Las últimas líneas de productos de motores eléctricos estándar ofrecen mayor modularidad y flexibilidad para satisfacer los requisitos de una amplia gama de aplicaciones. Sin embargo, las condiciones específicas del sitio o las demandas de rendimiento a menudo requieren diseños personalizados como estos motores de jaula de ardilla de 6.600 V y 1.700 kW con carcasa cilíndrica diseñados por Menzel Motors para alimentar el sistema de ventilación de una mina subterránea.
Se espera que los motores y accionamientos eléctricos desempeñen un papel cada vez más importante en la minería y otras industrias de trabajo pesado. Los OEM están actualizando las capacidades de diseño, fabricación y soporte para garantizar que sus líneas de productos estén a la altura del desafío.
Por Russell A. Carter, Editor Colaborador
En los aproximadamente 125 años transcurridos desde que se introdujeron los primeros motores eléctricos verdaderamente útiles para fines industriales, su papel se ha expandido constantemente para incluir casi cualquier aplicación que requiera potencia rotativa. Una estimación reciente de un importante proveedor de motores tiene sistemas accionados por motores eléctricos que representan aproximadamente el 45% del uso de energía del mundo.
Para la industria minera, todo indica que el uso del motor continuará creciendo a medida que las empresas estudien, estructuren y ejecuten planes para electrificar las operaciones desde el rajo hasta la planta. El reciente anuncio de colaboración entre ABB, especialista en electrificación, y Perenti, grupo de servicios mineros, para realizar un estudio sobre la electrificación subterránea total del proyecto de níquel Cosmos de IGO, en Australia Occidental, ofrece una idea del futuro. Las tres empresas trabajan juntas para forjar un plan que incluya la optimización del diseño de la mina para las operaciones eléctricas, la filosofía de producción y explotación, la selección de la flota, la distribución de energía y el diseño de la infraestructura eléctrica, el sistema de electrificación y la gestión de baterías, el análisis del impacto ESG y de seguridad, y la modelación de costos tanto Capex como Opex.
No cabe duda de que la eficiencia de los motores eléctricos en este proyecto — o en cualquier otro de varios millones de dólares — se examinará con lupa. Pero incluso un motor de alta eficiencia tiene que ser diseñado adecuadamente para su aplicación prevista. Una lista de las principales razones por las que fallan los motores, como se muestra en la tabla adjunta, indica que muchas fallas se remontan a una selección inicial incorrecta. A medida que los fabricantes de equipos originales desarrollan nuevos conceptos para el diseño de motores, destinados a ofrecer productos con mayor densidad de par, mejor rendimiento de refrigeración y menor tamaño físico, también están implementando funciones y servicios que permiten a los clientes elegir con mayor precisión el producto adecuado y supervisar su rendimiento durante todo el ciclo de trabajo.
Los fabricantes de equipos originales también son conscientes de la necesidad de conservar los materiales, tanto durante la fabricación original como para el reciclaje al final de su vida útil, y están siguiendo estrategias destinadas a optimizar o reducir el uso de alambre de cobre y material magnético. Por ejemplo, a finales del año pasado, ABB anunció planes para utilizar cobre reciclado certificado y bajo en carbono de Boliden en sus motores eléctricos de alta eficiencia y otros equipos. A partir de 2023, ABB informó que comprará dicho cobre para cubrir la demanda de ciertos tipos de motores IE5 Ultra-Premium Efficiency y otros producidos en Europa. Las dos empresas han firmado también un memorando de entendimiento que permitirá a ABB ayudar a Boliden en la identificación de motores de bajo voltaje ineficientes en sus unidades operativas. Estos motores pueden ser reemplazados por motores de alta eficiencia dentro del marco de reciclaje de ABB, y los motores antiguos se reciclan para proporcionar materia prima para el cobre reciclado de Boliden.
Según ABB, el cobre bajo en carbono de Boliden se produce mediante el uso de materia prima secundaria procedente de productos reciclados. Un motor típico de 75 kW que pesa 650 kg puede incluir 80 kg de cobre. El uso del cobre de Boliden ahorra aproximadamente 200 kg de emisiones de CO2 por cada uno de estos motores fabricados, informó la empresa.
