Una bobina de campo es un electroimán que se utiliza para generar un campo magnético en una máquina electromagnética, generalmente una máquina eléctrica giratoria , como un motor o un generador . Consiste en una bobina de alambre por la que fluye una corriente.
En una máquina rotativa, las bobinas de campo están enrolladas sobre un núcleo magnético de hierro que guía las líneas del campo magnético. El núcleo magnético consta de dos partes; un estator que es estacionario y un rotor que gira dentro de él. Las líneas del campo magnético pasan en un bucle continuo o circuito magnético desde el estator a través del rotor y nuevamente a través del estator. Las bobinas de campo pueden estar en el estator o en el rotor.
La trayectoria magnética se caracteriza por polos , ubicaciones en ángulos iguales alrededor del rotor en los que las líneas del campo magnético pasan del estator al rotor o viceversa. El estator (y el rotor) se clasifican por el número de polos que tienen. La mayoría de los arreglos utilizan una bobina de campo por polo. Algunas disposiciones más antiguas o más simples utilizan una bobina de campo único con un polo en cada extremo.
Aunque las bobinas de campo se encuentran más comúnmente en máquinas rotativas, también se utilizan, aunque no siempre con la misma terminología, en muchas otras máquinas electromagnéticas. Estos incluyen desde simples electroimanes hasta complejos instrumentos de laboratorio, como espectrómetros de masas y máquinas de RMN . Las bobinas de campo alguna vez se usaron ampliamente en los altavoces antes de la disponibilidad general de los imanes permanentes livianos.
La mayoría de las [nota 1] bobinas de campo de CC generan un campo estático constante. La mayoría de las bobinas de campo de CA trifásicas se utilizan para generar un campo giratorio como parte de un motor eléctrico . Los motores de CA monofásicos pueden seguir cualquiera de estos patrones: los motores pequeños suelen ser motores universales , como el motor de CC con escobillas y un conmutador, pero funcionan con CA. Los motores de CA más grandes son generalmente motores de inducción, ya sean trifásicos o monofásicos.
Muchas [nota 1] máquinas eléctricas rotativas requieren que la corriente sea transportada (o extraída 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 dicha máquina y también pueden limitar la corriente máxima que la máquina puede manejar. Por esta razón, cuando las máquinas deben utilizar dos juegos de devanados, los devanados que transportan menos corriente se suelen colocar en el rotor y los de mayor corriente 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 CC con escobillas, el campo es estático pero la corriente del inducido debe conmutarse para que gire continuamente. Esto se hace suministrando los devanados del inducido en el rotor a través de un conmutador , una combinación de anillo colector giratorio 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 .
Para los generadores, la corriente de campo es menor que la corriente de salida. [nota 2] En consecuencia, el campo se monta en el rotor y se alimenta a través de anillos colectores. La corriente de salida se toma del estator, evitando la necesidad de anillos colectores de alta corriente. En los generadores de CC, que hoy en día están generalmente obsoletos en favor de los generadores de CA con rectificadores, la necesidad de conmutación significaba que aún podrían necesitarse escobillas y conmutadores. En el caso de los generadores de alta corriente y bajo voltaje utilizados en la galvanoplastia , esto podría requerir escobillas especialmente grandes y complejas.
En los primeros años del desarrollo del generador, el campo del estator pasó por una mejora evolutiva desde un campo bipolar único hasta un diseño multipolar posterior.
Los generadores bipolares eran universales antes de 1890, pero en los años siguientes fueron reemplazados por imanes de campo multipolar. Los generadores bipolares sólo se fabricaban en tamaños muy pequeños. [1]
El trampolín entre estos dos tipos principales fue el consiguiente generador bipolar de polos, con dos bobinas de campo dispuestas en un anillo alrededor del estator.
Este cambio era necesario porque los voltajes más altos transmiten 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 hacer que el anillo corte más líneas de fuerza magnéticas en una revolución que un generador bipolar básico. 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 tres veces el voltaje de uno 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 anular" al que están unidos los imanes de campo. Esto tiene las ventajas de resistencia, simplicidad, apariencia simétrica y fuga magnética mínima, ya que las piezas polares tienen la menor superficie posible y la trayectoria del flujo magnético es más corta que en un diseño bipolar. [1]
Las bobinas suelen estar enrolladas con alambre de cobre esmaltado , a veces denominado alambre magnético . El material del devanado debe tener una resistencia baja, para reducir la energía consumida por la bobina de campo, pero más importante aún, para reducir el calor residual producido por el calentamiento resistivo . El exceso de calor en los devanados es una causa común de falla. Debido al aumento del coste del cobre, se utilizan cada vez más devanados de aluminio.
Un material incluso mejor que el cobre, salvo su elevado coste, sería la plata, ya que tiene una resistividad aún menor . En casos raros se ha utilizado plata. 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 Estados Unidos para construir bobinas de campo altamente eficientes y de baja resistencia para sus imanes. [2] [3]