Motores y generadores eléctricos

motores de corriente continua

• * Se utilizan varios nmemonicos diferentes para recordar la direccion de la fuerza.Algunos usan la mano derecha, otros la izquierda.Para los estudiantes que sabenmultiplicación de vectores, es fácil usar la fuerza de Lorentz directamente:F= qvXB, de dondeF= yodLXB.Ese es el origen del diagrama que se muestra aquí.

• En todo momento, usamos azul para el polo norte y rojo para el sur.Esto es solo una convención para dejar clara la orientación: no hay diferencia en el material en ninguno de los extremos del imán y, por lo general, no están pintados de un color diferente.

Nótese el efecto de lacepillossobre elanillo partido.Cuando el plano de la bobina giratoria alcance la horizontal, las escobillas romperán el contacto (no se pierde mucho, porque este es el punto de par cero de todos modos: las fuerzas actúan hacia adentro).El momento angular de la bobina la lleva más allá de este punto de ruptura y luego la corriente fluye en la dirección opuesta, lo que invierte el dipolo magnético.Entonces, después de pasar el punto de ruptura, el rotor continúa girando en sentido antihorario y comienza a alinearse en la dirección opuesta.En el siguiente texto, utilizaré en gran medida la imagen de 'torsión en un imán', pero tenga en cuenta que el uso de escobillas o de corriente alterna puede hacer que los polos del electroimán en cuestión cambien de posición cuando la corriente cambia de dirección.

El par generado durante un ciclo varía con la separación vertical de las dos fuerzas.Por lo tanto, depende del seno del ángulo entre el eje de la bobina y el campo.Sin embargo, debido al anillo dividido, siempre tiene el mismo sentido.La animación a continuación muestra su variación en el tiempo, y puede detenerla en cualquier etapa y verificar la dirección aplicando la regla de la mano derecha.
 

Motores y generadores

Si usa energía mecánica para hacer girar la bobina (N vueltas, área A) a una velocidad angular uniforme ω en el campo magnéticoB, producirá una fem sinusoidal en la bobina.fem (una fem o fuerza electromotriz es casi lo mismo que un voltaje).Sea θ el ángulo entreBy la normal a la bobina, por lo que el flujo magnético φ es NAB.cos θ.La ley de Faraday da:

• fem = − dφ/dt = − (d/dt) (NBA cos θ)

  = NBA sen θ (dθ/dt) = NBAω sen ωt.

un alternador

En la siguiente animación, las dos escobillas hacen contacto con dos anillos continuos, por lo que los dos terminales externos siempre están conectados a los mismos extremos de la bobina.El resultado es la fem sinusoidal no rectificada dada por NBAω sen ωt, que se muestra en la siguiente animación.

fem posterior

Así que aquí hay un corolario interesante.Todo motor es un generador..Esto es cierto, en cierto sentido, incluso cuando funciona como un motor.La fem que genera un motor se llamafem posterior.La fuerza contraelectromotriz aumenta con la velocidad, debido a la ley de Faraday.Entonces, si el motor no tiene carga, gira muy rápido y acelera hasta que la fuerza contraelectromotriz, más la caída de voltaje debido a las pérdidas, igualan el voltaje de suministro.La fuerza contraelectromotriz se puede considerar como un "regulador": detiene el giro del motor infinitamente rápido (lo que ahorra a los físicos algo de vergüenza).Cuando el motor está cargado, la fase del voltaje se vuelve más cercana a la de la corriente (comienza a parecer resistiva) y esta resistencia aparente da un voltaje.Entonces, la fuerza contraelectromotriz requerida es más pequeña y el motor gira más lentamente.(Para agregar la fuerza contraelectromotriz, que es inductiva, al componente resistivo, debe agregar voltajes que estén desfasados. Consultecircuitos de CA.)

Las bobinas suelen tener núcleos

En la práctica (ya diferencia de los diagramas que hemos dibujado), los generadores y los motores de CC a menudo tienen un núcleo de alta permeabilidad dentro de la bobina, de modo que las corrientes moderadas producen grandes campos magnéticos.Esto se muestra a la izquierda en la siguiente figura en la que elestatores(los imanes que son estacionarios) son imanes permanentes.

Motores 'universales'

Los imanes del estator también podrían fabricarse como electroimanes, como se muestra arriba a la derecha.Los dos estatores están enrollados en la misma dirección para generar un campo en la misma dirección y el rotor tiene un campo que se invierte dos veces por ciclo porque está conectado a escobillas, que se omiten aquí.Una ventaja de tener estatores bobinados en un motor es que se puede hacer un motor que funcione con CA o CC, lo que se denominamotores universales.Cuando maneja un motor de este tipo con CA, la corriente en la bobina cambia dos veces en cada ciclo (además de los cambios de las escobillas), pero la polaridad de los estatores cambia al mismo tiempo, por lo que estos cambios se cancelan.(Desafortunadamente, sin embargo, todavía hay cepillos, aunque los he escondido en este boceto). Para conocer las ventajas y desventajas del imán permanente versus los estatores bobinados, consulteabajo.Ver tambiénmás sobre motores universales.

