Motor eléctrico

Campo magnético que rota como suma de vectores magnéticos a partir de 3 bobinas de la fase.

El motor eléctrico es un dispositivo que transforma la energía eléctrica en energía mecánica por medio de la acción de los campos magnéticos generados en sus bobinas. Son máquinas eléctricas rotatorias compuestas por un estátor y un rotor.

Algunos de los motores eléctricos son reversibles, ya que pueden transformar energía mecánica en energía eléctrica funcionando como generadores o dinamo. Los motores eléctricos de tracción usados en locomotoras o en automóviles híbridos realizan a menudo ambas tareas, si se diseñan adecuadamente.

Son utilizados en infinidad de sectores tales como instalaciones industriales, comerciales y particulares. Su uso está generalizado en ventiladores, vibradores para teléfonos móviles, bombas, medios de transporte eléctricos, electrodomésticos, esmeriles angulares y otras herramientas eléctricas, unidades de disco, etc. Los motores eléctricos pueden ser impulsados por fuentes de corriente continua (DC), y por fuentes de corriente alterna (AC).

La corriente directa o corriente continua proviene de las baterías, los paneles solares, dínamos, fuentes de alimentación instaladas en el interior de los aparatos que operan con estos motores y con rectificadores. La corriente alterna puede tomarse para su uso en motores eléctricos bien sea directamente de la red eléctrica, alternadores de las plantas eléctricas de emergencia y otras fuentes de corriente alterna bifásica o trifásica como los inversores de potencia.

Los pequeños motores se pueden encontrar hasta en relojes eléctricos. Los motores de uso general con dimensiones y características más estandarizadas proporcionan la potencia adecuada al uso industrial. Los motores eléctricos más grandes se usan para propulsión de trenes, compresores y aplicaciones de bombeo con potencias que alcanzan 100 megavatios. Estos motores pueden ser clasificados por el tipo de fuente de energía eléctrica, construcción interna, aplicación, tipo de salida de movimiento, etcétera.

Historia

Werner von Siemens patentó en 1866 la dinamo. Con ello no sólo contribuyó al inicio de los motores eléctricos, sino también introdujo el concepto de Ingeniería Eléctrica, creando planes de formación profesional para los técnicos de su empresa. La construcción de las primeras máquinas eléctricas fue lograda en parte, sobre la base de experiencia práctica. A mediados de la década de 1880, gracias a la teoría desarrollada por Nikola Tesla y al éxito de Werner von Siemens, la ingeniería eléctrica se introdujo como disciplina en las universidades.

La fascinación por la electricidad aumentó con la invención de la dinamo. Karl Marx predijo que la electricidad causaría una revolución de mayores alcances que la que se vivía en la época con las máquinas de vapor. Antonio Pacinotti inventó el inducido en forma de anillo en una máquina que transformaba movimiento mecánico en corriente eléctrica continua con una pulsación, y dijo que su máquina podría funcionar de forma inversa. Ésta es la idea del motor eléctrico de corriente continua.

Los primeros motores eléctricos técnicamente utilizables fueron creados por el ingeniero Moritz von Jacobi, quien los presentó por primera vez al mundo en 1834.

Principio de funcionamiento

Los motores eléctricos son dispositivos que transforman energía eléctrica en energía mecánica. El medio de esta transformación de energía en los motores eléctricos es el campo magnético. Existen diferentes tipos de motores eléctricos y cada tipo tiene distintos componentes cuya estructura determina la interacción de los flujos eléctricos y magnéticos que originan la fuerza o par de torsión del motor.

El principio fundamental que describe cómo es que se origina una fuerza por la interacción de una carga eléctrica puntual q en campos eléctricos y magnéticos es la Ley de Lorentz:^[1]

\mathbf {F} =q(\mathbf {E} +\mathbf {v} \times \mathbf {B} )

donde:

q : carga eléctrica puntual

\mathbf {E}

: Campo eléctrico

\mathbf {v}

: velocidad de la partícula

\mathbf {B}

: densidad de campo magnético

En el caso de un campo puramente eléctrico la expresión de la ecuación se reduce a:

\mathbf {F} =q\mathbf {E}

La fuerza en este caso está determinada solamente por la carga q y por el campo eléctrico $\mathbf {E}$ . Es la fuerza de Coulomb que actúa a lo largo del conductor originando el flujo eléctrico, por ejemplo en las bobinas del estátor de las máquinas de inducción o en el rotor de los motores de corriente continua.

