Motor eléctrico

El rotor es la parte móvil que transmite la potencia mecánica. El rotor generalmente contiene conductores que transportan corrientes, sobre los cuales el campo magnético del estator ejerce una fuerza para hacer girar el eje. ^{[ 2 ]}

El estator rodea el rotor y generalmente contiene imanes de campo, que pueden ser electroimanes (bobinados de alambre alrededor de un núcleo de hierro ferromagnético) o imanes permanentes . Estos crean un campo magnético que atraviesa la armadura del rotor, ejerciendo fuerza sobre los bobinados del rotor. El núcleo del estator está formado por numerosas láminas metálicas delgadas, aisladas entre sí y denominadas laminaciones. Estas laminaciones están hechas de acero eléctrico , que posee una permeabilidad magnética, histéresis y saturación específicas. Las laminaciones reducen las pérdidas que resultarían de las corrientes parásitas circulantes inducidas que fluirían si se utilizara un núcleo sólido. Los motores de corriente alterna alimentados por la red eléctrica suelen inmovilizar los cables dentro de los bobinados impregnándolos con barniz al vacío. Esto evita que los cables del bobinado vibren entre sí, lo que desgastaría el aislamiento de los cables y provocaría fallos prematuros. Los motores con encapsulado de resina, utilizados en bombas sumergibles para pozos profundos, lavadoras y aires acondicionados, encapsulan el estator en resina plástica para prevenir la corrosión y/o reducir el ruido conducido. ^{[ 3 ]}

Un espacio de aire entre el estator y el rotor permite su giro. El ancho de este espacio influye significativamente en las características eléctricas del motor. Generalmente, se procura que sea lo más pequeño posible, ya que un espacio grande reduce el rendimiento. Por el contrario, un espacio demasiado pequeño puede generar fricción, además de ruido.

La armadura consta de bobinas de alambre sobre un núcleo ferromagnético . La corriente eléctrica que pasa a través del alambre provoca que el campo magnético ejerza una fuerza ( fuerza de Lorentz ) sobre él, haciendo girar el rotor. Las bobinas son alambres enrollados alrededor de un núcleo ferromagnético laminado de hierro dulce, de manera que forman polos magnéticos al ser energizados con corriente.

Las máquinas eléctricas se presentan en configuraciones de polos salientes y no salientes. En un motor de polos salientes, los núcleos ferromagnéticos del rotor y el estator tienen proyecciones llamadas polos que se enfrentan entre sí. Se enrolla un cable alrededor de cada polo debajo de la cara polar, que se convierten en polos norte o sur cuando fluye corriente a través del cable. En un motor de polos no salientes (de campo distribuido o de rotor redondo), el núcleo ferromagnético es un cilindro liso, con los devanados distribuidos uniformemente en ranuras alrededor de la circunferencia. Al suministrar corriente alterna a los devanados, se crean polos en el núcleo que giran continuamente. ^{[ 4 ]} Un motor de polos sombreados tiene un devanado alrededor de una parte del polo que retrasa la fase del campo magnético para ese polo.

Un conmutador es un interruptor eléctrico rotativo que suministra corriente al rotor. Invierte periódicamente el flujo de corriente en los devanados del rotor a medida que el eje gira. Consiste en un cilindro compuesto por múltiples segmentos de contacto metálicos en la armadura . Dos o más contactos eléctricos llamados escobillas, hechas de un material conductor blando como el carbono , presionan contra el conmutador. Las escobillas hacen contacto deslizante con los segmentos sucesivos del conmutador a medida que el rotor gira, suministrando corriente al rotor. Los devanados del rotor están conectados a los segmentos del conmutador. El conmutador invierte la dirección de la corriente en los devanados del rotor con cada media vuelta (180°), por lo que el par aplicado al rotor siempre está en la misma dirección. ^{[ 5 ]} Sin esta inversión, la dirección del par en cada devanado del rotor se invertiría con cada media vuelta, deteniendo el rotor. Los motores con conmutador han sido reemplazados en su mayoría por motores sin escobillas , motores de imanes permanentes y motores de inducción .

El eje del motor se extiende fuera del motor, donde soporta la carga. Debido a que las fuerzas de la carga se ejercen más allá del cojinete más externo, se dice que la carga está en voladizo. ^{[ 6 ]}

El rotor está soportado por cojinetes , que permiten que el rotor gire sobre su eje transfiriendo la fuerza de las cargas axiales y radiales del eje a la carcasa del motor. ^{[ 6 ]}

Antes de los motores electromagnéticos modernos, se investigaron motores experimentales que funcionaban mediante fuerza electrostática. Los primeros motores eléctricos fueron dispositivos electrostáticos simples descritos en experimentos por el monje escocés Andrew Gordon y el experimentador estadounidense Benjamin Franklin en las décadas de 1740 ^{[ 8 ] [ 9 ]} y 1750. ^{[ 10 ]} El principio teórico en el que se basan, la ley de Coulomb , fue descubierto, pero no publicado, por Henry Cavendish en 1771. Esta ley fue descubierta independientemente por Charles-Augustin de Coulomb en 1785, quien la publicó, por lo que ahora se la conoce con su nombre. ^{[ 11 ]} Debido a la dificultad de generar los altos voltajes que requerían, los motores electrostáticos nunca se utilizaron para fines prácticos.

