Rodamientos Aislados: Las Verdaderas Razones

Rodamientos Aislados: Las Verdaderas Razones

Luis O. Corvalán

Noviembre de 2012

Quiso el destino, como muchas veces lo hizo, ponerme en una de esas situaciones donde termino rascándome la cabeza por no encontrar una explicación a mano que describa convincentemente lo que estoy viendo. Generalmente lo disfruto, porque significa un esfuerzo que me lleva a recorrer los pasillos de la memoria, escarbando teorías y fenómenos físicos, propiedades de los materiales, curvas, fórmulas, experiencias ajenas y cuanto recuerdo en el intento de descifrar el misterio. 

El presente caso tiene la particularidad, única por suerte, de haberme llevado años deducir. En el interín encontré catálogos y folletos técnicos con explicaciones totalmente insatisfactorias para mí.

Entremos en tema:

Me pasó de oír alguna vez de un motor cuyos rodamientos duraban muy poco tiempo. A las pocas horas de cambiarlos ya estaban haciendo ruido anormal, y al inspeccionarlos se notaban picaduras y manchas en sus pistas y bolillas típicas de descargas eléctricas (chispazos). Mi perplejidad surgía de no imaginarme como se podía producir una diferencia de potencial entre el rotor, en este caso una jaula de ardilla, y tierra para explicar la circulación de corriente por los puntos de contacto de los rodamientos, único camino entre ellos. Al no tener la oportunidad de verlos personalmente a los rodamientos afectados, el problema no me produjo demasiado desvelo y en mi cabeza casi pasó a ocupar la categoría de leyenda urbana.

Con los años dejé la reparación de motores y me dediqué al asesoramiento de muchos ex colegas y empresas industriales. Recientemente el problema se reflotó en otro caso, pero esta vez ya fui consultado formalmente para dar un diagnóstico y proponer una solución. Ya no podía seguir negando o postergando la explicación del fenómeno así que me aboqué a la tarea de desentrañar el misterio.

Independientemente de entender o no lo que pasa, existe un producto diseñado para resolver el problema, que es el rodamientos aislado.

Es un rodamiento que tiene en una pista (interior o exterior) un material sintético muy resistente mecánicamente pero no conductor. Tanto en el primer caso, que no pude ver personalmente, como en este, fue la solución inmediata propuesta. Pero además quería saber por qué se producía el fenómeno.

Varias fábricas de rodamientos de primera marca tienen su línea de rodamientos aislados. En el catálogo, cuando se refiere a los rodamientos aislados, una marca muy conocida dice textualmente “hay casos en que por alguna razón se presenta una diferencia de potencial entre el rotor y tierra que produce una circulación de corriente por el rodamiento”. Aquí, con una sinceridad loable, reconocen que el fenómeno existe pero evitan una explicación de las causas, que evidentemente desconocen. No tiene nada de malo ya que su campo de especialización pertenece a la mecánica. Sin embargo, otro fabricante de rodamientos, igual o más prestigioso, en la sección correspondiente de su catálogo dice así: “cuando hay desequilibrios magnéticos producidos por imperfecciones casi inevitables en el proceso de construcción de motores trifásicos, o por la influencias de armónicos en el campo magnético, se produce una diferencia de potencial entre el rotor y tierra. Diferencia que hace circular corriente por los rodamientos produciendo…” Esta explicación es totalmente errónea para mi punto de vista, por más que admito haber intentado de buscarle la vuelta. No me cierra. Y menos aun cuando seguimos leyendo y proponen la solución. Entre otras cosas, dicen que con la instalación de un rodamiento aislado, no necesariamente los dos, el fenómeno desaparece. Esta solución contradice la explicación del fenómeno: si hay potencial entre el rotor y tierra, ¿cómo puede un rodamiento aislado impedir que circule corriente por el otro, si hay una diferencia de potencial entre rotor y tierra?

El problema puntual de la consulta era un caso grave. El rodamiento de ataque de un motor de 150hp se había destruido completamente, destemplándose y su pista interior se había soldado al eje. El motor se quemó por el rozamiento de sus núcleos. Una vez reparado, en la propia prueba de vacío ya se detectaron síntomas de corriente por los rodamientos.

Unas pocas semanas antes de esta consulta había terminado de escribir el artículo anterior, sobre jaulas de ardilla. Y relacionando eso con la mención del fabricante de rodamientos, y que efectivamente comprobamos hace años, que el fenómeno desaparece con la instalación de un único rodamiento aislado, fue que se me cayó la ficha, se me prendió la lámpara. La diferencia de potencial, que evidentemente existe, no se produce entre el rotor y tierra: se produce entre los puntos de apoyo del propio rotor.

Esta diferencia de potencial es explicable, y también se corresponde con la solución propuesta por el fabricante y que pudimos comprobar en la práctica, que consiste en aislar un único rodamiento. Esto abre el circuito porque para mantenerlo cerrado hacen falta los dos rodamientos conduciendo corriente. Aislando uno, deja de circular corriente por el otro. (ver figura de página 3)

Antes de pasar al caso concreto, veamos como aparece la tensión inducida entre los dos puntos de apoyo. Aquí vamos a tener que recurrir, como en todos estos artículos, a un poco de teoría.

Empezamos, con la Ley de Faraday: en una espira inmersa en un campo magnético variable, se induce una tensión que será proporcional a la variación del flujo magnético abrazado respecto del tiempo.

