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Articulo de referencia

motor de CC

Funcionamiento de un motor eléctrico con escobillas, rotor bipolar (inducido) y estator de imán permanente. Las letras "N" y "S" indican la polaridad de las caras internas de lo...

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Funcionamiento de un motor eléctrico con escobillas, rotor bipolar (inducido) y estator de imán permanente. Las letras "N" y "S" indican la polaridad de las caras internas de los imanes ; las caras externas tienen polaridad opuesta. Los signos + y - muestran dónde se aplica la corriente continua al conmutador , que alimenta las bobinas del inducido.
El tren de rodaje de las locomotoras de la clase DD1 del Ferrocarril de Pensilvania consistía en un par de motores eléctricos de locomotora de corriente continua acoplados de forma semipermanente mediante tercer riel, construidos para la electrificación inicial del ferrocarril en el área de Nueva York, cuando las locomotoras de vapor estaban prohibidas en la ciudad (aquí se ha retirado la cabina de la locomotora).

Un motor de CC es un motor eléctrico que utiliza corriente continua (CC) para producir fuerza mecánica. Los tipos más comunes se basan en las fuerzas magnéticas generadas por las corrientes en las bobinas. Casi todos los motores de CC cuentan con algún mecanismo interno, ya sea electromecánico o electrónico, para cambiar periódicamente la dirección de la corriente en alguna parte del motor.

Los motores de corriente continua (CC) fueron los primeros en utilizarse ampliamente, ya que podían alimentarse de los sistemas de distribución de energía eléctrica existentes para iluminación. La velocidad de un motor de CC se puede controlar en un amplio rango, ya sea mediante una tensión de alimentación variable o modificando la intensidad de la corriente en sus bobinados de campo. Los motores de CC pequeños se utilizan en herramientas, juguetes y electrodomésticos. El motor universal , un motor ligero con escobillas utilizado en herramientas eléctricas portátiles y electrodomésticos, puede funcionar con corriente continua y alterna. Los motores de CC de mayor tamaño se utilizan actualmente en la propulsión de vehículos eléctricos, ascensores y polipastos, y en los sistemas de accionamiento de las laminadoras de acero. El auge de la electrónica de potencia ha hecho posible la sustitución de los motores de CC por motores de CA en muchas aplicaciones.

Motores electromagnéticos

Una bobina de alambre por la que circula una corriente eléctrica genera un campo electromagnético alineado con el centro de la bobina. La dirección y la magnitud del campo magnético producido por la bobina pueden modificarse variando la dirección y la magnitud de la corriente que la atraviesa.

Un motor de CC simple tiene un conjunto fijo de imanes en el estator y una armadura con uno o más devanados de alambre aislado enrollados alrededor de un núcleo de hierro dulce que concentra el campo magnético. Los devanados suelen tener múltiples vueltas alrededor del núcleo, y en motores grandes puede haber varias trayectorias de corriente paralelas. Los extremos del devanado de alambre están conectados a un conmutador . El conmutador permite que cada bobina de la armadura se energice de forma secuencial y conecta las bobinas giratorias con la fuente de alimentación externa mediante escobillas. (Los motores de CC sin escobillas tienen componentes electrónicos que conmutan la corriente continua de cada bobina y no tienen escobillas).

La intensidad del campo electromagnético creado depende de la cantidad total de corriente que se envía a la bobina, del tamaño de la bobina y del material alrededor del cual está enrollada.

La secuencia de encendido y apagado de una bobina en particular determina la dirección de los campos electromagnéticos efectivos. Al encender y apagar las bobinas secuencialmente, se crea un campo magnético giratorio. Estos campos magnéticos giratorios interactúan con los campos magnéticos de los imanes (permanentes o electroimanes ) en la parte fija del motor (estator) para generar un par en la armadura que provoca su rotación. En algunos diseños de motores de CC, los campos del estator utilizan electroimanes para generar sus campos magnéticos, lo que permite un mayor control sobre el motor.

A altos niveles de potencia, los motores de corriente continua casi siempre se enfrían mediante aire forzado.

El número de campos del estator y del inducido, así como su conexión, proporcionan distintas características inherentes de regulación de velocidad y par. La velocidad de un motor de CC se puede controlar modificando la tensión aplicada al inducido. La resistencia variable en el circuito del inducido o en el circuito de campo permite controlar la velocidad. Los motores de CC modernos suelen controlarse mediante sistemas de electrónica de potencia que ajustan la tensión interrumpiendo la corriente continua en ciclos de encendido y apagado, lo que resulta en una tensión efectiva menor.

