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Tipos de motores de corriente continua

Los motores de corriente continua pueden ser identificados por dos factores principales. Los motores se clasifican por el tipo de conexión de armadura de campo  de utilizado, y por el tipo de servicio para el que están diseñados.

a. Conexiones de armadura de campo

Hay tres tipos básicos de motores de corriente continua: (I) motores en serie. (2) motores con derivación, y (3) motores compuestos. Se diferencian en gran medida en el método en el que están conectados a su campo y la armadura

(1) Motor de corriente continua serie

En el motor en serie, los devanados de campo constan de un número relativamente reducido de vueltas de alambre grueso, están conectados en serie con el devanado del inducido. Esta conexión se ilustra en la figura . La misma corriente que fluye a través del devanado de campo, también fluye a través del devanado del inducido. Cualquier aumento en la corriente, por lo tanto, refuerza el magnetismo tanto del campo como del inducido.

Debido a la baja resistencia en los devanados, el motor en serie es capaz de requerir una gran corriente en el arranque. Esta corriente de arranque, al pasar por el campo y bobinas del inducido, produce un alto par de arranque, que es la principal ventaja de motor en serie.

La velocidad de un motor en serie depende de la carga. Cualquier cambio en la carga es acompañado por un cambio sustancial en la velocidad. Un motor en serie funciona a alta velocidad cuando tiene una carga ligera y a baja velocidad y con una carga pesada. Si la carga se elimina por completo, el motor puede funcionar a una velocidad tan alta que el inducido se destruya, si alto par de arranque se necesita bajo condiciones de carga pesada, los motores serie tienen muchas aplicaciones. Los motores serie se utilizan a menudo en aviones como arrancadores de motor y para subir y bajar el tren de aterrizaje, aletas del capó y alerones.

Figura 1. Motor en serie

(2) Motor de corriente continua con derivación

En el motor con derivación, el devanado de campo está conectado en paralelo, o en derivación con el devanado del inducido. (Véase la figura 2) . La resistencia en el devanado de campo es alta. Puesto que el devanado de campo está conectado directamente a través de la fuente de alimentación, la corriente a través del campo es constante. La corriente de campo no varía con la velocidad del motor, como en el motor serie y, por lo tanto, el par del motor con derivación variará sólo con la corriente a través del inducido. El par desarrollado en el arranque es menor que el desarrollado por un motor serie de igual tamaño.

 

Figura 2. Motor con derivación

La velocidad del motor con derivación varía poco con los cambios en la carga. Cuando toda la carga se quita, este toma una velocidad ligeramente superior a la velocidad con carga. Este motor es particularmente adecuado para su uso cuando se desea una velocidad constante y cuando no se necesita un alto par de arranque.

Figura 3. Motor compuesto

(3) Motor de corriente continua compuesto

El motor compuesto es una combinación de los motores serie y con derivación. Hay dos bobinados en el campo: un bobinado derivación y un bobinado serie. Un diagrama esquemático de un motor compuesto se muestra en la figura 3. El bobinado derivación se compone de muchas vueltas de alambre fino y está conectado en paralelo con el devanado del inducido. El devanado en serie consta de unas cuantas vueltas de alambre grueso y está conectado en serie con el devanado del inducido. El par de arranque es mayor que en el motor en derivación, pero menor que en el motor serie. La variación de la velocidad con la carga es menor que en un motor en bobinado en serie, pero mayor que en un motor en derivación. El motor compuesto se usa siempre que las características combinadas de motores serie y en derivación sean las requeridas.

b. Tipo de servicio

Los motores eléctricos están llamados a operar bajo diversas condiciones. Algunos motores se utilizan para operaciones intermitentes, mientras que otros pueden funcionar de manera continua. Los motores construidos para servicio intermitente pueden ser operados sólo por períodos breves y después, se debe permitir que se enfríen antes de ser operados de nuevo. Si un motor se hace funcionar durante largos períodos de tiempo bajo carga total, el motor se sobrecalienta. Los motores construidos bajo servicio continuo pueden funcionar a regímenes inferiores durante largos períodos.

Velocidad de motor y dirección

Algunas aplicaciones pueden requerir motores cuya velocidad o dirección sean cambiadas. Esto puede incluir desde limpiadores de vidrios de velocidades variables, a cambiar la dirección de retracción del motor del tren de aterrizaje. Ciertos cambios internos o externos pueden hacerse en el diseño del motor para permitir estas operaciones.

a. Inversión de la dirección del motor

Al invertir la dirección del flujo de corriente tanto del inducido como de los devanados de campo, la dirección de la rotación del motor puede ser invertida.