En otro desarrollo relacionado con el cobre, los investigadores del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), un laboratorio nacional administrado y operado por Battelle para el Departamento de Energía de los Estados Unidos, encontraron una manera de aumentar la conductividad del alambre de cobre en aproximadamente un 5% — suficiente para mejorar significativamente la eficiencia del motor. Por ejemplo, el número real de grandes motores instalados cada año es relativamente bajo, pero sus potencias nominales son tan altas que incluso un pequeño aumento de la eficiencia puede reducir las pérdidas en decenas de kilovatios por máquina. Dado que normalmente funcionan durante más de 8.000 horas al año, un pequeño aumento en la eficiencia puede suponer un enorme ahorro de energía. Una mayor conductividad también significa que se necesita menos cobre para la misma eficiencia.
Utilizando una nueva plataforma de fabricación desarrollada en PNNL, los investigadores agregaron grafeno — una lámina nanométrica y altamente conductora de átomos de carbono — al cobre y produjeron alambre. Según PNNL, el aumento en la conductividad en comparación con el cobre puro fue posible gracias a una máquina única en su tipo que combina y extruye metales y materiales compuestos, incluido el cobre.
En colaboración con General Motors, el laboratorio probó el cobre mejorado para su uso en componentes de motores de vehículos. Como parte de un proyecto de investigación de costos compartidos, el equipo validó el aumento de la conductividad y descubrió que también tiene mayor ductilidad. En otras propiedades físicas, se comportaba igual que el cobre normal; se puede soldar y someter a otras tensiones mecánicas sin que se degrade su rendimiento. Esto significa que no se necesitarían métodos de fabricación especializados para ensamblar los motores, sólo el nuevo compuesto de cobre avanzado del PNNL.
FLSmidth seleccionó estos motores WEG refrigerados por agua con sistema automático de elevación de escobillas para un proyecto de expansión de planta en Brasil.
Encontrar la Mejor Solución Es más Fácil
Hay un viejo refrán minero que dice: “Si has visto una mina, has visto… una mina,” en alusión al hecho de que casi no hay dos yacimientos mineros, minas, plantas de proceso o instalaciones relacionadas que sean idénticos debido a las diferencias en las condiciones específicas o en los recursos disponibles de la empresa en cualquier proyecto minero. Eso no significa que cada motor eléctrico en terreno tenga que ser un modelo especial. La última generación de motores de los principales proveedores ofrece características de modularidad y personalización muy ampliadas para adaptarse a una amplia gama de aplicaciones.
ABB acaba de presentar su motor de inducción modular AMI 5800 NEMA, diseñado para mejorar la eficiencia energética y la fiabilidad en aplicaciones exigentes como bombas, compresores, ventiladores, transportadoras y chancadores. Con una potencia nominal de hasta 1.750 hp, la línea AMI 5800 ofrece un alto grado de modularidad y personalización para adaptarse tanto a proyectos de nueva construcción como de actualización, según la empresa.
ABB describe el motor AMI 5800 como un auténtico diseño NEMA, siendo una de sus características clave un bastidor de acero soldado de alta resistencia que normalmente se encuentra sólo en motores con bastidores de mayor tamaño. Esto reduce la tensión en el motor y mitiga las vibraciones y la resonancia para garantizar un funcionamiento fiable en condiciones difíciles con una vida útil de diseño de 25 años o 20.000 arranques. Otra ventaja es la menor distancia entre rodamientos en comparación con los modelos anteriores. Esto mejora el rendimiento a altas velocidades y permite utilizar el motor como un simple recambio para actualizar los equipos existentes.
En abril, el grupo de Sistemas Comerciales de Regal Rexnord lanzó una nueva línea de motores de uso general, cualquiera de los cuales podría reemplazar a cualquiera de los 18 motores de uso general tradicionales, según la empresa. Entre las características de la línea Flex-in-1 se incluye la posibilidad de que el motor funcione a 60 a 50 hercios, la capacidad de funcionamiento con inversor y una base reposicionable extraíble que permite girar la caja de conexiones a las posiciones de montaje NEMA F-2 y F-3 deseadas. El motor se envía con la caja de conexiones en la posición de montaje F-1.