La invención de la batería electroquímica por Alessandro Volta en 1799 ^{[ 12 ]} hizo posible la producción de corrientes eléctricas continuas. Hans Christian Ørsted descubrió en 1820 que una corriente eléctrica crea un campo magnético, que puede ejercer una fuerza sobre un imán. A André-Marie Ampère le bastaron unas pocas semanas para desarrollar la primera formulación de la interacción electromagnética y presentar la ley de Ampère , que describe la producción de fuerza mecánica por la interacción de una corriente eléctrica y un campo magnético. ^{[ 13 ]}

Michael Faraday realizó la primera demostración del efecto con un movimiento rotatorio el 3 de septiembre de 1821 en el sótano de la Royal Institution . ^{[ 14 ]} Un alambre colgante fue sumergido en un recipiente con mercurio, sobre el cual se colocó un imán permanente (PM) . Al hacer pasar una corriente a través del alambre, este giró alrededor del imán, demostrando que la corriente generaba un campo magnético circular cercano alrededor del alambre. ^{[ 15 ]} Faraday publicó los resultados de su descubrimiento en el Quarterly Journal of Science y envió copias de su artículo junto con modelos de bolsillo de su dispositivo a colegas de todo el mundo para que también pudieran presenciar el fenómeno de las rotaciones electromagnéticas. ^{[ 14 ]} Este motor se utiliza frecuentemente en experimentos de física, sustituyendo el mercurio (tóxico) por salmuera . La rueda de Barlow fue un perfeccionamiento temprano de esta demostración de Faraday, aunque estos y otros motores homopolares similares no fueron adecuados para aplicaciones prácticas hasta finales de siglo.

En 1827, el físico húngaro Ányos Jedlik comenzó a experimentar con bobinas electromagnéticas . Tras resolver los problemas técnicos de la rotación continua con la invención del conmutador , Jedlik denominó a sus primeros dispositivos "autorrotores electromagnéticos". Aunque se utilizaron únicamente con fines didácticos, en 1828 Jedlik demostró el primer dispositivo que contenía los tres componentes principales de los motores de corriente continua prácticos : el estator , el rotor y el conmutador. El dispositivo no empleaba imanes permanentes, ya que los campos magnéticos de los componentes fijos y giratorios se producían únicamente por las corrientes que circulaban por sus bobinados. ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]}

El primer conmutadorEl motor eléctrico de CC capaz de hacer girar maquinaria fue inventado por el científico inglés William Sturgeon en 1832. ^{[ 24 ]} Tras el trabajo de Sturgeon, los inventores estadounidenses Thomas Davenport y Emily Davenport construyeron un motor eléctrico de corriente continua de tipo conmutador, ^{[ 25 ]} que él patentó en 1837. Los motores funcionaban a hasta 600 revoluciones por minuto y alimentaban máquinas herramienta y una imprenta. ^{[ 26 ]} Debido al alto costo de las baterías primarias , los motores no tuvieron éxito comercial y llevaron a la bancarrota a los Davenport. Varios inventores siguieron a Sturgeon en el desarrollo de motores de CC, pero todos se encontraron con los mismos problemas de costo de las baterías. Como noexistía un sistema de distribución de electricidad en ese momento, no surgió un mercado comercial práctico para estos motores. ^{[ 27 ]}

Tras numerosos intentos, más o menos exitosos, con aparatos rotativos y alternativos relativamente débiles, el germano-ruso Moritz von Jacobi creó el primer motor eléctrico rotativo realmente útil en mayo de 1834. Este motor desarrolló una notable potencia mecánica. Su motor estableció un récord mundial, que Jacobi mejoró cuatro años después, en septiembre de 1838. ^{[ 28 ]} Su segundo motor fue lo suficientemente potente como para impulsar una embarcación eléctrica con 14 personas a través de un río ancho. También entre 1839 y 1840, otros desarrolladores lograron construir motores con un rendimiento similar y posteriormente superior.

En 1827-1828, Jedlik construyó un dispositivo que utilizaba principios similares a los empleados en sus autorrotores electromagnéticos, capaz de realizar un trabajo útil. ^{[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] [ 17 ] [ 23 ]} Ese mismo año construyó un modelo de vehículo eléctrico . ^{[ 35 ]}

Un punto de inflexión importante se produjo en 1864, cuando Antonio Pacinotti describió por primera vez la armadura anular (aunque inicialmente concebida en un generador de CC, es decir, una dinamo). ^{[ 13 ]} Esta presentaba bobinas agrupadas simétricamente cerradas sobre sí mismas y conectadas a las barras de un conmutador, cuyas escobillas proporcionaban una corriente prácticamente no fluctuante. ^{[ 36 ] [ 37 ]} Los primeros motores de CC de éxito comercial siguieron a los desarrollos de Zénobe Gramme , quien, en 1871, reinventó el diseño de Pacinotti y adoptó algunas soluciones de Werner Siemens .

Una ventaja para las máquinas de CC provino del descubrimiento de la reversibilidad de la máquina eléctrica, que fue anunciado por Siemens en 1867 y observado por Pacinotti en 1869. ^{[ 13 ]} Gramme lo demostró accidentalmente con motivo de la Exposición Universal de Viena de 1873 , cuando conectó dos de estos dispositivos de CC a una distancia de hasta 2  km entre sí, utilizando uno de ellos como generador y el otro como motor. ^{[ 38 ]}

Friedrich von Hefner-Alteneck, de Siemens & Halske , introdujo el rotor de tambor en 1872 para reemplazar la armadura anular de Pacinotti, mejorando así la eficiencia de la máquina. ^{[ 13 ]} Siemens & Halske introdujo el rotor laminado al año siguiente, logrando menores pérdidas en el hierro y mayores voltajes inducidos. En 1880, Jonas Wenström dotó al rotor de ranuras para alojar el bobinado, aumentando aún más la eficiencia.