Esto invertirá el magnetismo tanto del inducido como del campo magnético en el que el inducido gira. Si los cables que conectan el motor a una fuente externa se intercambian, la dirección de rotación no será invertida, ya que al cambiar estos cables se invierte el magnetismo de campo y de inducido y deja el par de torsión en la misma dirección que antes.

Figura 4. Motor serie de campo partido.

Un método para invertir la dirección de rotación emplea dos devanados de campo enrollados en direcciones opuestas en el mismo polo. Este tipo de motor se llama motor de campo partido. La figura 4 muestra un motor  serie con un devanado de campo partido. La llave conmutadora de polo único y doble contacto hace posible circular corriente continua en cualquiera de los dos devanados. Cuando llave conmutadora está en la posición más baja, la corriente fluye a través del campo inferior del bobinado, creando un polo norte en el devanado de campo inferior y en la pieza polar inferior, y un polo sur en la parte superior del polo. Cuando la llave conmutadora está en la posición superior, la corriente fluye a través del devanado de campo superior, el magnetismo del campo se invierte, y el inducido gira en la dirección opuesta. Algunos motores campo partido se construyen con dos devanados de campo separados enrollados en polos alternativos. El inducido de tal motor, un motor de cuatro polos reversible, gira en una dirección cuando la corriente fluye a través de los devanados de un conjunto de piezas polares opuestas, y en la dirección opuesta cuando la corriente fluye a través de la otra serie de devanados.

Figura 5. Método de conmutación para inversión de dirección de motor

Otro método de reversión, llamado el método de cambio, emplea una llave de doble polo, doble juego de contactos que cambia la dirección del flujo de corriente, ya sea en el inducido como en el campo. En la ilustración de la llave mostrada en la figura 5, la dirección de la corriente se puede invertir a través del campo, pero no a través de la inducido.

Cuando el interruptor está en la posición "arriba", la corriente fluye a través de los devanados de campo para establecer un polo norte en el lado derecho del motor y un polo sur en el lado izquierdo del motor. Cuando el interruptor se mueve a la posición "abajo", esta polaridad se invierte y el inducido gira en la dirección opuesta.

b. Cambio de la velocidad del motor

La velocidad del motor puede ser controlada variando la corriente en los devanados de campo. Cuando la cantidad de corriente que fluye a través de los devanados de campo se incrementa, también lo hace la resistencia de campo, entonces el motor se ralentiza debido a que una mayor cantidad de campo opuesto es generada en los devanados del inducido. Cuando la corriente de campo se disminuye, y disminuye la intensidad de campo, y el motor se acelera porque la fuerza contra electromotriz se reduce. Un motor en el que se puede controlar la velocidad se denomina motor de velocidad variable, éste puede ser un motor serie o bien en derivación.

Figura 6. Motor con derivación con control de velocidad variable

En el motor en derivación, la velocidad está controlada por un reóstato en serie con el devanado de campo (figura 6). La velocidad depende de la cantidad de corriente que fluye a través del reóstato para los devanados de campo. Para aumentar la velocidad del motor, la resistencia en el reóstato se aumenta, lo que disminuye la corriente de campo. Como resultado de ello, hay una disminución en la fuerza del campo magnético y de la fuerza contra electromotriz (fcem). Esto aumenta momentáneamente la corriente de inducido y el torque, el motor acelerará automáticamente hasta que la fcem aumente y haga que la corriente de inducido disminuya a su valor anterior. Cuando esto ocurre. El motor funcionará a una velocidad fija más alta que antes.

Para disminuir la velocidad del motor, la resistencia del reóstato se disminuye. Más corriente circula a través de los devanados de campo y aumenta la fuerza del campo, y luego, la fcem aumenta momentáneamente y disminuye la corriente del inducido. Como resultado, el par disminuye y el motor se frena hasta la fcem disminuya a su valor anterior, y luego el motor funcionará a una velocidad fija más baja que antes.

Figura 7. Controlando la velocidad de un motor serie

En el motor de serie (figura 7), el reóstato de control de velocidad está conectado ya sea en paralelo o en serie con la excitación del motor, o en paralelo con el inducido del motor. Cuando el reóstato está configurado para su máxima resistencia, la velocidad del motor se incrementa en la conexión en paralelo del inducido por una disminución de la corriente. Cuando la resistencia del reóstato es máxima en la conexión en serie, la velocidad del motor se reduce por una reducción de la tensión a través del motor. Para el funcionamiento a velocidad superior a la normal, el reóstato está en paralelo con el campo de serie. Parte del campo serie se desvía y el motor se acelera.

