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Motores de corriente continua

Muchos dispositivos en un avión, desde el motor de arranque hasta el piloto automático, dependen de la energía mecánica suministrada por motores de corriente continua. Un motor de corriente continua es una máquina rotativa que transforma energía eléctrica de corriente continua en energía mecánica, o de otra manera, un motor es una máquina que convierte la energía eléctrica en energía mecánica giratoria. Los motores mueven máquinas lavadoras, secadoras, ventiladores y gran parte de la maquinaria que se encuentra en la industria. Por otro lado, un generador es una máquina que convierte la energía mecánica giratoria en energía eléctrica. La energía mecánica puede ser proporcionada por una caída de agua, vapor, viento o por un motor de gasolina, diesel o eléctrico.

1. Teoría del motor

Siempre que un cable que transporta corriente se coloca en el campo de un imán, una fuerza actúa sobre el alambre. La fuerza no es de atracción o repulsión, sin embargo, la misma está en ángulo recto con el alambre y también en ángulo recto con el campo magnético creado por el imán.

La acción de la fuerza sobre un alambre portador de corriente colocado en un campo magnético se muestra en la figura siguiente. Un alambre está situado entre dos imanes permanentes. Las líneas de fuerza del campo magnético van desde el Polo Norte hasta el Polo Sur. Cuando no fluye corriente, como en el diagrama A, no se ejerce ninguna fuerza sobre el alambre. Cuando la corriente fluye a través del alambre, un campo magnético se forma alrededor del mismo como se muestra en el diagrama B. La dirección del campo depende de la dirección del flujo de corriente. La corriente en una dirección crea un campo en el sentido de las agujas del reloj alrededor del alambre, y la corriente en la otra dirección, un campo en sentido antihorario.

Dado que el hilo de transporte de corriente produce un campo magnético, se produce una reacción entre el campo sobre el alambre y el campo magnético entre los imanes. Cuando la corriente fluye en una dirección para crear un campo magnético en sentido antihorario sobre el alambre, este campo y el campo entre los imanes se suman o se refuerzan en la parte inferior del alambre debido a que las líneas de fuerza van en la misma dirección. En la parte superior del alambre, los mismos se restan o se neutralizan, ya que las líneas superiores de fuerza en los dos campos son de sentido opuesto. Así, el campo resultante en la parte inferior es fuerte y el de la parte superior es débil. Por consiguiente, el cable es empujado hacia arriba como se muestra en el diagrama C de la figura . El alambre siempre es empujado lejos del lado donde el campo es más fuerte.1

(A)

Conductor sin corriente, localizado en un campo magnético.

(B)

Conductor con corriente y campo producido

(C)

Campo resultante y dirección de la fuerza sobre el alambre

Figura 1. Fuerza sobre un alambre conductor de corriente eléctrica

Si el flujo de corriente a través del alambre se invirtiera en dirección, los dos campos se añadirían en la parte superior y se restarían en la parte inferior. Debido a que un alambre es siempre empujado lejos del campo fuerte, el cable sería empujado hacia abajo.

Figura 2. Campo magnético que rodea dos conductores paralelos

a. Fuerza entre conductores paralelos

 

Dos cables que llevan corriente en las proximidades de uno al otro ejercen una fuerza entre sí debido a sus campos magnéticos. Una vista del extremo de los dos conductores se muestra en la figura 2. En A los electrones fluyen en ambos conductores hacia el lector, y los campos magnéticos son en el sentido de las agujas del reloj alrededor de los conductores.  Entre los cables, los campos se anulan entre sí, porque las direcciones de los dos campos se oponen entre sí. Los alambres son forzados en la dirección del campo débil, uno hacia el otro. Esta fuerza es del tipo de atracción.

En B, la circulación de electrones en los dos conductores se da en direcciones opuestas. Los campos magnéticos son, por lo tanto, en sentido horario uno y el otro en sentido anti horario, como se muestra. Los campos se refuerzan entre sí entre los cables, y los cables son forzados en la dirección del campo mas débil, alejándose del otro. Esta es una fuerza de repulsión.

Para resumir: los conductores que llevan corriente en la misma dirección tienden a atraerse entre sí, los conductores que llevan corriente en direcciones opuestas tienden a repelerse entre sí.

b. Desarrollo del Torque

Si una bobina en la que la corriente está fluyendo se coloca en un campo magnético, se produce una fuerza  que hará que la bobina gire. En la bobina que se muestra en la figura 3, la corriente fluye hacia el interior en el lado A y hacia afuera en el lado B. El campo magnético sobre B es horario y que está sobre A, es de sentido antihorario. Como se explicó anteriormente, se desarrolla una fuerza que empuja al lado B hacia abajo. Al mismo tiempo, el campo de los imanes y el campo sobre A, en el que la corriente está hacia el interior, empujará a el lado A hacia arriba. La bobina girará así hasta que su plano sea perpendicular a las líneas magnéticas entre los polos norte y sur del imán, como se indica en la figura 3 por la bobina de blanco en ángulo recto a la bobina de negro.