Construye un motor sencillo

Haga la bobina con alambre de cobre rígido, de modo que no necesite ningún soporte externo.Enrolle de 5 a 20 vueltas en un círculo de unos 20 mm de diámetro y haga que los dos extremos apunten radialmente hacia afuera en direcciones opuestas.Estos extremos serán tanto el eje como los contactos.Si el cable tiene aislamiento de laca o plástico, quítelo en los extremos.

motores de corriente alterna

Lo primero que debe hacer en un motor de CA es crear un campo giratorio.La CA 'ordinaria' de un enchufe de 2 o 3 clavijas es CA monofásica: tiene una única diferencia de potencial sinusoidal generada entre solo dos cables: el activo y el neutro.(Tenga en cuenta que el cable de tierra no transporta corriente excepto en el caso de fallas eléctricas). Con CA monofásica, se puede producir un campo giratorio al generar dos corrientes que están desfasadas usando, por ejemplo, un capacitor.En el ejemplo que se muestra, las dos corrientes están desfasadas 90°, por lo que la componente vertical del campo magnético es sinusoidal, mientras que la horizontal es cosusoidal, como se muestra.Esto da un campo que gira en sentido contrario a las agujas del reloj.

(* Me han pedido que explique esto: de simpleteoría de la CA, ni las bobinas ni los condensadores tienen la tensión en fase con la corriente.En un capacitor, el voltaje es máximo cuando la carga ha terminado de fluir hacia el capacitor y está a punto de comenzar a fluir.Por lo tanto, el voltaje está detrás de la corriente.En una bobina puramente inductiva, la caída de voltaje es mayor cuando la corriente cambia más rápidamente, que también es cuando la corriente es cero.El voltaje (caída) está por delante de la corriente.En las bobinas de los motores, el ángulo de fase es bastante inferior a 90°, porque la energía eléctrica se convierte en energía mecánica).

En esta animación, los gráficos muestran la variación en el tiempo de las corrientes en las bobinas vertical y horizontal.La gráfica de los componentes del campo B_Xy B_ymuestra que la suma vectorial de estos dos campos es un campo giratorio.La imagen principal muestra el campo giratorio.También muestra la polaridad de los imanes: como arriba, el azul representa un polo norte y el rojo un polo sur.

Si colocamos un imán permanente en esta área de campo giratorio, o si colocamos una bobina cuya corriente siempre corre en la misma dirección, entonces esto se convierte en unmotor sincrónico.Bajo una amplia gama de condiciones, el motor girará a la velocidad del campo magnético.Si tenemos muchos estatores, en lugar de solo los dos pares que se muestran aquí, podríamos considerarlo como un motor paso a paso: cada pulso mueve el rotor hacia el siguiente par de polos activados.Recuerde mi advertencia sobre la geometría idealizada: ¡los motores paso a paso reales tienen docenas de polos y geometrías bastante complicadas!

Motores de inducción

La animación de la derecha representa unamotor de jaula de ardilla.La jaula de ardilla tiene (en esta geometría simplificada, de todos modos) dos conductores circulares unidos por varias barras rectas.Dos barras cualesquiera y los arcos que las unen forman una bobina, como lo indican los guiones azules en la animación.(Solo se muestran dos de los muchos circuitos posibles, por simplicidad).

Este esquema sugiere por qué podrían llamarse motores de jaula de ardilla.La realidad es otra: para fotos y más detalles, verMotores de inducción.El problema con los motores de jaula de ardilla y de inducción que se muestran en esta animación es que los capacitores de alto valor y alto voltaje son costosos.Una solución es el motor de "polo sombreado", pero su campo giratorio tiene algunas direcciones en las que el par es pequeño y tiene tendencia a funcionar hacia atrás en algunas condiciones.La mejor manera de evitar esto es usar motores multifásicos.

Motores de inducción de CA trifásicos

Si uno pone un imán permanente en tal conjunto de estatores, se convierte en unmotor trifásico síncrono.La animación muestra una jaula de ardilla, en la que, por simplicidad, solo se muestra uno de los muchos bucles de corriente inducida.Sin carga mecánica, gira virtualmente en fase con el campo giratorio.No es necesario que el rotor sea una jaula de ardilla: de hecho, cualquier conductor que transporte corrientes de Foucault girará, tendiendo a seguir el campo giratorio.Este arreglo puede dar unaMotor de induccióncapaz de alta eficiencia, alta potencia y altos pares en un rango de velocidades de rotación.

motores lineales