Un motor eléctrico bipolar es un motor eléctrico con solo dos polos (por lo tanto, bi- ) en su campo estacionario. [1] Son un ejemplo del motor de corriente continua con escobillas simple , con un conmutador . Este campo puede generarse mediante un imán permanente o una bobina de campo .
El término "bipolar" se refiere al campo estacionario del motor, no al rotor. [1] Los rotores suelen tener más de dos polos, tres para un motor simple y potencialmente más para un motor de alta potencia. Un rotor de dos polos tiene la desventaja de que no arranca por sí solo en todas las posiciones y, por lo tanto, es necesario moverlo para que arranque.
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Los primeros motores eléctricos de corriente continua, a partir del motor Gramme de la década de 1870, utilizaban campos bipolares. Estas primeras máquinas utilizaban piezas polares de campo de diseño rudimentario con circuitos magnéticos largos, espacios entre polos amplios y piezas polares estrechas que proporcionaban solo un flujo limitado a través de la armadura. Estos campos solían tener forma de herradura, con imanes permanentes en forma de herradura o bien con una o dos bobinas de campo a cierta distancia de los polos.
Los primeros cables aislados se aislaban, si es que se aislaban, [notas 1] con envolturas de hilo de algodón. Estas bobinas solo podían soportar un aumento de temperatura bajo antes de sobrecalentarse y quemarse con un cortocircuito. Por lo tanto, las bobinas eran largas y poco profundas, a veces de una sola capa de cable, lo que requería un núcleo largo simplemente para contener su tamaño. Se podían montar bobinas pequeñas individuales horizontalmente, pero la disposición más común utilizaba dos bobinas altas una al lado de la otra.
Para mejorar la eficiencia del circuito magnético, se observó que se podían proporcionar múltiples caminos magnéticos a través de la misma armadura. Las dos bobinas se separaron y se colocaron a los lados del motor, con su núcleo de hierro como un circuito en forma de 8 lateral y la armadura en un espacio entre polos central. El flujo de ambas bobinas pasó a través de este espacio. Esto dio como resultado un circuito magnético que era más corto en general y, por lo tanto, tenía menos pérdidas magnéticas. Los devanados de bobina más compactos fueron posibles gracias al uso de goma laca para impregnar los devanados y mejorar la confiabilidad de su aislamiento.
Los diseños posteriores, de alrededor de 1900, se volvieron más compactos con circuitos magnéticos más cortos y eficientes. Las bobinas de campo ahora se movieron hacia bobinas internas cortas y achaparradas alrededor de las piezas polares. [1] El resto del circuito magnético era una trayectoria circular de doble cara alrededor de la carcasa del motor. Si bien se diseñó principalmente para ser más eficiente, esto también proporcionó un diseño mucho más compacto en términos de espacio.
Este diseño circular también representó el fin del motor bipolar como fuente de energía industrial. Fue posible colocar un segundo conjunto de bobinas de campo y piezas polares dentro del mismo tamaño de carcasa, lo que dio como resultado una disposición de cuatro polos. Debido a la provisión más eficiente de flujo de campo alrededor de toda la circunferencia de la armadura, esto dio como resultado un motor de casi el doble de potencia, para la misma corriente de armadura. [1] La corriente de armadura y el conmutador y el engranaje de escobillas asociados, representaban una de las partes más caras del motor para fabricar.
Uno de los últimos usos industriales de los grandes motores bipolares fue para las locomotoras eléctricas clase EP-2 de Milwaukee Road de 1917. [2] La línea había elegido electrificar su ruta de la División Costera , utilizando un voltaje de 3000 V CC. Estas no fueron las primeras locomotoras eléctricas producidas e incorporaron lecciones aprendidas de prácticas anteriores. Muchas de las primeras locomotoras habían utilizado uno o dos motores grandes montados en el bastidor de la locomotora , con tracción a las ruedas mediante la práctica tradicional de las locomotoras de vapor de bielas de acoplamiento . Cuando se utilizaban motores de CA, que requerían muchos polos y, por lo tanto, grandes diámetros, estos motores montados en el bastidor parecían inevitables a pesar de que requerían esta tracción mecánica de mantenimiento intensivo para las ruedas. Un sistema alternativo de motores de tracción suspendidos en el morro utilizaba pequeños motores de alta velocidad junto a cada eje, que se impulsaban a través de una caja de cambios reductora. Este sistema acabaría predominando tanto en las locomotoras eléctricas como en las diésel, pero en ese momento era difícil producir una caja de cambios fiable de alta potencia.