En 1886, Frank Julian Sprague inventó el primer motor de corriente continua práctico, un dispositivo que no producía chispas y que mantenía una velocidad relativamente constante bajo cargas variables. Otros inventos eléctricos de Sprague de esa época mejoraron enormemente la distribución eléctrica de la red (trabajo previo realizado mientras trabajaba para Thomas Edison ), permitieron que la energía de los motores eléctricos se devolviera a la red eléctrica, facilitaron la distribución eléctrica a los tranvías mediante cables aéreos y el poste del tranvía, y proporcionaron sistemas de control para las operaciones eléctricas. Esto permitió a Sprague utilizar motores eléctricos para inventar el primer sistema de tranvía eléctrico entre 1887 y 1888 en Richmond, Virginia , el ascensor eléctrico y su sistema de control en 1892, y el metro eléctrico con vagones de control centralizado y alimentación independiente. Estos últimos se instalaron por primera vez en 1892 en Chicago por el South Side Elevated Railroad , donde se popularizó como el " L ". El motor de Sprague y sus inventos relacionados impulsaron un gran interés y uso de los motores eléctricos en la industria. El desarrollo de motores eléctricos de eficiencia aceptable se retrasó durante varias décadas debido a que no se reconoció la extrema importancia del entrehierro entre el rotor y el estator. Los diseños eficientes tienen un entrehierro relativamente pequeño. ^{[ 39 ] [ a ]} ​​El motor de St. Louis, utilizado durante mucho tiempo en las aulas para ilustrar los principios de los motores, es ineficiente por la misma razón, además de no parecerse en nada a un motor moderno. ^{[ 41 ]}

Los motores eléctricos revolucionaron la industria. Los procesos industriales ya no estaban limitados por la transmisión de potencia mediante ejes, correas, aire comprimido o presión hidráulica. Ahora, cada máquina podía equiparse con su propia fuente de energía, lo que facilitaba el control en el punto de uso y mejoraba la eficiencia de la transmisión de potencia. Los motores eléctricos aplicados en la agricultura eliminaron la necesidad de fuerza muscular humana y animal en tareas como el manejo de granos y el bombeo de agua. El uso doméstico de motores eléctricos (como lavadoras, lavavajillas, ventiladores, aires acondicionados y refrigeradores) redujo el trabajo pesado en el hogar y permitió mayores niveles de comodidad, confort y seguridad. Hoy en día, los motores eléctricos consumen más de la mitad de la energía eléctrica producida en Estados Unidos. ^{[ 42 ]}

En 1824, el físico francés François Arago formuló la existencia de campos magnéticos giratorios , denominados rotaciones de Arago , que, al encender y apagar manualmente interruptores, Walter Baily demostró en 1879 como, en efecto, el primer motor de inducción primitivo . ^{[ 43 ] [ 44 ] [ 45 ] [ 46 ]} En la década de 1880, muchos inventores intentaban desarrollar motores de CA funcionales ^{[ 47 ]} porque las ventajas de la CA en la transmisión de alto voltaje a larga distancia se veían contrarrestadas por la imposibilidad de operar motores con CA.

El primer motor de inducción de corriente alterna sin conmutador fue inventado por Galileo Ferraris en 1885. Ferraris logró mejorar su primer diseño mediante la creación de configuraciones más avanzadas en 1886. ^{[ 48 ]} En 1888, la Real Academia de Ciencias de Turín publicó la investigación de Ferraris que detallaba los fundamentos del funcionamiento del motor, aunque concluyó en ese momento que "el aparato basado en ese principio no podría tener ninguna importancia comercial como motor". ^{[ 46 ] [ 49 ] [ 50 ]}

Nikola Tesla vislumbró el posible desarrollo industrial , inventando de forma independiente su motor de inducción en 1887 y obteniendo una patente en mayo de 1888. Ese mismo año, Tesla presentó su trabajo «Un nuevo sistema de motores y transformadores de corriente alterna» al AIEE , en el que describía tres tipos patentados de motores bifásicos de cuatro polos en el estator: uno con un rotor de cuatro polos que formaba un motor de reluctancia no autoarrancable , otro con un rotor bobinado que formaba un motor de inducción autoarrancable , y el tercero un verdadero motor síncrono con alimentación de CC excitada por separado al bobinado del rotor. Sin embargo, una de las patentes que Tesla registró en 1887 también describía un motor de inducción con rotor de bobinado cortocircuitado. George Westinghouse , que ya había adquirido los derechos de Ferraris (US$1,000), compró rápidamente las patentes de Tesla (US$60,000 más US$2.50 por hp vendido, pagado hasta 1897), ^{[ 48 ]} empleó a Tesla para desarrollar sus motores y asignó a CF Scott para ayudar a Tesla; sin embargo, Tesla se fue a otras actividades en 1889. ^{[ 51 ] [ 52 ] [ 53 ] [ 54 ]} Se descubrió que el motor de inducción de CA de velocidad constante no era adecuado para los tranvías, ^{[ 47 ]} pero los ingenieros de Westinghouse lo adaptaron con éxito para alimentar una operación minera en Telluride, Colorado en 1891. ^{[ 55 ] [ 56 ] [ 57 ]} Westinghouse logró su primer motor de inducción práctico en 1892 y desarrolló una línea de motores de inducción polifásicos de 60 hercios en 1893, pero estos primeros motores de Westinghouse eran motores bifásicos con rotores bobinados. BG Lamme desarrolló posteriormente un rotor de bobinado de barra giratoria. ^{[ 51 ]}