Figura 3. Desarrollo del torque

La tendencia de una fuerza a producir la rotación se denomina par o torque. El par se desarrolla por los campos magnéticos que reaccionan sobre la bobina de transporte de corriente que se acaba de describir. Este es el par de torsión que gira la bobina.

La regla de la mano derecha del motor se puede utilizar para determinar la dirección en que un cable portador de corriente se mueve en un campo magnético. Como se ilustra en la figura 4, si el dedo índice de la mano derecha se apunta en la dirección del campo magnético y el segundo dedo en la dirección del flujo de corriente. El pulgar indicará la dirección en que el conductor que transporta  corriente se moverá.

Figura 4. Regla de la mano derecha para los motores

Figura 6. Operación básica de un motor de corriente continua.

La cantidad de par que se desarrolla en una bobina depende de varios factores: la intensidad del campo magnético, el número de vueltas en la bobina, y la posición de la bobina en el campo.

c. Motor Básico de corriente continua

Una bobina de alambre, a través de la cual fluye la corriente, girará cuando se coloca en un campo magnético. Esta es la base técnica que rige la construcción de un motor de CC. La figura 6 muestra una bobina montada en un campo magnético en el que ésta puede girar. Sin embargo, si los cables de conexión de la batería estuvieran conectados permanentemente a los terminales de la bobina y no hubiera flujo de corriente, la bobina sólo  giraría hasta que se alineara con el campo magnético. Entonces, se detendría, porque el par de torsión en ese punto sería cero.

Un motor, por supuesto, debe continuar girando. Es necesario, por lo tanto,  diseñar un dispositivo que invierta la corriente en la bobina justo en el momento que la bobina alcanza a estar paralela a las líneas de fuerza. Esto creará un par de nuevo y hará que la bobina gire. Si el dispositivo reversión de corriente está diseñado para invertir la corriente cada vez que la bobina está a punto de parar, la bobina se puede hacer girar en forma continua tanto como se desee.

Un método para hacer esto es conectar el circuito de modo que, a medida que la bobina gira, cada contacto se deslice fuera del terminal al que se conecta y haga contacto sobre el terminal de polaridad opuesta. En otras palabras, los contactos de la bobina cambian de terminales forma continua a medida que la bobina gira, preservando el par de torsión y manteniendo la bobina en rotación.

En la figura 6, los segmentos terminales de bobina están etiquetados A y B. A medida que la bobina gira, los segmentos se deslizan por encima de los terminales fijos o escobillas y los pasan. Con esta disposición, la dirección de la corriente en el lado de la bobina próximo al polo buscando al norte fluye hacia el lector, y la fuerza que actúa sobre ese lado de la bobina la gira hacia abajo. La parte del motor que cambia la corriente de un alambre a otro se llama el colector.

El par de torsión en un motor que contiene sólo una bobina única no es ni continuo ni muy efectivo, ya que hay dos posiciones en las que en realidad no existe torsión en absoluto. Para superar esto, un práctico motor de corriente continua contiene un gran número de bobinas enrolladas en la armadura o inducido. Estas bobinas están espaciadas de modo que, para cualquier posición de la armadura, habrá bobinas cerca de los polos del imán. Esto hace que el par de torsión sea a la vez continuo y fuerte. El colector, del mismo modo, contiene un gran número de segmentos en lugar de sólo dos.

El inducido en un motor práctico no se coloca entre los polos de un imán permanente, sino entre los de un electroimán, ya que así un campo magnético mucho más fuerte puede ser suministrado. El núcleo se hace generalmente de acero suave o recocido, que puede ser magnetizado fuertemente por inducción. La corriente de magnetización del electroimán es de la misma fuente que suministra la corriente a la armadura.

2. Construcción de motores de corriente continua

Las partes principales de los motores y los generadores de corriente directa (continua) son esencialmente las mismas.

Las partes principales de un motor práctico son el conjunto de armadura, el conjunto de campo, el conjunto de escobillas, y los extremos de carcasa.

Figura : Partes principales de un motor eléctrico de corriente continua

a. La armadura

El conjunto de armadura o inducido contiene un núcleo laminado de hierro dulce,  bobinas, y un conmutador o colector, todo montado en un eje de acero giratorio. Las laminaciones están hechas de hierro dulce apilado, aislados uno de otro, formando el núcleo de la armadura. El hierro sólido no se utiliza, ya que un núcleo sólido de iones que gira en un campo magnético se calentaría y utilizaría energía innecesariamente. Las bobinas de la armadura están hechas de alambre de cobre aislado, que se insertan en ranuras aisladas con papel de fibra (papel de pescado) para proteger los devanados. Los extremos de los arrollamientos están conectados a los segmentos del colector. Cuñas o bandas de acero sostienen las bobinas en su lugar para evitar que se resbalen de las ranuras cuando el inducido está girando a altas velocidades. El conmutador se compone de un gran número de segmentos de cobre aislados entre sí y del eje del inducido por piezas de mica. Aislados anillos de cuña mantienen los segmentos en su lugar.