Casi siempre esta ley la acompaño con el dibujo de la izquierda, para ilustrar la ecuación. Si colocamos un voltímetro en los extremos de la espira, efectivamente leeremos el valor de e.

Pero si se tratara de una espira cerrada, la tensión e también se inducirá, haciendo circular una corriente elevada, limitada solo por la resistencia del conductor. Como la resistencia está distribuída a lo largo del conductor, también está distribuida la caída de tensión, haciendo imposible su medición con un instrumento. La corriente sin embargo es fácilmente medible con una pinza amperométrica. La resistencia del conductor la podemos calcular y la tensión inducida será

e  = i.R

que coincidirá con el valor medido en la primera situación, siempre y cuando el flujo abrazado sea el mismo en ambos casos. Si a este anillo lo abrimos, inmediatamente volvemos al primer caso, la corriente desaparece y la tensión inducida aparecerá entre los extremos abiertos.

  La Jaula de Ardilla:

La jaula de ardilla es una estructura de conductores configurados de manera tal que se asemejan al adminículo que le da su nombre, ya que en general es una serie de conductores rectos unidos por sus extremos mediante dos anillos frontales. Es de muy baja impedancia de ahí que los rotores que tienen este tipo de circuito eléctrico también se conocen como rotores en cortocircuito.

Si por alguna razón una barra o barras de la jaula se abren, interrumpiendo la circulación de corriente por ese sector, se perderá la simetría de la configuración y aparecerán tensiones inducidas en puntos discretos del rotor, en particular los extremos de la barra rota. Estas asimetrías y tensiones inducidas en puntos discretos, que antes no se podían apreciar, ahora se pueden medir entre puntos del rotor. Como la estructura del rotor es también un conductor, en particular su eje, estas irregularidades pueden provocar diferencias de potencial entre los puntos de apoyo del eje, donde van colocados los rodamientos.

Esta diferencia de potencial producirá circulación de corriente por los rodamientos al cerrar el circuito, no a tierra, sino entre ambos rodamientos y a través de los escudos y la carcaza del motor, todos conductores. El propio eje del motor, inmerso ahora en un campo magnético que perdió su simetría, actúa como un conductor más, manifestándose en sus extremos una diferencia de potencial alterna, responsable de hacer circular esta corriente que acabamos de mencionar.

Experiencia Práctica:

         Para poner en cifras y ejemplos prácticos lo expuesto aquí, vamos a recurrir a una experiencia concreta realizada recientemente.

Como ya mencionamos, un motor asincrónico a jaula de ardilla de 150hp y 1470rpm se quemó a causa de la rotura de su rodamiento de ataque. Este presentaba una destrucción completa, con su pista interior destemplada y soldada al eje, con evidencia de haber estado expuesto a la circulación de corriente durante un período prolongado. El rodamiento de contraataque también presentaba un importante deterioro en sus pistas, con chispazos ahí y en sus bolillas.

El motor se rebobinó completo y al hacerlo funcionar en  vacío durante 10 minutos, se controlaron los rodamientos y ya había huellas de circulación de corriente en ambos. Al persistir la causa de la primera falla, no se podía entregar al cliente el motor en esas condiciones. Consultado por la empresa encargada de la reparación del mismo para diagnosticar la causa de la circulación de corriente por los rodamientos, propuse realizar la comprobación que describimos en el artículo anterior, en busca de barras cortadas. Las cifras de corriente detectadas en el ensayo y la ubicación del probador en la periferia nos permitieron identificar una zona de la jaula con problemas (ver artículo). Paralelamente a este ensayo, fuimos midiendo con un tester el potencia entre los dos puntos del eje donde van montados los rodamientos.

Se observó con claridad entre esos puntos, a pesar de pertenecer a un único eje macizo de hierro, tensiones que variaban desde los 0,4V a 2,5V según la posición del campo magnético. Esto se presentaba con un campo limitado y sectorizado que provee el probador. En una situación de régimen el motor presenta un campo magnético giratorio y bastante más intenso. En presencia de una jaula de ardilla asimétrica, circulada por corrientes desequilibradas, podemos intuir que el potencial entre los puntos de apoyo puede llegar a ser bastante superior a lo medido con el rotor en reposo y desarmado.

La solución al motor en cuestión no es sencilla y probablemente se deba dar de baja a la máquina definitivamente, salvo que se consiga un rotor similar provisto por el fabricante a un precio razonable. Por el momento, y mientras al usuario le sirva, la solución será el uso de un rodamiento aislado. Como el rodamiento no es económico, se recomienda reemplazar el rodamiento más pequeño, generalmente el de contraataque, por uno aislado.  Si la falla del rotor es menor, y no se exige plena potencia al motor, esta solución puede servir por muchos años.    

Conclusiones:

Aquí se propuso una explicación a mi gusto más plausible que las pocas que tuve oportunidad de encontrar respecto de este fenómeno. No pretendo que sea definitiva pero concuerda bastante mejor con la experiencia y es más compatible con la teoría electromagnética. Es posible que desequilibrios magnéticos importantes provenientes del estator generen una diferencia de potencial entre los puntos de apoyo, y probablemente deba apuntarse a esta explicación si se comprueba que el rotor está en perfectas condiciones. Pero de ninguna manera la corriente es consecuencia de una diferencia de potencial entre rotor y tierra, como se explica en las pocas menciones a que pude acceder.   

Recomiendo leer el artículo: Una aclaración al artículo sobre rodamientos aislados.