Firme en su promoción del desarrollo trifásico, Mikhail Dolivo-Dobrovolsky inventó el motor de inducción trifásico en 1889, de ambos tipos, de rotor de jaula y de rotor bobinado con reóstato de arranque, y el transformador de tres columnas en 1890. Después de un acuerdo entre AEG y Maschinenfabrik Oerlikon , Doliwo-Dobrowolski y Charles Eugene Lancelot Brown desarrollaron modelos más grandes, a saber, un motor de jaula de ardilla de 20 hp y un motor de rotor bobinado de 100 hp con reóstato de arranque. Estos fueron los primeros motores asíncronos trifásicos aptos para el funcionamiento práctico. ^{[ 48 ]} Desde 1889, Wenström comenzó desarrollos similares de maquinaria trifásica. En la Exposición Electrotécnica Internacional de Frankfurt de 1891, se presentó con éxito el primer sistema trifásico de larga distancia. Tenía una potencia nominal de 15 kV y se extendía a lo largo de 175  km desde la cascada de Lauffen en el río Neckar. La central eléctrica de Lauffen incluía un alternador de 240  kW, 86 V y 40  Hz y un transformador elevador, mientras que en la exposición un transformador reductor alimentaba un motor de inducción trifásico de 100 hp que impulsaba una cascada artificial, representando la transferencia de la fuente de energía original. ^{[ 48 ]} La inducción trifásica se utiliza ahora para la gran mayoría de las aplicaciones comerciales. ^{[ 58 ] [ 59 ]} Mikhail Dolivo-Dobrovolsky afirmó que el motor de Tesla no era práctico debido a las pulsaciones bifásicas, lo que lo impulsó a persistir en su trabajo trifásico. ^{[ 60 ]}

La General Electric Company comenzó a desarrollar motores de inducción trifásicos en 1891. ^{[ 51 ]} En 1896, General Electric y Westinghouse firmaron un acuerdo de licencia cruzada para el diseño del rotor de bobinado de barras, posteriormente denominado rotor de jaula de ardilla . ^{[ 51 ]} Las mejoras en los motores de inducción derivadas de estos inventos e innovaciones fueron tales que un motor de inducción de 100 caballos de fuerza actualmente tiene las mismas dimensiones de montaje que un motor de 7,5 caballos de fuerza en 1897. ^{[ 51 ]}

En 2022, se estimó que las ventas de motores eléctricos alcanzarían los 800 millones de unidades, con un aumento anual del 10 %. Los motores eléctricos consumen aproximadamente el 50 % de la electricidad mundial. ^{[ 61 ]} Desde la década de 1980, la cuota de mercado de los motores de CC ha disminuido en favor de los motores de CA. ^{[ 62 ] : 89}

Un motor de CC generalmente se alimenta a través de un conmutador de anillo partido como se describió anteriormente.

La conmutación de los motores de corriente alterna se puede realizar mediante un conmutador de anillos rozantes o mediante conmutación externa. Puede ser de velocidad fija o variable, y síncrona o asíncrona. Los motores universales pueden funcionar con corriente alterna o continua.

Los motores de corriente continua (CC) pueden funcionar a velocidad variable ajustando la tensión aplicada a los terminales o mediante modulación por ancho de pulso (PWM).

Los motores de corriente alterna que funcionan a velocidad fija generalmente se alimentan directamente de la red eléctrica o a través de arrancadores suaves .

Los motores de corriente alterna que funcionan a velocidad variable se alimentan mediante diversas tecnologías de inversores de potencia , variadores de frecuencia o conmutadores electrónicos.

El término conmutador electrónico se asocia generalmente con motores de CC sin escobillas con conmutación automática y aplicaciones de motores de reluctancia conmutada .

La mayoría de los motores de CC son de tipo imán permanente (PM) pequeños. Contienen una conmutación mecánica interna con escobillas para invertir la corriente de los devanados del motor en sincronismo con la rotación. ^{[ 75 ]}

Motor de corriente continua de excitación eléctrica

Un motor de CC conmutado tiene un conjunto de bobinados giratorios enrollados en una armadura montada sobre un eje giratorio. El eje también aloja el conmutador. Por lo tanto, todo motor de CC con escobillas tiene corriente alterna circulando por sus bobinados. La corriente fluye a través de uno o más pares de escobillas que tocan el conmutador; las escobillas conectan una fuente externa de energía eléctrica a la armadura giratoria.

El inducido giratorio consta de una o más bobinas de alambre enrolladas alrededor de un núcleo ferromagnético laminado y magnéticamente "blando" . La corriente de las escobillas fluye a través del conmutador y de una de las bobinas del inducido, convirtiéndolo en un imán temporal (un electroimán ). El campo magnético producido interactúa con un campo magnético estacionario generado por imanes permanentes o por otra bobina (una bobina de campo), que forma parte del bastidor del motor. La fuerza entre ambos campos magnéticos hace girar el eje. El conmutador conmuta la alimentación a las bobinas a medida que gira el rotor, impidiendo que los polos se alineen completamente con los polos magnéticos del campo del estator, de modo que el rotor siga girando mientras se aplique energía.