En un motor, la armadura recibe corriente de una fueme eléctrica externa, lo cual hace que la armadura gire. En un generador, la armadura gira por una fuerza mecánica externa. El voltaje que se genera en la armadura seconecta a un circuito externo. En síntesis, la armadura del motor recibe corriente de un circuito externo (la fuente de alimentación eléctrica) y la armadura del generador suministra corriente a un circuito externo (la carga). Como la armadura gira, se le llama también rotor.

b. Devanado de campo

Este electroimán produce el flujo que corta la armadura. En un motor, la corriente para el campo es proporcionada por la misma fuente que alimenta a la armadura. En un generador, la corriente que produce el campo puede provenir de una fuente externa llamada excitatriz o de la salida de su propia armadura.

El conjunto de campo consiste en el marco del campo, las piezas polares, y las bobinas de campo. El marco de campo está situado a lo largo de la pared interior de la carcasa del motor. Contiene piezas laminadas polares de acero blando en la que las bobinas de campo se bobinan. Una bobina consta de varias vueltas de alambre aislado, se ajusta sobre cada pieza polar y, junto con la pieza polar , constituye un polo de campo. Algunos motores tienen tan sólo dos polos, otros tantos como ocho.

c. Escobillas

El conjunto de escobillas consta de las escobillas y sus soportes. Las escobillas son generalmente pequeños bloques de carbono grafítico que se montan con un resorte para que resbalen o rocen el conmutador en el eje o flecha de la armadura, ya que este material tiene una larga vida de servicio y también provoca un desgaste mínimo al colector. Los soportes permiten un cierto juego en las escobillas para que puedan seguir las irregularidades en la superficie del colector y hacer buen contacto, de esta manera, las escobillas proporcionan la conexión entre las bobinas de la armadura y la carga externa. Los resortes mantienen las escobillas firmemente contra el colector. Un colector y dos tipos de escobillas se muestran en la figura siguiente.

Escobillas

Figura 7 . Inducido y escobillas

d. Extremo de bastidor

El extremo de bastidor es la parte del motor opuesta al conmutador. Normalmente, el extremo de bastidor está diseñado de manera que pueda ser conectado a la unidad a ser impulsada. El cojinete para el extremo de accionamiento también se encuentra en el extremo de bastidor. A veces, el extremo de bastidor se hace formar parte de la unidad accionada por el motor.

Cuando se hace esto, el cojinete en el lado de accionamiento puede estar situado en cualquiera de una serie de lugares.

 

e. Conmutador

Una máquina de CC tiene un conmutador para convertir corriente a alterna que fluye en su armadura en corriente en continua en sus terminales (en el caso del generador). El conmutador consiste de segmentos de cobre, de los cuales hay un par por cada bobina de la armadura. Cada segmento del conmutador está aislado de los demás con m¡ca. Los segmentos están montados sobre el eje de la armadura y aislados de éste y del hierro de la armadura. En el boastidor de la máquina, se montan escobillas estacionarias de manera que hagan contacto con segmentos opuestos del conmutador.

PÉRDIDAS DE UNA MÁQUINA DE CORRIENTE CONTINUA

Las pérdidas en los generadores y en los motores son causadas por pérdidas en el cobre de los circuitos eléctricos y las pérdidas mecánicas debidas a la rotación de la máquina. Las pérdidas incluyen:

1. Pérdidas en el cobre
(a) Perdidas I2R en la armadura
(b) Pérdidas en el campo
(1) I2R del campo en derivación
(2) I2R del campo en serie
2. Pérdidas mecánicas o rotacionales
(a) Pérdidas en el hierro
(1) Pérdida por las corrienres parásitas
(2) Pérdidas por histéresis
(b) Pérdidas por fricción
(1) Fricción en las chumaceras o cojinetes
(2) Fricción de las escobillas
(3) Pérdida por rozamiento o fricción con el aire

 

Aparecen pérdidas en el cobre porque se usa potencia cuando se hace que pase corriente por una resistencia. Al girar la armadura en el campo magnético, la fem inducida en las partes de hierro produce corrientes parásitas cuya circulación calienta al hierro y lo que representa energía desperdiciada. También resultan pérdidas por histéresis cuando se magnetiza un material magnético primero en una dirección y luego en la dirección contraria. Otras pérdidas rotacionales son causadas por la fricción en cojinetes o chumaceras, la de las escobillas al rozar sobre el conmutador y la resistencia del aire.

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