Sin embargo, los proveedores de motores se encuentran con condiciones específicas del sitio o requisitos del cliente que requieren diseños o características especiales. Estos son algunos ejemplos recientes:
WEG, el proveedor de motores con sede en Brasil, sabe que los motores para uso en plantas desalinizadoras deben operar en condiciones climáticas adversas durante todo el día, ser extremadamente duraderos y estar protegidos contra la corrosión. Recientemente, la empresa suministró motores aptos para este tipo de tareas a un proyecto crucial de infraestructura de agua de mina en el norte de Chile, donde los motores de eficiencia clase W22 IE3 de WEG se utilizan en los circuitos de alimentación y recirculación de la planta desalinizadora. También se suministraron motores de aplicación vertical para el sistema de captación de la planta. Todos fueron
tratados con un acabado especial de pintura epoxi para su rendimiento en ambientes marinos severos con un alto índice de salinidad.
WEG también proporcionó recientemente motores ordenados por FLSmidth para accionar molinos de bolas en un gran proyecto minero brasileño. Los motores para esta aplicación fueron diseñados con un rotor bobinado y un sistema de control para la elevación automática de las escobillas que permite el cortocircuito del rotor después del arranque, reduciendo considerablemente el desgaste de las escobillas y, en consecuencia, la necesidad de mantenimiento. En total, se suministraron seis motores MAW, en tamaño de bastidor 800 y potencia nominal de 6.500 kW (13.800 V); cinco estarán en línea y uno se reservará como repuesto.
Menzel Motors, con sede en Berlín, diseñó y construyó tres inusuales motores de jaula de ardilla de 6.600 V para el sistema de ventilación de una mina subterránea. El cliente especificó carcasas cilíndricas para los motores, un desafío, según Menzel, para implementar la potencia nominal requerida de 1.700 kW en las carcasas cilíndricas más compactas posibles. Menzel dijo que cumplió los requisitos de diseño al fabricar motores de jaula de ardilla refrigerados por aspas en tamaño de bastidor 630, un diseño extremadamente inusual para motores de este tamaño. Debido a que los ventiladores accionados están montados directamente en los ejes del motor, los rodamientos de los motores tenían que ser capaces de manejar cargas radiales de hasta 20.700 N y cargas axiales de hasta 27.000 N, lo que requería una configuración especial de rodamientos para cumplir con la vida útil prevista de 100.000 horas.
La IA ha llegado
A medida que crece la demanda de motores especiales y personalizados, los fabricantes recurren a la tecnología de inteligencia artificial para ayudar a agilizar el diseño y la producción de motores.
El año pasado, Toshiba Mitsubishi-Electric Industrial Systems Corp. (TMEIC) anunció que, junto con Mitsubishi Electric, habían desarrollado un sistema de apoyo al diseño de motores eléctricos que incorpora la tecnología Maisart AI de Mitsubishi Electric y que, según se afirma, acorta drásticamente el tiempo requerido para producir diseños de motores eléctricos que logran el mismo rendimiento que los métodos de diseño convencionales implementados manualmente por ingenieros calificados. TMEIC dijo que tenía previsto adoptar el sistema para operaciones internas en 2023.
Se informó que el nuevo sistema se puede utilizar para diseñar motores eléctricos para bombas, compresores y ventiladores. Anteriormente, los ingenieros tenían que ajustar iterativamente las especificaciones de diseño para equilibrar el rendimiento con el diseño, como la eficiencia energética con el tamaño del motor.
Al utilizar experimentalmente el nuevo sistema para realizar las tareas de diseño que normalmente eran realizadas en el pasado por los ingenieros, Mitsubishi Electric descubrió que el tiempo de diseño se puede reducir a tres horas en comparación con un día para los ingenieros experimentados y hasta tres días para los ingenieros menos experimentados. Según la empresa, el sistema también ayuda a simplificar y estandarizar los procesos de diseño, ya que los objetivos de rendimiento pueden ajustarse simplemente para que la IA genere nuevas especificaciones apropiadas. Además, se espera que el sistema facilite la transferencia de conocimientos de diseño a ingenieros menos experimentados para ayudarlos a ser más competentes.
