Motor-CA eléctrica SGMP-15A3A4EPU servo 3000RMP del motor servo los 4.77N.m de Yaskawa

Un motor de CC simple tiene una bobina de alambre que puede girar en un campo magnético. La corriente en la bobina se suministra a través de dos escobillas que hacen contacto móvil con un anillo partido. La bobina se encuentra en un campo magnético constante. Las fuerzas ejercidas sobre los cables que transportan corriente crean un par en la bobina.

La fuerza F sobre un alambre de longitud L que transporta una corriente i en un campo magnético B es iLB multiplicado por el seno del ángulo entre B e i, que sería de 90° si el campo fuera uniformemente vertical. La dirección de F proviene de la regla de la mano derecha*, como se muestra aquí. Las dos fuerzas que se muestran aquí son iguales y opuestas, pero están desplazadas verticalmente, por lo que ejercen un torque. (Las fuerzas en los otros dos lados de la bobina actúan a lo largo de la misma línea y, por lo tanto, no ejercen torsión).

La bobina también puede considerarse como un dipolo magnético, o un pequeño electroimán, como lo indica la flecha SN: dobla los dedos de tu mano derecha en la dirección de la corriente y tu pulgar es el polo norte. En el dibujo de la derecha, el electroimán formado por la bobina del rotor se representa como un imán permanente, y se ve que el mismo par (el Norte atrae al Sur) es el que actúa para alinear el imán central.

• En todo momento usamos azul para el polo norte y rojo para el sur. Esto es sólo 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 lacepillosen elanillo partido. Cuando el plano de la bobina giratoria alcanza la horizontal, las escobillas romperán el contacto (no se pierde mucho, porque de todos modos este es el punto de par cero: las fuerzas actúan hacia adentro). El momento angular de la bobina la lleva más allá de este punto de ruptura y 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 del "par 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 intercambien su posición cuando la corriente cambia de dirección.

El par generado durante un ciclo varía con la separación vertical de las dos fuerzas. Por tanto, depende del seno del ángulo entre el eje de la bobina y el campo. Sin embargo, debido al anillo partido, siempre es en el mismo sentido. La siguiente animación muestra su variación en el tiempo y puedes detenerla en cualquier momento y comprobar la dirección aplicando la regla de la mano derecha.

Ahora bien, un motor de CC también es un generador de CC. Echa un vistazo a la siguiente animación. La bobina, el anillo partido, las escobillas y el imán son exactamente el mismo hardware que el motor de arriba, pero la bobina está girando, lo que genera una fem.

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.

La animación anterior se llamaría generador de CC. Como en el motor de CC, los extremos de la bobina se conectan a un anillo partido, cuyas dos mitades están en contacto con las escobillas. Tenga en cuenta que las escobillas y el anillo partido 'rectifican' la fem producida: los contactos están organizados de manera que la corriente siempre fluirá en la misma dirección, porque cuando la bobina pasa por el punto muerto, donde las escobillas se encuentran con el espacio en el anillo, las conexiones entre los extremos de la bobina y los terminales externos se invierten. La fem aquí (despreciando el punto muerto, que ocurre convenientemente a cero voltios) es |NBAω sen ωt|, como se muestra.

Si queremos CA, no necesitamos recificación, por lo que no necesitamos anillos partidos. (Esta es una buena noticia, porque los anillos partidos causan chispas, ozono, interferencias de radio y desgaste adicional. Si desea CC, a menudo es mejor usar un alternador y rectificar con diodos).

En la siguiente animación, los dos cepillos 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.

Ahora bien, como muestran las dos primeras animaciones, los motores y generadores de CC pueden ser lo mismo. Por ejemplo, los motores de los trenes se convierten en generadores cuando el tren frena: convierten la energía cinética en energía eléctrica y devuelven energía a la red. Recientemente, algunos fabricantes han comenzado a fabricar automóviles de forma racional. En estos vehículos, los motores eléctricos utilizados para impulsar el vehículo también se utilizan para cargar las baterías cuando el vehículo está parado; esto se denomina frenado regenerativo.

He aquí, pues, un corolario interesante.Cada motor es un generador.. Esto es cierto, en cierto sentido, incluso cuando funciona como motor. La fem que genera un motor se llamafem trasera. La fuerza contraelectromotriz aumenta con la velocidad, debido a la ley de Faraday. Entonces, si el motor no tiene carga, gira muy rápidamente y acelera hasta que la fuerza contraelectromotriz, más la caída de voltaje debido a las pérdidas, iguala el voltaje de suministro. La fuerza contraelectromotriz puede considerarse como un "regulador": detiene el giro del motor a una velocidad infinita (evitando así a los físicos cierta vergüenza). Cuando el motor está cargado, la fase del voltaje se acerca a la de la corriente (comienza a parecer resistiva) y esta resistencia aparente da un voltaje. Por lo tanto, la fuerza contraelectromotriz requerida es menor y el motor gira más lentamente. (Para agregar la fuerza contraelectromotriz, que es inductiva, al componente resistivo, es necesario agregar voltajes que estén desfasados. Consulte Circuitos de CA).

Las bobinas suelen tener núcleos.

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

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 aquí se omiten. Una ventaja de tener estatores bobinados en un motor es que se puede fabricar un motor que funcione con CA o CC, lo que se denominamotores universales. Cuando se acciona 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 pinceles, aunque los he escondido en este boceto).

