El rotor es un componente móvil de un sistema electromagnético en el motor eléctrico , generador eléctrico o alternador . Su rotación se debe a la interacción entre los devanados y los campos magnéticos que producen un par alrededor del eje del rotor. [1]
Un ejemplo temprano de rotación electromagnética fue la primera máquina rotatoria construida por Ányos Jedlik con electroimanes y un conmutador , en 1826-27. [2] Otros pioneros en el campo de la electricidad incluyen a Hippolyte Pixii , quien construyó un generador de corriente alterna en 1832, y la construcción de William Ritchie de un generador electromagnético con cuatro bobinas de rotor, un conmutador y escobillas , también en 1832. El desarrollo rápidamente incluyó aplicaciones más útiles como el motor de Moritz Hermann Jacobi que podía levantar de 10 a 12 libras con una velocidad de un pie por segundo, aproximadamente 15 vatios de potencia mecánica en 1834. En 1835, Francis Watkins describe un "juguete" eléctrico que creó; generalmente se lo considera uno de los primeros en comprender la intercambiabilidad del motor y el generador .
Los motores de inducción (asíncronos), los generadores y los alternadores ( síncronos ) tienen un sistema electromagnético formado por un estator y un rotor. Existen dos diseños de rotor en un motor de inducción: de jaula de ardilla y bobinado. En los generadores y alternadores, los diseños de rotor son de polos salientes o cilíndricos .
El rotor de jaula de ardilla consiste en acero laminado en el núcleo con barras de cobre o aluminio espaciadas uniformemente colocadas axialmente alrededor de la periferia, permanentemente cortocircuitadas en los extremos por los anillos de los extremos. [3] Esta construcción simple y robusta lo convierte en el favorito para la mayoría de las aplicaciones. El conjunto tiene un giro: las barras están inclinadas o sesgadas para reducir el zumbido magnético y los armónicos de ranura y para reducir la tendencia al bloqueo. Alojado en el estator, el rotor y los dientes del estator pueden bloquearse cuando están en igual número y los imanes se posicionan igualmente separados, oponiéndose a la rotación en ambas direcciones. [3] Los cojinetes en cada extremo montan el rotor en su carcasa, con un extremo del eje sobresaliendo para permitir la fijación de la carga. En algunos motores, hay una extensión en el extremo no impulsor para sensores de velocidad u otros controles electrónicos. El par generado fuerza el movimiento a través del rotor hacia la carga.
El rotor bobinado es un núcleo cilíndrico hecho de láminas de acero con ranuras para sujetar los cables de sus bobinados trifásicos, que están espaciados uniformemente a 120 grados eléctricos de distancia y conectados en una configuración de "Y". [4] Los terminales del bobinado del rotor se sacan y se unen a los tres anillos colectores con escobillas, en el eje del rotor. [5] Las escobillas en los anillos colectores permiten conectar resistencias trifásicas externas en serie a los bobinados del rotor para proporcionar control de velocidad. [6] Las resistencias externas se convierten en parte del circuito del rotor para producir un gran par al arrancar el motor. A medida que el motor acelera, las resistencias se pueden reducir a cero. [5]
Un rotor de polos salientes se construye sobre una pila de láminas de acero "en forma de estrella", normalmente con 2 o 3 o 4 o 6, tal vez incluso 18 o más "puntas radiales" que sobresalen del medio, cada una de las cuales está enrollada con alambre de cobre para formar un polo electromagnético discreto orientado hacia afuera. Los extremos orientados hacia adentro de cada punta están conectados a tierra magnéticamente en el cuerpo central común del rotor. Los polos se alimentan mediante corriente continua o se magnetizan mediante imanes permanentes . [7] La armadura con un devanado trifásico está en el estator donde se induce el voltaje. La corriente continua (CC), desde un excitador externo o desde un puente de diodos montado en el eje del rotor, produce un campo magnético y energiza los devanados del campo giratorio y la corriente alterna energiza los devanados de la armadura simultáneamente. [8] [7]
Un polo saliente termina en una zapata polar , una pieza de alta permeabilidad con una superficie exterior en forma de segmento de cilindro para homogeneizar la distribución del flujo magnético al estator. [9]
El rotor de forma cilíndrica está hecho de un eje de acero sólido con ranuras que corren a lo largo de la longitud exterior del cilindro para sostener los devanados de campo del rotor que son barras de cobre laminadas insertadas en las ranuras y se aseguran con cuñas. [10] Las ranuras están aisladas de los devanados y se sostienen en el extremo del rotor por anillos colectores. Una fuente de corriente continua (CC) externa está conectada a los anillos colectores montados concéntricamente con escobillas que corren a lo largo de los anillos. [8] Las escobillas hacen contacto eléctrico con los anillos colectores giratorios. La corriente CC también se suministra a través de excitación sin escobillas desde un rectificador montado en el eje de la máquina que convierte la corriente alterna en corriente continua.
En una máquina de inducción trifásica, la corriente alterna suministrada a los devanados del estator lo energiza para crear un flujo magnético giratorio. [11] El flujo genera un campo magnético en el espacio de aire entre el estator y el rotor e induce un voltaje que produce corriente a través de las barras del rotor. El circuito del rotor se cortocircuita y la corriente fluye en los conductores del rotor. [5] La acción del flujo giratorio y la corriente produce una fuerza que genera un par para poner en marcha el motor. [11]
Un rotor de alternador está formado por una bobina de alambre envuelta alrededor de un núcleo de hierro. [12] El componente magnético del rotor está hecho de láminas de acero para ayudar a estampar ranuras de conductores en formas y tamaños específicos. A medida que las corrientes viajan a través de la bobina de alambre, se crea un campo magnético alrededor del núcleo, lo que se conoce como corriente de campo. [1] La intensidad de la corriente de campo controla el nivel de potencia del campo magnético. La corriente continua (CC) impulsa la corriente de campo en una dirección y se entrega a la bobina de alambre mediante un conjunto de escobillas y anillos colectores. Como cualquier imán, el campo magnético producido tiene un polo norte y un polo sur. La dirección normal en el sentido de las agujas del reloj del motor que el rotor está alimentando se puede manipular utilizando los imanes y los campos magnéticos instalados en el diseño del rotor, lo que permite que el motor funcione en sentido inverso o antihorario . [1] [12]
El campo magnético giratorio induce un voltaje en las barras del rotor a medida que pasa sobre ellas. Esta ecuación se aplica al voltaje inducido en las barras del rotor. [11]
dónde:
Un par se produce por la fuerza producida a través de las interacciones del campo magnético y la corriente, como se expresa en: Ibid
dónde:
Un campo magnético del estator gira a velocidad sincrónica, Ibid
dónde:
Si = velocidad del rotor, el deslizamiento, S para un motor de inducción se expresa como:
Velocidad mecánica del rotor, en términos de deslizamiento y velocidad sincrónica:
Velocidad relativa de deslizamiento:
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