Muchas de las limitaciones del motor de CC con conmutador clásico se deben a la necesidad de que las escobillas mantengan contacto con el conmutador, lo que genera fricción. Las escobillas producen chispas al cruzar los espacios aislantes entre las secciones del conmutador. Dependiendo del diseño del conmutador, las escobillas pueden crear cortocircuitos entre secciones adyacentes y, por lo tanto, entre los extremos de las bobinas. Además, la inductancia de las bobinas del rotor provoca un aumento de la tensión en cada una cuando se abre su circuito, incrementando así las chispas. Estas chispas limitan la velocidad máxima de la máquina, ya que un chispeo demasiado rápido puede sobrecalentar, erosionar o incluso fundir el conmutador. La densidad de corriente por unidad de área de las escobillas, junto con su resistividad , limita la potencia de salida del motor. El cruce de los espacios también genera ruido eléctrico ; las chispas generan interferencias de radiofrecuencia (RFI) . Las escobillas se desgastan con el tiempo y requieren reemplazo, y el conmutador en sí está sujeto a desgaste y mantenimiento o reemplazo. El conjunto del conmutador en un motor grande es un elemento costoso que requiere un ensamblaje preciso de muchas piezas. En los motores pequeños, el conmutador suele estar integrado de forma permanente en el rotor, por lo que su sustitución normalmente requiere la sustitución del rotor completo.

Si bien la mayoría de los conmutadores son cilíndricos, algunos son discos planos segmentados montados sobre un aislante.

Las escobillas grandes crean una amplia superficie de contacto, lo que maximiza la potencia del motor, mientras que las escobillas pequeñas, al tener poca masa, maximizan la velocidad a la que el motor puede funcionar sin generar chispas excesivas. (Las escobillas pequeñas son preferibles por su menor coste). Se pueden utilizar muelles más rígidos para que las escobillas de una masa determinada funcionen a mayor velocidad, a pesar de las mayores pérdidas por fricción (menor eficiencia) y el desgaste acelerado de las escobillas y el conmutador. Por lo tanto, el diseño de las escobillas de un motor de CC implica un compromiso entre la potencia de salida, la velocidad y la eficiencia/desgaste.

Las máquinas de CC se definen de la siguiente manera: ^{[ 76 ]}

• Circuito de armadura: un devanado que soporta la carga, ya sea estacionaria o giratoria.
• Circuito de campo: un conjunto de bobinados que produce un campo magnético.
• Conmutación: Técnica mecánica mediante la cual se puede lograr la rectificación o a partir de la cual se puede obtener corriente continua (CC).

Los cinco tipos de motores de corriente continua con escobillas son:

• Derivación
• Bobinado en serie
• Compuesto (dos configuraciones):
  • Compuesto acumulativo
  • Compuesto diferencialmente
• Imán permanente (no se muestra)
• Excitado por separado (no se muestra).

Un motor conmutado, de excitación eléctrica y con bobinado en serie o en paralelo, se denomina motor universal porque puede diseñarse para funcionar con corriente alterna (CA) o continua (CC). Un motor universal funciona bien con CA porque la corriente en las bobinas de campo y de armadura (y, por lo tanto, los campos magnéticos resultantes) invierten su polaridad de forma síncrona, lo que genera una fuerza mecánica con un sentido de rotación constante.

Los motores universales, que operan a frecuencias normales de la red eléctrica , se utilizan a menudo en aplicaciones de subkilovatios. Estos motores fueron la base del motor de tracción tradicional en los ferrocarriles eléctricos . En esta aplicación, el uso de corriente alterna en un motor diseñado para funcionar con corriente continua provocaría pérdidas de eficiencia debido al calentamiento por corrientes parásitas de sus componentes magnéticos, en particular de las piezas polares del campo magnético, que, para corriente continua, habrían utilizado hierro macizo (no laminado). Actualmente, su uso es poco frecuente.

Una ventaja es que la corriente alterna puede utilizarse en motores que, específicamente, tienen un alto par de arranque y un diseño compacto si se utilizan altas velocidades de funcionamiento. Por el contrario, el mantenimiento es mayor y la vida útil se reduce. Estos motores se utilizan en dispositivos que no se usan intensivamente y que requieren un alto par de arranque. Múltiples tomas en la bobina de campo proporcionan un control de velocidad escalonado (impreciso). Las licuadoras domésticas que anuncian varias velocidades suelen combinar una bobina de campo con varias tomas y un diodo que se puede insertar en serie con el motor (lo que hace que el motor funcione con corriente alterna rectificada de media onda). Los motores universales también se prestan al control electrónico de velocidad y, como tales, son una opción para dispositivos como las lavadoras domésticas. El motor puede agitar el tambor (tanto hacia adelante como hacia atrás) conmutando el devanado de campo con respecto a la armadura.

Mientras que los motores SCIM no pueden hacer girar un eje a una velocidad superior a la permitida por la frecuencia de la red eléctrica, los motores universales pueden funcionar a velocidades mucho mayores. Esto los hace útiles para electrodomésticos como licuadoras, aspiradoras y secadores de pelo, donde se busca alta velocidad y ligereza. También se utilizan comúnmente en herramientas eléctricas portátiles, como taladros, lijadoras, sierras circulares y de calar, donde las características del motor resultan adecuadas. Muchos motores de aspiradoras y desbrozadoras superan las 10 000 rpm , mientras que las amoladoras en miniatura pueden superar las 30 000 rpm .

