El motor universal es un tipo de motor eléctrico que puede funcionar con corriente alterna o continua y utiliza un electroimán como estator para crear su campo magnético. [1] Es un motor devanado en serie conmutado donde las bobinas de campo del estator están conectadas en serie con los devanados del rotor a través de un conmutador . A menudo se le conoce como motor en serie de CA. El motor universal es muy similar a un motor serie de CC en su construcción, pero se modifica ligeramente para permitir que el motor funcione correctamente con alimentación de CA. Este tipo de motor eléctrico puede funcionar bien con CA porque la corriente tanto en las bobinas de campo como en la armadura (y los campos magnéticos resultantes) se alternará (polaridad inversa) sincrónicamente con el suministro. Por lo tanto, la fuerza mecánica resultante se producirá en una dirección de rotación constante, independiente de la dirección del voltaje aplicado, pero determinada por el conmutador y la polaridad de las bobinas de campo. [2]
Los motores universales tienen un alto par de arranque , pueden funcionar a alta velocidad y son livianos y compactos. Se utilizan comúnmente en herramientas y equipos eléctricos portátiles, así como en muchos electrodomésticos. Son relativamente fáciles de controlar, electromecánicamente mediante bobinas roscadas o electrónicamente. Sin embargo, el conmutador tiene escobillas que se desgastan, por lo que son menos adecuadas para equipos que están en uso continuo. Además, en parte debido al conmutador, los motores universales suelen ser muy ruidosos, tanto acústica como electromagnéticamente. [3]
No todos los motores bobinados en serie funcionan bien con corriente alterna. [4] [nota 1] Si un motor de CC ordinario bobinado en serie se conectara a una fuente de alimentación de CA, funcionaría muy mal. El motor universal se modifica de varias maneras para permitir el funcionamiento adecuado del suministro de CA. Generalmente se agrega un devanado de compensación , junto con piezas polares laminadas , a diferencia de las piezas polares sólidas que se encuentran en los motores de CC. [2] La armadura de un motor universal normalmente tiene muchas más bobinas y placas que un motor de CC y, por lo tanto, menos devanados por bobina. Esto reduce la inductancia. [5]
Incluso cuando se utilizan con alimentación de CA, estos tipos de motores pueden funcionar a una frecuencia de rotación muy superior a la de la red eléctrica y, como la mayoría de las propiedades de los motores eléctricos mejoran con la velocidad, esto significa que pueden ser livianos y potentes. [5] Sin embargo, los motores universales suelen ser relativamente ineficientes: alrededor del 30% para los motores más pequeños y hasta el 70-75% para los más grandes. [5]
Los motores eléctricos bobinados en serie responden al aumento de carga desacelerando; la corriente aumenta y el par aumenta en proporción al cuadrado de la corriente porque la misma corriente fluye tanto en la armadura como en los devanados de campo. Si el motor se cala, la corriente está limitada únicamente por la resistencia total de los devanados y el par puede ser muy alto, existiendo el peligro de que los devanados se sobrecalienten. El contra-EMF ayuda a la resistencia de la armadura a limitar la corriente a través de la armadura. Cuando se aplica energía por primera vez a un motor, la armadura no gira. En ese instante, la FEM contraria es cero y el único factor que limita la corriente de la armadura es la resistencia de la armadura. Normalmente la resistencia del inducido de un motor es baja; por lo tanto, la corriente a través de la armadura sería muy grande cuando se aplica la potencia. Por lo tanto, puede surgir la necesidad de una resistencia adicional en serie con la armadura para limitar la corriente hasta que la rotación del motor pueda generar la contra-EMF. A medida que aumenta la rotación del motor, la resistencia se elimina gradualmente. La característica velocidad-par es una línea casi perfectamente recta entre el par de pérdida y la velocidad sin carga. Esto se adapta a grandes cargas inerciales, ya que la velocidad disminuirá hasta que el motor comience a girar lentamente y estos motores tienen un par de parada muy alto. [6]