El diseño "bipolar" utilizaba motores montados en el eje, que impulsaban cada rueda directamente. El eje formaba el eje no solo de las ruedas, sino también del inducido del motor. Este sistema, obviamente simple, ya se había utilizado antes, pero solo para locomotoras de baja potencia con motores livianos. Como las ruedas y el eje, y en este caso también el motor, no están suspendidos por la suspensión, cualquier peso adicional en este caso conduciría a malas cualidades de conducción. Para permitir su uso en estas nuevas locomotoras extremadamente potentes, el motor se dividió en dos. El inducido se formó como parte del eje, pero los polos de campo y las bobinas, mucho más pesados, se transportaron sobre el bastidor suspendido de la locomotora. Esto proporcionó una marcha aceptable.
La complejidad de este sistema era que la armadura debía poder moverse hacia arriba y hacia abajo con respecto al campo, a medida que se movía la suspensión. Con un motor de cuatro polos contemporáneo, esto variaría la distancia entre los polos superior e inferior, probablemente hasta el punto de que la armadura golpeara las piezas polares (el recorrido de la suspensión era mucho mayor que las distancias típicas entre los polos). La solución fue volver al relativamente anticuado motor bipolar. Al colocar los polos a los lados de la armadura y darles caras verticales planas, la armadura podía moverse hacia arriba y hacia abajo entre ellos. El diseño del motor era relativamente ineficiente, incluso para los estándares de la época, pero estas locomotoras estaban diseñadas para su potencia y capacidad de transporte con un generoso suministro de hidroelectricidad barata, en lugar de estar diseñadas para la eficiencia.
Los primeros diseños "bipolares" incluyeron el pionero S-Motor de New York Central de 1904 y el posterior T-Motor de 1913, sin embargo, la clase EP-2 de Milwaukee Road se convirtió en la clase más asociada con el motor bipolar, obteniendo incluso el nombre "Bi-Polar" para la clase.
Las locomotoras EP-2 funcionaron de forma fiable y satisfactoria durante 35 años. Finalmente, se retiraron del mercado debido a la decadencia general de los ferrocarriles estadounidenses a finales de los años 50, la llegada de la energía diésel barata y, en particular, a una reconstrucción de la clase que se llevó a cabo de forma deficiente y dejó a las locomotoras reconstruidas con problemas de fiabilidad.
El motor bipolar todavía se utiliza ampliamente en la actualidad, en aplicaciones de potencia media y bajo coste, como los motores universales utilizados en electrodomésticos como batidoras de alimentos , aspiradoras y taladros eléctricos .
Estos motores tienen un diseño amplio similar al del motor de corriente continua con escobillas y bobinados de campo conectados en serie. También funcionan bien con fuentes de alimentación de corriente alterna y ahora son los más comunes en este tipo de suministro. Ofrecen mayor par y velocidad que los motores de inducción y, por lo tanto, tienen muchas aplicaciones en las que su costo de capital y su peso liviano son más importantes que su eficiencia eléctrica.
El motor bipolar simple ha sido ampliamente utilizado en juguetes eléctricos, desde los primeros días de los juguetes de hojalata .
Los primeros motores de este tipo utilizaban un simple imán permanente en forma de herradura . Los motores de "lata" más modernos, a partir de los años 1960, han seguido siendo bipolares pero, al igual que los motores industriales, han utilizado un par de imanes en forma de C más eficientes dentro de una carcasa circular de acero.
Debido a su mayor coste y complejidad, los motores con bobinas de campo se han utilizado muy pocas veces en modelos. Una excepción bien conocida fue la gama de motores "Taycol", destinada principalmente a modelos de barcos más grandes . [3] Estos tuvieron su apogeo en los años 1950 y 1960, volviéndose obsoletos y poco competitivos en precio a medida que se disponía de materiales más potentes para imanes permanentes, específicamente ferrita .
Taycol comenzó con motores de imán de herradura simples, [4] pero su verdadera especialidad eran los campos bobinados. [5] La mayoría de estos utilizaban una sola bobina de campo transversal montada sobre el rotor. Sus gamas más grandes, "Marine" y "Double Special", utilizaban un diseño de doble bobina, con dos bobinas de campo verticales montadas a los lados. [3]
Un motor similar, aunque más pequeño y mucho menos potente, fue el motor Meccano E15R. [6] [7]
La construcción de un motor bipolar simple, generalmente también con un rotor bipolar, sigue siendo un proyecto de ciencia básica popular para niños. [8] [9]