Pérdidas de energía en motores de corriente continua

 

Las pérdidas se producen cuando la energía eléctrica se convierte en energía mecánica (en el motor), o la energía mecánica se convierte en energía eléctrica (en el generador), para que la máquina sea eficiente, estas pérdidas se deben mantener a un mínimo. Algunas pérdidas son eléctricas, otras son mecánicas. Las pérdidas eléctricas se clasifican como pérdidas en el cobre y las pérdidas en el hierro; las pérdidas mecánicas se producen al superar la fricción en varias partes de la máquina.

Las pérdidas en el cobre se producen cuando los electrones son forzados a circular a través de los arrollamientos de cobre del inducido y del campo. Estas pérdidas son proporcionales al cuadrado de la corriente. A veces se llaman pérdidas I2R, ya que son debido a la potencia disipada en forma de calor en la resistencia del campo y bobinas del inducido.

Las pérdidas en el hierro se subdividen en pérdidas por histéresis y por corrientes parásitas (corrientes de Foucault). Las pérdidas de histéresis son causadas por la rotación del inducido en un campo magnético alterno. Este, por lo tanto, se magnetiza primero en una dirección y luego en la otra. El magnetismo residual del hierro o del acero del que está hecho el inducido causa estas pérdidas, ya que los imanes de campo siempre están magnetizados en una dirección (campo de corriente continua), estos no tienen pérdidas por histéresis.

Las pérdidas por corrientes parásitas se producen porque el núcleo de hierro del inducido es un conductor que gira en un campo magnético. Esto produce una fuerza electromotriz a través de partes del núcleo, haciendo que las corrientes fluyan dentro del mismo, estas corrientes calientan el núcleo y, si llegan a ser excesivas, pueden dañar los devanados. En cuanto a la producción se refiere, la potencia consumida por corrientes de Foucault es una pérdida. Para reducir las corrientes de Foucault a un mínimo, se utiliza normalmente un núcleo laminado. Un núcleo laminado está hecho de láminas delgadas de hierro aisladas eléctricamente unas de otras. La aislación entre laminaciones reduce las corrientes de Foucault, porque es "transversal" a la dirección en que estas corrientes tienden a fluir. Sin embargo, no tiene ningún efecto sobre el circuito magnético. Cuanto más delgadas las laminaciones, más eficaz es este método para reducir las pérdidas por corrientes parásitas.

Inspección y mantenimiento de motores de corriente continua

La inspección y el mantenimiento de motores de corriente continua deben estar en conformidad con las directrices establecidas por el fabricante. A continuación se indican los tipos de controles de mantenimiento requeridos:

a. Verificar el funcionamiento de la unidad accionada por el motor de acuerdo con las instrucciones relacionadas con la instalación específica.

b. Revise estado general y de seguridad de todo el cableado, conexiones, terminales, fusibles e interruptores.

c. Mantener los motores limpios y pernos de montaje ajustados.

d. Controlar las escobillas para ver la condición, longitud y tensión del resorte. Longitudes mínimas de escobillas, la tensión correcta del resorte y los procedimientos para la sustitución de las escobillas se dan en las instrucciones del fabricante correspondiente.

e. Inspeccione estado del conmutador, limpieza, picaduras, desgaste, robustez, corrosión o quemaduras. Verifique las alturas de la mica (si el cobre se desgasta por debajo de la mica, la mica aislará las escobillas del colector). Limpie los conmutadores sucios con un paño humedecido con el solvente de limpieza recomendado. Pula los colectores ásperos o corroídos con papel de lija fino (000 o más fino) y sóplelo con aire comprimido. Nunca use papel de esmeril, ya que contiene partículas metálicas que podrían causar cortocircuitos. Cambie el motor si el conmutador está quemado, muy picado, con ranuras, o desgastado hasta el punto de que el aislamiento de mica esté al ras de la superficie del colector.

f. Inspeccione todo el cableado expuesto para ver si hay evidencia de sobrecalentamiento. Reemplace el motor si el aislamiento en los conductores o devanados está quemado, agrietado o frágil.

g. Lubricar sólo si se requiere en las instrucciones del fabricante. La mayoría de los motores utilizados en los aviones de hoy en día no requieren lubricación entre revisiones técnicas

h. Ajustar y lubricar la caja de reducciones, o la unidad a la que el motor transmite movimiento, de acuerdo con las instrucciones del fabricante correspondiente que corresponde a la unidad.

Cuando los problemas se presentan en un sistema de motor de corriente continua, trate primero de determinar el origen del problema. Cambie el motor sólo cuando el problema se debe a un defecto en el motor mismo. En la mayoría de los casos, la falla operativa de un motor es causada por un defecto en el circuito eléctrico externo, o por un fallo mecánico en el mecanismo accionado por el motor.

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