Un motor de inducción es un motor asíncrono de corriente alterna (CA) donde la potencia se transfiere al rotor por inducción electromagnética, de forma similar a un transformador. Un motor de inducción se asemeja a un transformador rotatorio, ya que el estator (parte fija) es esencialmente el lado primario del transformador y el rotor (parte giratoria) es el lado secundario. Los motores de inducción polifásicos se utilizan ampliamente en la industria.

Un motor eléctrico síncrono es un motor de corriente alterna (CA). Incluye un rotor que gira con bobinas que pasan por imanes a la misma frecuencia que la CA y produce un campo magnético para impulsarlo. No presenta deslizamiento en condiciones de funcionamiento típicas. Por el contrario, los motores de inducción deben deslizarse para producir par motor. Un tipo de motor síncrono es similar a un motor de inducción, excepto que el rotor se excita mediante un campo de corriente continua (CC). Anillos colectores y escobillas conducen la corriente al rotor. Los polos del rotor se conectan entre sí y se mueven a la misma velocidad. Otro tipo, para par motor bajo carga, tiene superficies planas rectificadas sobre un rotor de jaula de ardilla convencional para crear polos discretos. Un tercer tipo, como el fabricado por Hammond para sus relojes anteriores a la Segunda Guerra Mundial y en órganos Hammond más antiguos , carece de bobinados en el rotor y tiene polos discretos. No es autoarrancable. El reloj requiere arranque manual mediante una pequeña perilla en la parte posterior, mientras que los órganos Hammond más antiguos tenían un motor de arranque auxiliar conectado mediante un interruptor manual accionado por resorte.

Los motores síncronos de histéresis suelen ser (esencialmente) motores bifásicos con un condensador de desfase para una de las fases. Arrancan como los motores de inducción, pero cuando el deslizamiento disminuye lo suficiente, el rotor (un cilindro liso) se magnetiza temporalmente. Sus polos distribuidos hacen que se comporte como un motor síncrono de imanes permanentes. El material del rotor, similar al de un clavo común, permanece magnetizado, pero puede desmagnetizarse con facilidad. Una vez en funcionamiento, los polos del rotor permanecen fijos; no se desplazan.

Los motores síncronos de baja potencia (como los de los relojes eléctricos tradicionales) pueden tener rotores de copa externa con imanes permanentes multipolares y bobinas de sombreado para proporcionar el par de arranque. Los motores de reloj Telechron tienen polos sombreados para el par de arranque y un rotor anular de dos radios que funciona como un rotor discreto de dos polos.

Los motores eléctricos de doble alimentación cuentan con dos conjuntos de bobinados multifásicos independientes, que aportan potencia activa (es decir, de trabajo) al proceso de conversión de energía, con al menos uno de los conjuntos de bobinados controlado electrónicamente para un funcionamiento a velocidad variable. Dos conjuntos de bobinados multifásicos independientes (es decir, doble armadura) constituyen el máximo que se puede proporcionar en un solo paquete sin duplicación de topología. Los motores eléctricos de doble alimentación tienen un rango de velocidad de par constante efectivo que duplica la velocidad síncrona para una frecuencia de excitación dada. Este rango de velocidad de par constante es el doble que el de las máquinas eléctricas de alimentación simple , que solo tienen un conjunto de bobinados activos.

Un motor de doble alimentación permite un convertidor electrónico más pequeño, pero el costo del bobinado del rotor y los anillos colectores puede compensar el ahorro en los componentes de electrónica de potencia. Las dificultades afectan el control de la velocidad cerca de las aplicaciones de límite de velocidad síncrona. ^{[ 80 ]}

Un motor lineal es esencialmente cualquier motor eléctrico que ha sido "desenrollado" de manera que, en lugar de producir par (rotación), produce una fuerza en línea recta a lo largo de su longitud.

Los motores lineales suelen ser motores de inducción o motores paso a paso. Se encuentran comúnmente en montañas rusas, donde el movimiento rápido del vagón, que no tiene motor, se controla mediante el riel. También se utilizan en trenes de levitación magnética , donde el tren "vuela" sobre el suelo. A menor escala, el plotter de pluma HP 7225A de 1978 utilizaba dos motores paso a paso lineales para mover la pluma a lo largo de los ejes X e Y. ^{[ 86 ]}

Un motor eléctrico convierte la energía eléctrica en energía mecánica mediante la fuerza que existe entre dos campos magnéticos opuestos. Al menos uno de estos campos magnéticos debe ser generado por un electroimán a través del campo magnético producido por una corriente eléctrica.

La fuerza entre una corriente${\displaystyle I}$en un conductor de longitud${\displaystyle \ell }$perpendicular a un campo magnético${\displaystyle \mathbf {B} }$puede calcularse utilizando la ley de la fuerza de Lorentz :

${\displaystyle \mathbf {F} =I\ell \times \mathbf {B} }$

Nota: X denota el producto vectorial .

Los métodos más generales para calcular las fuerzas en los motores utilizan la notación tensorial. ^{[ 100 ]}

La potencia de salida del motor eléctrico se da como$${\displaystyle P_{\text{em}}=T\omega =Fv}$$dónde:

• ${\displaystyle \omega }$: velocidad angular del eje , [radianes por segundo]
• ${\displaystyle T}$: par motor, [Newton-metros]
• ${\displaystyle F}$: fuerza, [Newtons]
• ${\displaystyle v}$: velocidad, [metros por segundo].

