Una bobina de campo es un electroimán que se utiliza para generar un campo magnético en una máquina electromagnética, normalmente una máquina eléctrica rotatoria como un motor o un generador . Consiste en una bobina de alambre por la que fluye una corriente.
En una máquina rotatoria, las bobinas de campo están enrolladas sobre un núcleo magnético de hierro que guía las líneas de campo magnético. El núcleo magnético consta de dos partes: un estator , que es estacionario, y un rotor , que gira en su interior. Las líneas de campo magnético pasan en un bucle continuo o circuito magnético desde el estator a través del rotor y de regreso a través del estator nuevamente. Las bobinas de campo pueden estar en el estator o en el rotor.
La trayectoria magnética se caracteriza por los polos , que son posiciones en ángulos iguales alrededor del rotor en los que las líneas de campo magnético pasan del estator al rotor o viceversa. El estator (y el rotor) se clasifican por la cantidad de polos que tienen. La mayoría de los arreglos utilizan una bobina de campo por polo. Algunos arreglos más antiguos o más simples utilizan una sola bobina de campo con un polo en cada extremo.
Aunque las bobinas de campo se encuentran más comúnmente en máquinas rotatorias, también se utilizan, aunque no siempre con la misma terminología, en muchas otras máquinas electromagnéticas. Estas incluyen electroimanes simples hasta instrumentos de laboratorio complejos como espectrómetros de masas y máquinas de RMN . Las bobinas de campo alguna vez se usaron ampliamente en altavoces antes de la disponibilidad general de imanes permanentes livianos.
La mayoría de las bobinas de campo de CC [nota 1] generan un campo estático constante. La mayoría de las bobinas de campo de CA trifásicas se utilizan para generar un campo rotatorio como parte de un motor eléctrico . Los motores de CA monofásicos pueden seguir cualquiera de estos patrones:
Muchas [nota 1] máquinas eléctricas rotativas requieren que la corriente se transmita a (o se extraiga de) un rotor en movimiento, generalmente por medio de contactos deslizantes: un conmutador o anillos colectores . Estos contactos suelen ser la parte más compleja y menos confiable de una máquina de este tipo, y también pueden limitar la corriente máxima que la máquina puede manejar. Por esta razón, cuando las máquinas deben usar dos juegos de devanados, los devanados que transportan la menor corriente generalmente se colocan en el rotor y los que tienen la corriente más alta en el estator.
Las bobinas de campo se pueden montar en el rotor o en el estator , dependiendo del método que sea más rentable para el diseño del dispositivo.
En un motor de corriente continua con escobillas, el campo es estático, pero la corriente del inducido debe conmutarse para que gire continuamente. Esto se hace alimentando los devanados del inducido en el rotor a través de un conmutador , una combinación de anillos colectores giratorios e interruptores. Los motores de inducción de CA también utilizan bobinas de campo en el estator, y la corriente en el rotor se suministra por inducción en una jaula de ardilla .
En el caso de los generadores, la corriente de campo es menor que la corriente de salida. [nota 2] Por consiguiente, el campo se monta en el rotor y se alimenta a través de anillos colectores. La corriente de salida se toma del estator, lo que evita la necesidad de anillos colectores de alta corriente. En los generadores de CC, que ahora están generalmente obsoletos en favor de los generadores de CA con rectificadores, la necesidad de conmutación significaba que aún podían necesitarse escobillas y conmutadores. En el caso de los generadores de alta corriente y bajo voltaje utilizados en galvanoplastia , esto podía requerir escobillas particularmente grandes y complejas.
En los primeros años del desarrollo del generador, el campo del estator experimentó una mejora evolutiva desde un campo bipolar único a un diseño multipolar posterior.
Los generadores bipolares eran universales antes de 1890, pero en los años siguientes fueron reemplazados por los imanes de campo multipolar. En ese entonces, los generadores bipolares solo se fabricaban en tamaños muy pequeños. [1]
El trampolín entre estos dos tipos principales fue el generador bipolar de polos consecutivos, con dos bobinas de campo dispuestas en un anillo alrededor del estator.
Este cambio era necesario porque los voltajes más altos transmiten la energía de manera más eficiente a través de cables pequeños. Para aumentar el voltaje de salida, un generador de CC debe girar más rápido, pero más allá de cierta velocidad esto no es práctico para generadores de transmisión de energía muy grandes.
Al aumentar el número de caras polares que rodean el anillo de Gramme , se puede lograr que el anillo atraviese más líneas de fuerza magnéticas en una revolución que un generador básico de dos polos. En consecuencia, un generador de cuatro polos podría generar el doble de voltaje que un generador de dos polos, un generador de seis polos podría generar el triple de voltaje que un generador de dos polos, y así sucesivamente. Esto permite que el voltaje de salida aumente sin aumentar también la velocidad de rotación.
En un generador multipolar, la armadura y los imanes de campo están rodeados por un marco circular o "yugo de anillo" al que se fijan los imanes de campo. Esto tiene las ventajas de resistencia, simplicidad, apariencia simétrica y mínima fuga magnética, ya que las piezas polares tienen la menor superficie posible y el camino del flujo magnético es más corto que en un diseño de dos polos. [1]
Las bobinas suelen estar enrolladas con alambre de cobre esmaltado , a veces denominado alambre magnético . El material del bobinado debe tener una resistencia baja para reducir la potencia consumida por la bobina de campo, pero lo que es más importante, para reducir el calor residual producido por el calentamiento resistivo . El exceso de calor en los bobinados es una causa común de falla. Debido al aumento del costo del cobre, cada vez se utilizan más los bobinados de aluminio. [ cita requerida ]
Un material aún mejor que el cobre, excepto por su alto costo, sería la plata, ya que tiene una resistividad aún menor . La plata se ha utilizado en casos raros. Durante la Segunda Guerra Mundial, el proyecto Manhattan para construir la primera bomba atómica utilizó dispositivos electromagnéticos conocidos como calutrones para enriquecer uranio . Se tomaron prestadas miles de toneladas de plata de las reservas del Tesoro de los EE. UU. para construir bobinas de campo de baja resistencia y alta eficiencia para sus imanes. [2] [3]