A medida que aumenta la velocidad, la inductancia del rotor hace que cambie el punto de conmutación ideal. Los motores pequeños suelen tener conmutación fija. Si bien algunos motores universales más grandes tienen conmutación giratoria, esto es poco común. En cambio, los motores universales más grandes suelen tener devanados de compensación en serie con el motor, o a veces acoplados inductivamente, y colocados a noventa grados eléctricos con respecto al eje del campo principal. Éstos reducen la reactancia de la armadura y mejoran la conmutación. [5]
Una propiedad útil de tener los devanados de campo en serie con el devanado de la armadura es que a medida que aumenta la velocidad, el contador EMF reduce naturalmente el voltaje y la corriente a través de los devanados de campo, lo que genera un debilitamiento del campo a altas velocidades. Esto significa que el motor no tiene una velocidad máxima teórica para ningún voltaje aplicado en particular. Los motores universales pueden funcionar y generalmente funcionan a altas velocidades, entre 4000 y 16 000 RPM, y pueden superar las 20 000 RPM. [5] Por el contrario, los motores de inducción de jaula de ardilla y síncronos de CA no pueden girar un eje más rápido de lo permitido por la frecuencia de la línea eléctrica . En países con suministro de CA de 60 Hz, esta velocidad está limitada a 3600 RPM. [7]
Se pueden producir daños en el motor por exceso de velocidad (funcionamiento a una velocidad de rotación que excede los límites de diseño) si la unidad se opera sin carga mecánica significativa. En motores más grandes, se debe evitar la pérdida repentina de carga y la posibilidad de que esto ocurra se incorpora a los esquemas de protección y control del motor. En algunas aplicaciones más pequeñas, una paleta de ventilador unida al eje a menudo actúa como una carga artificial para limitar la velocidad del motor a un nivel seguro, así como un medio para hacer circular el flujo de aire de refrigeración sobre la armadura y los devanados de campo. Si no se le pusieran límites mecánicos a un motor universal, en teoría podría acelerarse fuera de control de la misma manera que cualquier motor de CC bobinado en serie . [3]
Una ventaja del motor universal es que se pueden utilizar suministros de CA en motores que tienen algunas características más comunes en los motores de CC, específicamente un par de arranque alto y un diseño muy compacto si se utilizan altas velocidades de funcionamiento. [3]
Un aspecto negativo son los problemas de mantenimiento y corta vida que provoca el conmutador , así como los problemas de interferencia electromagnética (EMI) por cualquier chispa. Debido a las escobillas del conmutador de mantenimiento relativamente alto, los motores universales son los más adecuados para dispositivos como batidoras de alimentos y herramientas eléctricas que se utilizan sólo de forma intermitente y que a menudo tienen altas demandas de par de arranque.
Otro aspecto negativo es que estos motores sólo se pueden utilizar donde haya aire predominantemente limpio en todo momento. Debido al riesgo dramáticamente aumentado de sobrecalentamiento, los motores universales totalmente cerrados y enfriados por ventilador no serían prácticos, aunque se han fabricado algunos. Un motor de este tipo necesitaría un ventilador grande para hacer circular suficiente aire, lo que disminuiría la eficiencia ya que el motor debe usar más energía para enfriarse. La impracticabilidad proviene de los problemas resultantes de tamaño, peso y gestión térmica que los motores abiertos no tienen.
Los motores universales también son muy ruidosos en comparación con otros tipos de motores de CA y CC.
El control continuo de la velocidad de un motor universal que funciona con CA se obtiene fácilmente mediante el uso de un circuito de tiristores , mientras que múltiples tomas en la bobina de campo proporcionan un control de velocidad escalonado (impreciso). Las licuadoras domésticas que anuncian muchas velocidades frecuentemente combinan una bobina de campo con varios grifos y un diodo que se puede insertar en serie con el motor (haciendo que el motor funcione con CA rectificada de media onda).