En unidades imperiales, la potencia mecánica de salida de un motor viene dada por ^{[ 101 ].}

${\displaystyle P_{\text{em}}={\frac {\omega _{\text{rpm}}T}{5252}}}$(caballo de fuerza)

dónde:

• ${\displaystyle \omega _{\text{rpm}}}$, velocidad angular del eje [rpm ]
• ${\displaystyle T}$: par motor, [libras-pie].

En un motor asíncrono o de inducción, la relación entre la velocidad del motor y la potencia en el entrehierro viene dada por la siguiente expresión:

${\displaystyle P_{\text{espacio de aire}}={\frac {R_{r}}{s}}I_{r}^{2}}$, dónde

R _r – resistencia del rotor

I _r ² – cuadrado de la corriente inducida en el rotor

s – deslizamiento del motor ; es decir, la diferencia entre la velocidad síncrona y la velocidad de deslizamiento, que proporciona el movimiento relativo necesario para la inducción de corriente en el rotor.

El movimiento de los devanados del inducido de un motor de corriente continua o universal a través de un campo magnético induce una tensión en ellos. Esta tensión tiende a oponerse a la tensión de alimentación del motor y, por lo tanto, se denomina « fuerza electromotriz (FEM) inversa ». La tensión es proporcional a la velocidad de funcionamiento del motor. La FEM inversa del motor, más la caída de tensión a través de la resistencia interna del devanado y las escobillas, debe ser igual a la tensión en las escobillas. Este es el mecanismo fundamental de regulación de velocidad en un motor de CC. Si la carga mecánica aumenta, el motor disminuye su velocidad; se produce una FEM inversa menor y se extrae más corriente de la fuente de alimentación. Esta mayor corriente proporciona el par adicional necesario para equilibrar la carga. ^{[ 102 ]}

En las máquinas de CA, a veces es útil considerar una fuente de FEM inversa dentro de la máquina; esto es de particular importancia para la regulación precisa de la velocidad de los motores de inducción en VFD. ^{[ 102 ]}

Las pérdidas del motor se deben principalmente a las pérdidas resistivas en los devanados, las pérdidas en el núcleo y las pérdidas mecánicas en los cojinetes, y también se producen pérdidas aerodinámicas, sobre todo cuando hay ventiladores de refrigeración.

También se producen pérdidas en la conmutación; los conmutadores mecánicos generan chispas, mientras que los conmutadores electrónicos también disipan calor.

Para calcular la eficiencia de un motor, la potencia mecánica de salida se divide entre la potencia eléctrica de entrada:

${\displaystyle \eta ={\frac {P_{\text{m}}}{P_{\text{e}}}}}$,

dónde${\displaystyle \eta }$es la eficiencia de conversión de energía ,${\displaystyle P_{\text{e}}}$es la potencia eléctrica de entrada, y${\displaystyle P_{\text{m}}}$es la potencia de salida mecánica:

${\displaystyle P_{\text{e}}=IV}$

${\displaystyle P_{\text{m}}=T\omega }$

dónde${\displaystyle V}$es voltaje de entrada,${\displaystyle I}$es corriente de entrada,${\displaystyle T}$es el par de salida y${\displaystyle \omega }$es la velocidad angular de salida. Es posible derivar analíticamente el punto de máxima eficiencia. Normalmente se encuentra a menos de 1/2 del par de arranque .

Varias autoridades reguladoras nacionales han promulgado legislación para fomentar la fabricación y el uso de motores de mayor eficiencia. Los motores eléctricos tienen eficiencias que van desde alrededor del 15%-20% para motores de polos sombreados, hasta el 98% para motores de imanes permanentes, ^{[ 103 ] [ 104 ] [ 105 ]} y la eficiencia también depende de la carga. La eficiencia máxima suele ser del 75% de la carga nominal. Así, (por ejemplo) un motor de 10 HP es más eficiente cuando acciona una carga que requiere 7,5 HP. ^{[ 106 ]} La eficiencia también depende del tamaño del motor; los motores más grandes tienden a ser más eficientes. ^{[ 107 ]} Algunos motores no pueden funcionar continuamente durante más de un período de tiempo específico (por ejemplo, durante más de una hora por ciclo) ^{[ 108 ]}

Eric Laithwaite ^{[ 109 ]} propuso una métrica para determinar la "calidad" de un motor eléctrico: ^{[ 110 ]}

${\displaystyle G={\frac {\omega }{{\text{resistencia}}\times {\text{reticencia}}}}={\frac {\omega \mu \sigma A_{\text{m}}A_{\text{e}}}{l_{\text{m}}l_{\text{e}}}}}$

Dónde:

${\displaystyle G}$es el factor de bondad (los factores superiores a 1 probablemente sean eficientes)

${\displaystyle A_{\text{m}},A_{\text{e}}}$son las áreas de sección transversal del circuito magnético y eléctrico

${\displaystyle l_{\text{m}},l_{\text{e}}}$son las longitudes de los circuitos magnéticos y eléctricos

${\displaystyle \mu }$es la permeabilidad del núcleo

${\displaystyle \omega }$es la frecuencia angular a la que se acciona el motor.

A partir de esto, demostró que los motores más eficientes suelen tener polos magnéticos relativamente grandes. Sin embargo, la ecuación solo se aplica directamente a motores sin imanes permanentes.