En el caso de un campo puramente magnético:

\mathbf {F} =q(\mathbf {v} \times \mathbf {B} )

La fuerza está determinada por la carga, la densidad del campo magnético $\mathbf {B}$ y la velocidad de la carga $\mathbf {v}$ . Esta fuerza es perpendicular al campo magnético y a la dirección de la velocidad de la carga. Normalmente hay muchísimas cargas en movimiento por lo que conviene reescribir la expresión en términos de densidad de carga $\rho$ y se obtiene entonces densidad de fuerza $\mathbf {Fv}$ (fuerza por unidad de volumen):

\mathbf {Fv} =\rho (\mathbf {E} +\mathbf {v} \times \mathbf {B} )

Al producto $\rho \mathbf {v}$ se le conoce como densidad de corriente $\mathbf {J}$ (amperes por metro cuadrado):

\mathbf {J} =\rho \mathbf {v} \,\!

Entonces la expresión resultante describe la fuerza producida por la interacción de la corriente con un campo magnético:

\mathbf {Fv} =\mathbf {J} \times \mathbf {B}

Este es un principio básico que explica cómo se originan las fuerzas en sistemas electromecánicos como los motores eléctricos. Sin embargo, la completa descripción para cada tipo de motor eléctrico depende de sus componentes y de su construcción.

Ventajas

A igual potencia, su tamaño y peso son más reducidos.
Se pueden construir de cualquier tamaño y forma, siempre que el voltaje lo permita.
Tiene un par de giro elevado y, según el tipo de motor, prácticamente constante.
Su rendimiento es muy elevado (típicamente en torno al 75 %, aumentando a medida que se incrementa la potencia de la máquina).
Este tipo de motores no emite contaminantes, aunque en la generación de energía eléctrica de la mayoría de las redes de suministro, sí se emiten contaminantes.
No necesita de refrigeración ni ventilación externa, están autoventilados.
No necesita de transmisión/marchas.

Motores de corriente continua

Artículo principal: Motor de corriente continua

Los motores de corriente continua se clasifican según la forma como estén conectados, en:

Además de los anteriores, existen otros tipos que son utilizados en electrónica:

Motores de corriente alterna

Artículo principal: Motor de corriente alterna

Existen tres tipos, siendo el primero y el último los más utilizados:

Motor universal, puede trabajar tanto en CA como en CC.
Motor asíncrono
Motor síncrono

Usos

Los motores eléctricos se utilizan en la gran mayoría de las máquinas modernas. Su reducido tamaño permite introducir motores potentes en máquinas de pequeño tamaño, por ejemplo taladros o batidoras. Su elevado par motor y alta eficiencia lo convierten en el motor ideal para la tracción de transportes pesados como trenes; así como la propulsión de barcos, submarinos y dúmperes de minería, a través del sistema Diésel-eléctrico.

Cambio de sentido de giro

Para efectuar el cambio de sentido de giro de los motores eléctricos de corriente alterna se siguen unos simples pasos tales como:

Para motores monofásicos únicamente es necesario invertir las terminales del devanado de arranque, esto se puede realizar manualmente o con relés conmutadores
Para motores trifásicos únicamente es necesario invertir dos de las conexiones de alimentación correspondientes a dos fases de acuerdo a la secuencia de trifases.
Para motores de corriente alterna es necesario invertir los contactos del par de arranque.

Regulación de velocidad

Síncronos trifásicos existen dos formas de poder variar la velocidad, una es variando la frecuencia mediante un equipo electrónico especial y la otra es variando la polaridad gracias al diseño del motor. Esto último es posible en los motores de devanado separado o los motores de conexión Hilandera ,^[2] pero sólo es posible tener un cambio de polaridad limitado, por ejemplo, de dos y cuatro polos.

Véase también

Referencias

↑ Fitzgerald, A.E., Kinglsley, C., Umans, S., Electric Machinery, sexta Edición, Mc.Graw Hill, International Edition 2003, ISBN 0-07-112193-5
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Enlaces externos

Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre motores eléctricos.
Motor eléctrico de Beakman
Control de motores de CC, Puente H
Control de motores de CC, Control por Ancho de Pulso (PWM)
Control de motores de CC, Circuitos con realimentación
Simbología de motores eléctricos
Modulador de tensión y frecuencia para motor eléctrico

[1] Fitzgerald, A.E., Kinglsley, C., Umans, S., Electric Machinery, sexta Edición, Mc.Graw Hill, International Edition 2003, ISBN 0-07-112193-5

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