Dado que el motor de CC de excitación en serie desarrolla su par máximo a baja velocidad, se utiliza con frecuencia en aplicaciones de tracción como locomotoras eléctricas y tranvías . La introducción de los motores de CC y un sistema de red eléctrica para alimentar maquinaria a partir de la década de 1870 dio inicio a una segunda Revolución Industrial . Los motores de CC pueden funcionar directamente con baterías recargables, proporcionando la energía motriz para los primeros vehículos eléctricos y los automóviles híbridos y eléctricos actuales, además de accionar una gran variedad de herramientas inalámbricas . Hoy en día, los motores de CC todavía se encuentran en aplicaciones tan pequeñas como juguetes y unidades de disco, o en grandes tamaños para operar laminadoras de acero y máquinas de papel. Los grandes motores de CC con campos de excitación independiente se utilizaban generalmente con accionamientos de bobinado para polipastos de minas , para obtener un alto par y un control de velocidad suave mediante accionamientos de tiristores. Estos han sido reemplazados por grandes motores de CA con variadores de frecuencia.

Si se aplica energía mecánica externa a un motor de CC, este actúa como un generador de CC, una dinamo . Esta función se utiliza para reducir la velocidad y recargar las baterías de los coches híbridos y eléctricos, o para devolver electricidad a la red eléctrica en tranvías o trenes eléctricos cuando disminuyen la velocidad. Este proceso se denomina frenado regenerativo en los coches híbridos y eléctricos. En las locomotoras diésel-eléctricas , también se utilizan los motores de CC como generadores para reducir la velocidad, pero la energía se disipa en baterías de resistencias. Los diseños más recientes incorporan grandes baterías para recuperar parte de esta energía.

Conmutación

Cepillado

Un motor eléctrico de CC con escobillas genera par a partir de una fuente de alimentación de CC mediante conmutación mecánica interna. Los imanes permanentes estacionarios forman el campo del estator. El par se produce por el principio de que cualquier conductor por el que circula corriente, situado dentro de un campo magnético externo, experimenta una fuerza conocida como fuerza de Lorentz. En un motor, la magnitud de esta fuerza de Lorentz (un vector representado por la flecha verde) y, por lo tanto, el par de salida, es función del ángulo del rotor, lo que da lugar a un fenómeno conocido como ondulación del par . Dado que se trata de un motor bipolar, el conmutador consta de un anillo partido, de modo que la corriente se invierte en cada media vuelta (180 grados).

El motor eléctrico de CC con escobillas genera par directamente a partir de la energía de CC suministrada al motor mediante conmutación interna, imanes estacionarios ( permanentes o electroimanes ) y electroimanes giratorios.

Las ventajas de un motor de CC con escobillas incluyen un bajo costo inicial, alta fiabilidad y un control sencillo de la velocidad. Las desventajas son el alto mantenimiento y la corta vida útil para usos de alta intensidad. El mantenimiento implica el reemplazo periódico de las escobillas de carbón y los resortes que conducen la corriente eléctrica, así como la limpieza o el reemplazo del conmutador . Estos componentes son necesarios para transferir la energía eléctrica desde el exterior del motor a los devanados de alambre giratorio del rotor en su interior.

Las escobillas suelen estar hechas de grafito o carbono, a veces con cobre disperso añadido para mejorar la conductividad. Durante su uso, el material blando de la escobilla se desgasta hasta ajustarse al diámetro del conmutador y continúa desgastándose. El portaescobillas tiene un resorte que mantiene la presión sobre la escobilla a medida que se acorta. Para escobillas destinadas a soportar más de uno o dos amperios, se moldea un cable flexible en la escobilla y se conecta a los terminales del motor. Las escobillas muy pequeñas pueden depender del contacto deslizante con un portaescobillas metálico para conducir la corriente hacia la escobilla, o pueden depender de un resorte de contacto que presiona el extremo de la escobilla. Las escobillas en motores muy pequeños y de corta duración, como los que se usan en juguetes, pueden estar hechas de una tira de metal doblada que entra en contacto con el conmutador.