Los motores universales están bobinados en serie. El devanado en derivación se utilizó de forma experimental a finales del siglo XIX, [8] pero no era práctico debido a problemas con la conmutación. Se intentaron varios esquemas de resistencia incorporada, inductancia y acoplamiento cruzado antifase para reducir esto. Los motores universales, incluidos los de bobinado en derivación, se preferían como motores de CA en ese momento, ya que eran de arranque automático. [4] Cuando los motores de inducción de arranque automático y los arrancadores automáticos estuvieron disponibles, estos reemplazaron a los motores universales más grandes (más de 1 hp) y a la derivación.
En el pasado, los motores de rotor bobinado con arranque por repulsión proporcionaban un par de arranque elevado, pero con mayor complejidad. Sus rotores eran similares a los de los motores universales, pero sus escobillas estaban conectadas sólo entre sí. La acción del transformador induce corriente en el rotor. La posición de las escobillas en relación con los polos del campo significaba que el par de arranque se desarrollaba mediante la repulsión del rotor desde los polos del campo. Un mecanismo centrífugo, cuando estaba cerca de la velocidad de funcionamiento, conectaba todas las barras del conmutador para crear el equivalente a un rotor de jaula de ardilla. Además, cuando están cerca de aproximadamente el 80 por ciento de su velocidad de funcionamiento, estos motores pueden funcionar como motores de inducción. [9]
Los motores universales, que funcionan a frecuencias normales de línea eléctrica , no suelen encontrarse en un rango inferior a 1000 vatios . Su alta velocidad los hace útiles para electrodomésticos como licuadoras , aspiradoras y secadores de pelo, donde se desea alta velocidad y peso ligero. También se utilizan comúnmente en herramientas eléctricas portátiles, como taladros , lijadoras , sierras circulares y sierras de calar , donde las características del motor funcionan bien. Un beneficio adicional para las herramientas eléctricas utilizadas por los soldadores es que las máquinas de soldar clásicas impulsadas por motor pueden ser un generador de CC puro y sus receptáculos de energía auxiliar seguirán siendo de CC, aunque tengan una configuración doméstica típica NEMA 5-15. La alimentación de CC es adecuada para la iluminación incandescente típica (anticuada) del lugar de trabajo y para los motores universales de algunos taladros y amoladoras. Muchos motores de aspiradoras y desbrozadoras superan las 10.000 RPM , mientras que muchas Dremel y amoladoras en miniatura similares superan las 30.000 RPM .
Los motores universales también se prestan al control electrónico de velocidad y, como tales, eran una opción ideal para las lavadoras domésticas . El motor se puede utilizar para agitar el tambor (tanto hacia adelante como hacia atrás) cambiando el devanado de campo con respecto a la armadura. El motor también puede funcionar a las altas velocidades requeridas para el ciclo de centrifugado. Hoy en día, se utilizan más comúnmente motores de accionamiento de frecuencia variable .
Los motores universales también formaron la base del motor de tracción ferroviaria tradicional en los ferrocarriles eléctricos . En esta aplicación, el uso de CA para alimentar un motor diseñado originalmente para funcionar con CC conduciría a pérdidas de eficiencia debido al calentamiento por corrientes parásitas de sus componentes magnéticos, particularmente las piezas polares del campo del motor que, para CC, habrían usado sólidos ( hierro sin laminar). Aunque los efectos del calentamiento se reducen mediante el uso de piezas polares laminadas, como las que se utilizan para los núcleos de los transformadores y mediante el uso de laminaciones de acero eléctrico de alta permeabilidad , una solución disponible a principios del siglo XX era que los motores funcionaran desde fuentes de CA de muy baja frecuencia, con 25 Hz y 16+ El funcionamiento común es de 2 ⁄ 3 Hz.
Los arrancadores de motores de combustión suelen ser motores universales, con la ventaja de ser pequeños y tener un par elevado a baja velocidad. Algunos arrancadores tienen imanes permanentes, otros tienen uno de los cuatro polos enrollado con una bobina en derivación en lugar de bobinas enrolladas en serie.