de motores de tres polos a motores de cinco polos, lo cual, fundamentalmente reduce el efecto cogging y por lo tanto permite un arranque claramente más lento. Los motores de cinco polos tienen más puntos de par favorable y desfavorable que los de tres polos, pero la intensidad del par es menor, asi que el par inicial necesario para que se supere el primer par máximo es menor.

Luego hacia 20013 aparecieron algunos motores con bobinas oblicuas. Esto produce que el par de cogging se "suavice", es decir que los maximos y mínimos se repartan a zonas más anchas y menos intensas, pero el efecto sigue estando ahí.

Y ahora, en 2018,  parece que se ha decidido por un paso drástico eliminando por completo este efecto con los nuevos motores de inducido de campana, en los que en efecto, este efecto no se da

La figura reproducida arriba compara el valor del par motor , con el par de cogging indicando que el motor clásico convencional (en azul) puede tener un par de cogging de alrededor del 4% del par motor. Con un motor "skewed" o sea de bobinas oblicuas, el par de cogging se reduce a menos de la mitad, quedando en un 1,5% (en rojo), y por supuesto, el inducido sin hierro se queda en el 0% (en verde)

A diferencia de los casos anteriores (ligereza y baja impedancia) no veo que de ninguna forma y en ningún caso esto pueda ser perjudicial para el funcionamiento de nuestros trenes, así que creo que es una buena noticia para todos los aficionados.

P.D.:  Me he apuntado en lista de espera para comprar el automotor "Kittel" En teoría sale el segundo trimestre de este año.....ya veremos.

_________________________________

* Véase este post mío de Febrero de 2015 en Plataforma-N: http://www.plataforma-n.com/index.php?topic=30773.msg391592#msg391592

** He visto en algún caso llamarle en español "par de saliencia" lo cual me parece bastante horrible en primer lugar porque la palabra "saliencia" no está en el diccionario y además esta palabra es un término usado en Psicología para definir la capacidad de una persona para destacar ante los demás. Puestos a inventar yo hablaría de "par de endentado". Al fin y al cabo la palabra cogging viene de cog, diente de una rueda dentada.