Sin escobillas

Los motores de CC sin escobillas típicos utilizan uno o más imanes permanentes en el rotor y electroimanes en la carcasa del motor para el estator. Un controlador de motor convierte la CC en CA. Este diseño es mecánicamente más simple que el de los motores con escobillas, ya que elimina la complejidad de transferir energía desde fuera del motor al rotor giratorio. El controlador de motor puede detectar la posición del rotor mediante sensores de efecto Hall o dispositivos similares y puede controlar con precisión la sincronización, la fase, etc., de la corriente en las bobinas del rotor para optimizar el par, ahorrar energía, regular la velocidad e incluso aplicar cierto frenado. Las ventajas de los motores sin escobillas incluyen una larga vida útil, poco o ningún mantenimiento y alta eficiencia. Las desventajas incluyen un alto costo inicial y controladores de velocidad de motor más complejos. Algunos de estos motores sin escobillas a veces se denominan "motores síncronos", aunque no tienen una fuente de alimentación externa con la que sincronizarse, como ocurriría con los motores síncronos de CA normales.

No conmutado

Otros tipos de motores de corriente continua no requieren conmutación.

  • Motor homopolar : Un motor homopolar posee un campo magnético paralelo al eje de rotación y una corriente eléctrica que, en algún punto, no es paralela a dicho campo. El nombre homopolar se refiere a la ausencia de cambio de polaridad. Los motores homopolares necesariamente tienen una bobina de una sola espira, lo que limita su funcionamiento a voltajes muy bajos. Esto ha restringido la aplicación práctica de este tipo de motor.
  • Motor de rodamientos de bolas : Un motor de rodamientos de bolas es un motor eléctrico poco común que consta de dos rodamientos de bolas , con las pistas interiores montadas sobre un eje conductor común y las pistas exteriores conectadas a una fuente de alimentación de alta corriente y bajo voltaje. Una construcción alternativa consiste en alojar las pistas exteriores dentro de un tubo metálico, mientras que las pistas interiores se montan sobre un eje con una sección no conductora (por ejemplo, dos manguitos en una varilla aislante). Este método tiene la ventaja de que el tubo actúa como un volante de inercia. El sentido de giro viene determinado por el giro inicial, que suele ser necesario para ponerlo en marcha.

estatores de imanes permanentes

Un motor de imán permanente (PM) no tiene un devanado de campo en el estator, sino que depende de los imanes permanentes para proporcionar el campo magnético con el que interactúa el campo del rotor para producir par. En motores grandes, se pueden usar devanados de compensación en serie con la armadura para mejorar la conmutación bajo carga. Debido a que este campo es fijo, no se puede ajustar para el control de velocidad. Los campos de imanes permanentes (estatores) son convenientes en motores miniatura para eliminar el consumo de energía del devanado de campo. La mayoría de los motores de CC grandes son del tipo "dinamo", que tienen devanados de estator. Históricamente, no se podía hacer que los imanes permanentes retuvieran un flujo alto si se desmontaban; los devanados de campo eran más prácticos para obtener la cantidad de flujo necesaria. Sin embargo, los imanes permanentes grandes son costosos, además de peligrosos y difíciles de ensamblar; esto favorece los campos bobinados para máquinas grandes.

Para minimizar el peso y el tamaño, los motores de imanes permanentes en miniatura pueden utilizar imanes de alta energía fabricados con neodimio u otros elementos estratégicos; la mayoría son de aleación de neodimio-hierro-boro. Gracias a su mayor densidad de flujo magnético, las máquinas eléctricas con imanes permanentes de alta energía son, como mínimo, competitivas con todas las máquinas eléctricas síncronas y de inducción de alimentación simple con un diseño óptimo . Los motores en miniatura se asemejan a la estructura de la ilustración, con la diferencia de que poseen al menos tres polos en el rotor (para garantizar el arranque, independientemente de la posición del rotor) y su carcasa exterior es un tubo de acero que une magnéticamente las superficies exteriores de los imanes de campo curvos.

estatores bobinados

Una bobina de campo puede conectarse en derivación, en serie o en compuesto con la armadura de una máquina de CC (motor o generador).