Los motores electromagnéticos obtienen el par motor del producto vectorial de los campos que interactúan. Para calcular el par, es necesario conocer los campos en el entrehierro. Una vez determinados, el par es la integral de todos los vectores de fuerza multiplicados por el radio de cada vector. La corriente que circula por el devanado genera los campos. En un motor que utiliza un material magnético, el campo no es proporcional a la corriente.

Un valor que relaciona la corriente con el par motor puede ser útil para la selección del motor. El par máximo de un motor depende de la corriente máxima, sin tener en cuenta las consideraciones térmicas.

Cuando se diseñan de forma óptima dentro de una restricción de saturación del núcleo dada y para una corriente activa (es decir, corriente de par), voltaje, número de pares de polos, frecuencia de excitación (es decir, velocidad síncrona) y densidad de flujo del entrehierro dadas, todas las categorías de motores/generadores eléctricos exhiben prácticamente el mismo par máximo continuo en el eje (es decir, par de operación) dentro de un área de entrehierro dada con ranuras de bobinado y profundidad de hierro posterior, lo que determina el tamaño físico del núcleo electromagnético. Algunas aplicaciones requieren picos de par que superan el máximo, como los picos para acelerar un vehículo eléctrico desde parado. Siempre limitada por la saturación del núcleo magnético o el aumento seguro de la temperatura de operación y el voltaje, la capacidad para picos de par que superan el máximo difiere significativamente entre los tipos de motores/generadores.

Las máquinas eléctricas sin una topología de circuito transformador, como las WRSM o las PMSM, no pueden proporcionar picos de par sin saturar el núcleo magnético. En ese punto, una corriente adicional no puede aumentar el par. Además, el conjunto de imanes permanentes de las PMSM puede sufrir daños irreparables.

Las máquinas eléctricas con topología de circuito de transformador, como las máquinas de inducción, las máquinas eléctricas de doble alimentación por inducción y las máquinas de doble alimentación por inducción o síncronas de rotor bobinado (WRDF), permiten picos de par porque la corriente activa inducida por la fuerza electromotriz a cada lado del transformador se opone entre sí y, por lo tanto, no contribuye en nada a la densidad de flujo del núcleo magnético acoplado al transformador, evitando la saturación del núcleo.

Las máquinas eléctricas que se basan en principios de inducción o asíncronos cortocircuitan un puerto del circuito del transformador y, como resultado, la impedancia reactiva del circuito del transformador se vuelve dominante a medida que aumenta el deslizamiento, lo que limita la magnitud de la corriente activa (es decir, real). Se pueden alcanzar picos de par dos o tres veces superiores al par máximo de diseño.

La máquina síncrona de rotor bobinado sin escobillas de doble alimentación (BWRSDF) es la única máquina eléctrica con una topología de circuito de transformador de doble puerto verdaderamente (es decir, ambos puertos se excitan independientemente sin ningún puerto en cortocircuito). ^{[ 111 ]} Se sabe que la topología de circuito de transformador de doble puerto es inestable y requiere un conjunto de escobillas y anillos rozantes multifásico para propagar potencia limitada al conjunto de bobinado del rotor. Si se dispusiera de un medio de precisión para controlar instantáneamente el ángulo de par y el deslizamiento para la operación síncrona durante la operación, al tiempo que se proporciona potencia sin escobillas al conjunto de bobinado del rotor, la corriente activa de la máquina BWRSDF sería independiente de la impedancia reactiva del circuito del transformador y se podrían lograr picos de par significativamente mayores que el par de operación máximo y mucho más allá de la capacidad práctica de cualquier otro tipo de máquina eléctrica. Se han calculado picos de par mayores de ocho veces el par de operación.

La densidad de par continuo de las máquinas eléctricas convencionales está determinada por el tamaño del área del entrehierro y la profundidad del núcleo de hierro, que a su vez dependen de la potencia nominal del conjunto de bobinado del inducido, la velocidad de la máquina y la densidad de flujo del entrehierro alcanzable antes de la saturación del núcleo. A pesar de la alta coercitividad de los imanes permanentes de neodimio o samario -cobalto, la densidad de par continuo es prácticamente la misma entre las máquinas eléctricas con conjuntos de bobinado del inducido de diseño óptimo. La densidad de par continuo está relacionada con el método de refrigeración y el período de funcionamiento admisible antes de la destrucción por sobrecalentamiento de los bobinados o daños en los imanes permanentes.

Otras fuentes afirman que las distintas topologías de máquinas eléctricas tienen diferente densidad de par. Una fuente muestra lo siguiente: ^{[ 112 ]}

donde—la densidad de par específica se normaliza a 1,0 para el imán permanente de superficie (SPM)—corriente alterna sin escobillas, conducción de corriente de 180°.

La densidad de par es aproximadamente cuatro veces mayor en los motores refrigerados por líquido, en comparación con los refrigerados por aire.

Una fuente que comparaba la corriente continua, los motores de inducción (IM), los PMSM y los SRM mostró: ^{[ 113 ]}

Otra fuente señala que los PMSM de hasta 1 MW tienen una densidad de par considerablemente mayor que las máquinas de inducción. ^{[ 114 ]}

La densidad de potencia continua se determina mediante el producto de la densidad de par continuo y el rango de velocidad de par constante. Los motores eléctricos pueden alcanzar densidades de hasta 20  kW/kg, lo que significa 20 kilovatios de potencia de salida por kilogramo. ^{[ 115 ]}