Para construir este motor simple pero extraño, se necesitan dos imanes bastante fuertes (los imanes de tierras raras de unos 10 mm de diámetro estarían bien, al igual que las barras magnéticas más grandes), un cable de cobre rígido (al menos 50 cm), dos cables con pinzas de cocodrilo en cada extremo, una batería de linterna de seis voltios, dos latas de refresco, dos bloques de madera, un poco de cinta adhesiva y un clavo afilado.

Haz la bobina con alambre de cobre rígido, para 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.

Con las corrientes alternas podemos invertir las direcciones del campo sin tener que utilizar escobillas. Esta es una buena noticia, porque podemos evitar la formación de arcos, la producción de ozono y la pérdida óhmica de energía que pueden conllevar las escobillas. Además, debido a que los cepillos hacen contacto entre superficies en movimiento, se desgastan.

Lo primero que se debe hacer en un motor de CA es crear un campo giratorio. La CA 'normal' 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 generando dos corrientes que están desfasadas usando, por ejemplo, un capacitor. En el ejemplo mostrado, 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 antihorario.

(* Me pidieron que explicara esto: ni las bobinas ni los capacitores tienen el voltaje 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 del motor, el ángulo de fase es bastante menor que 90¡, porque la energía eléctrica se está convirtiendo en energía mecánica.)

En esta animación, los gráficos muestran la variación en el tiempo de las corrientes en las bobinas verticales y horizontales. La gráfica de los componentes del campo B._incógnitay 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 el polo norte y el rojo el polo sur.

Si ponemos un imán permanente en esta zona del campo giratorio, o si ponemos una bobina cuya corriente siempre corre en la misma dirección, entonces esto se convierte en unmotor sincrónico. En 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, entonces podríamos considerarlo como un motor paso a paso: cada pulso mueve el rotor hacia el siguiente par de polos accionados. Recuerde mi advertencia sobre la geometría idealizada: ¡los motores paso a paso reales tienen docenas de polos y geometrías bastante complicadas!

Ahora bien, dado que tenemos un campo magnético que varía con el tiempo, podemos utilizar la fem inducida en una bobina (o incluso simplemente las corrientes parásitas en un conductor) para convertir el rotor en un imán. Así es, una vez que tienes un campo magnético giratorio, puedes simplemente colocar un conductor y gira. Esto da varios de losVentajas de los motores de inducción.: sin escobillas ni conmutador significa una fabricación más fácil, sin desgaste, sin chispas, sin producción de ozono y sin la pérdida de energía asociada a ellos.

La animación de la derecha representa unamotor de jaula de ardilla. La jaula de ardilla tiene (¡al menos en esta geometría simplificada!) 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. (Para simplificar, sólo se han mostrado dos de los muchos circuitos posibles.)

Este esquema sugiere por qué podrían denominarse motores de jaula de ardilla. La realidad es otra: para fotos y más detalles. El problema con los motores de inducción y de jaula de ardilla que se muestran en esta animación es que los condensadores de alto valor y alto voltaje son caros. Una solución es el motor de "polo sombreado", pero su campo giratorio tiene algunas direcciones en las que el par es pequeño y tiende a girar hacia atrás en algunas condiciones. La forma más sencilla de evitar esto es utilizar motores multifásicos.

La monofásica se utiliza en aplicaciones domésticas para aplicaciones de baja potencia, pero tiene algunos inconvenientes. Una es que se apaga 100 veces por segundo (no notas que las luces fluorescentes parpadean a esta velocidad porque tus ojos son demasiado lentos: incluso 25 imágenes por segundo en el televisor son lo suficientemente rápidos como para dar la ilusión de un movimiento continuo). La segunda es que dificulta la producción de campos magnéticos giratorios. Por este motivo, algunos aparatos domésticos de alta potencia (varios kW) pueden requerir una instalación trifásica. Las aplicaciones industriales utilizan ampliamente el sistema trifásico y el motor de inducción trifásico es un caballo de batalla estándar para aplicaciones de alta potencia. Los tres cables (sin contar la tierra) llevan tres posibles diferencias de potencial que están desfasadas entre sí en 120°, como se muestra en la siguiente animación. Así, tres estatores dan un campo que gira suavemente.

Si se coloca 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, sólo se muestra uno de los muchos bucles de corriente inducida. Sin carga mecánica, gira prácticamente en fase con el campo giratorio. El rotor no tiene por qué ser una jaula de ardilla: de hecho, cualquier conductor que transporte corrientes parásitas 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.

Se puede utilizar un conjunto de bobinas para crear un campo magnético que se traslade, en lugar de rotar. El par de bobinas en la animación a continuación reciben impulsos, de izquierda a derecha, por lo que la región del campo magnético se mueve de izquierda a derecha. Un imán permanente o electroimán tenderá a seguir el campo. Lo mismo sucedería con una simple losa de material conductor, porque las corrientes parásitas inducidas en ella (no mostradas) constituyen un electroimán. Alternativamente, podríamos decir que, según la ley de Faraday, siempre se induce una fem en la losa de metal para oponerse a cualquier cambio en el flujo magnético, y las fuerzas sobre las corrientes impulsadas por esta fem mantienen el flujo en la losa casi constante. (Las corrientes de Foucault no se muestran en esta animación).