Existen tres tipos de conexiones eléctricas posibles entre el estator y el rotor para los motores eléctricos de CC: en serie, en paralelo/derivación y compuesta (diversas combinaciones de serie y en paralelo/derivación), y cada una tiene características únicas de velocidad/par apropiadas para diferentes perfiles/firmas de par de carga. [ 1 ]

Conexión en serie

Un motor de CC en serie conecta los devanados de armadura y campo en serie con una fuente de alimentación de CC común . La velocidad del motor varía como una función no lineal del par de carga y la corriente de armadura; la corriente es común tanto al estator como al rotor, lo que produce un comportamiento de corriente al cuadrado (I²) . Un motor en serie tiene un par de arranque muy alto y se usa comúnmente para arrancar cargas de alta inercia, como trenes, ascensores o polipastos. [ 2 ] Esta característica de velocidad/par es útil en aplicaciones como las excavadoras de arrastre , donde la herramienta de excavación se mueve rápidamente cuando está descargada, pero lentamente cuando transporta una carga pesada.

Un motor en serie nunca debe arrancarse sin carga. Sin carga mecánica, la corriente es baja, la fuerza contraelectromotriz generada por el devanado de campo es débil, por lo que la armadura debe girar más rápido para producir la fuerza contraelectromotriz suficiente para equilibrar la tensión de alimentación. El motor puede dañarse por exceso de velocidad. Esto se conoce como desboque.

Los motores en serie, denominados motores universales, pueden utilizarse con corriente alterna . Dado que la tensión de la armadura y la dirección del campo se invierten simultáneamente, el par se sigue generando en la misma dirección. Sin embargo, funcionan a menor velocidad y con menor par en corriente alterna en comparación con corriente continua, debido a la caída de tensión por reactancia en corriente alterna, que no está presente en corriente continua. [ 3 ] Dado que la velocidad no está relacionada con la frecuencia de la red, los motores universales pueden alcanzar velocidades superiores a las síncronas, lo que los hace más ligeros que los motores de inducción de la misma potencia mecánica nominal. Esta es una característica valiosa para herramientas eléctricas portátiles. Los motores universales para uso comercial suelen ser de pequeña capacidad, no más de 1 kW de potencia. Sin embargo, se utilizaron motores universales mucho más grandes para locomotoras eléctricas, alimentadas por redes de tracción  especiales de baja frecuencia para evitar problemas de conmutación bajo cargas pesadas y variables.

Conexión en derivación

Un motor de CC en derivación conecta los devanados de armadura y campo en paralelo o en derivación a una fuente de alimentación de CC común. Este tipo de motor ofrece una buena regulación de velocidad incluso con cargas variables, pero no posee el par de arranque de un motor de CC en serie. [ 4 ] Se utiliza habitualmente en aplicaciones industriales de velocidad regulable, como máquinas herramienta, máquinas de bobinado/desbobinado y tensores.

Conexión compuesta

Un motor de CC compuesto conecta los devanados de armadura y campo en una combinación en derivación y en serie para obtener características tanto de un motor de CC en derivación como en serie. [ 5 ] Este motor se utiliza cuando se requiere un alto par de arranque y una buena regulación de velocidad. El motor puede conectarse de dos maneras: de forma acumulativa o diferencial. Los motores compuestos acumulativos conectan el campo en serie para ayudar al campo en derivación, lo que proporciona un mayor par de arranque pero menor regulación de velocidad. Los motores de CC compuestos diferenciales tienen una buena regulación de velocidad y normalmente funcionan a velocidad constante.

Véase también

Referencias

  1. ↑ Herman, Stephen. Control de motores industriales. 6.ª ed. Delmar, Cengage Learning, 2010. Página 251.
  2. ↑ Ohio Electric Motors. Motores de CC en serie: Alto par de arranque, pero funcionamiento sin carga poco recomendable. Ohio Electric Motors, 2011. Archivado el 31 de octubre de 2011 en Wayback Machine .
  3. ↑ "Motor universal" , Construcción y características de funcionamiento, Consultado el 27 de abril de 2015.
  4. ↑ Laughton MA y Warne DF, editores. Libro de referencia para ingenieros eléctricos. 16.ª ed. Newnes, 2003. Páginas 19-14.
  5. ↑ William H. Yeadon, Alan W. Yeadon. Manual de motores eléctricos pequeños. McGraw-Hill Professional, 2001. Página 4-134.
  • Crea un modelo funcional de motor de corriente continua en sci-toys.com
  • Cómo seleccionar un motor de CC en MICROMO (página archivada)
  • Modelo de motor de CC en Simulink. Archivado el 8 de mayo de 2021 en Wayback Machine en File Exchange - MATLAB Central.