Según TMEIC, el nuevo sistema de apoyo al diseño de motores eléctricos logra resultados equivalentes a los diseños producidos manualmente. Los ingenieros ingresan los requisitos de rendimiento y luego la IA propone las mejores especificaciones basándose en datos de diseño históricos. Luego, los ingenieros comprueban el rendimiento de las especificaciones propuestas por la IA y, si es necesario, ajustan los objetivos para obtener las nuevas especificaciones propuestas por la IA ajustadas con mayor precisión. El proceso interactivo se puede repetir hasta que se consigan las especificaciones que mejor satisfagan los objetivos de rendimiento finales. Los resultados son equivalentes a los diseños convencionales producidos manualmente.
Además, la empresa informó que las tecnologías de predicción del rendimiento y optimización de especificaciones reducen drásticamente el tiempo de diseño. La tecnología de IA predice el rendimiento de los motores eléctricos utilizando las especificaciones de diseño acumuladas en el pasado por TMEIC. Los ingenieros pueden interactuar con la IA ajustando los objetivos de rendimiento para obtener especificaciones precisas basadas en diseños anteriores que la IA busca y luego optimiza. El tiempo de diseño se reduce drásticamente de uno a tres días a solo tres horas.
Algunos detalles clave sobre el sistema, según lo descrito por TMEIC:
La tecnología interactiva multiobjetivo de diseño de los motores eléctricos produce rápidamente diseños de alta calidad. Al utilizar las técnicas convencionales de optimización multiobjetivo, ha sido difícil producir rápidamente especificaciones de diseño ideales que satisfagan todos los objetivos de rendimiento que cubran todas las categorías, como el tamaño del motor, la eficiencia energética y la generación de calor, algunas de las cuales están inversamente relacionadas.
Sin embargo, la nueva tecnología permite diseñar especificaciones de rendimiento en un tiempo notablemente corto utilizando tanto la metaheurística, un método de búsqueda eficaz de combinaciones de parámetros como un proceso de ida y vuelta en el que los ingenieros interactúan con la IA.
Este procedimiento interactivo puede repetirse hasta que los ingenieros estén satisfechos con el diseño que mejor satisfaga los objetivos de rendimiento finales.
Tecnología de predicción de rendimiento de alta velocidad y tecnología de presentación eficiente. La tecnología de IA crea especificaciones consultando diseños anteriores, buscando las mejores especificaciones y luego presentando múltiples combinaciones de posibles especificaciones optimizadas para los objetivos de rendimiento. Los ingenieros pueden elegir las especificaciones que mejor se adapten a las necesidades generales y determinar rápidamente un diseño final que coincida con sus objetivos finales de rendimiento.
La iniciativa TMEIC AI ciertamente no es el único programa a gran escala en curso para aplicar herramientas de IA al diseño y la producción de motores. Por ejemplo, el año pasado Bosch anunció una importante ampliación de sus instalaciones norteamericanas para la fabricación de motores eléctricos; la empresa dijo que comenzaría la producción en su sitio de Charleston, Carolina del Sur — irónicamente, en una instalación previamente dedicada a la producción de componentes para motores diésel — y planeaba gastar más de $260 millones de dólares en el futuro para ampliar aún más la capacidad allí. Según se informa, la nueva instalación utilizará la IA para diseñar líneas de producción que serán altamente configurables en función de las necesidades de los clientes.
Es parte de un esfuerzo corporativo mayor, según declaraciones recientes de los ejecutivos de Bosch. “En los últimos años, Bosch ha progresado mucho en el desarrollo de la IA en sus divisiones y en sus sedes de todo el mundo,” dijo Tanja Rückert, miembro del consejo de administración y directora digital de Bosch GmbH. “Estamos incorporando la IA a nuestras aplicaciones con rapidez y éxito.”
La empresa afirmó que, antes de finales de este año, todos sus productos y soluciones contendrán IA o se habrán desarrollado o fabricado con su ayuda.
