Un motor de CA es un motor eléctrico accionado por una corriente alterna (CA). El motor de CA consta comúnmente de dos partes básicas, un estator externo que tiene bobinas alimentadas con corriente alterna para producir un campo magnético giratorio y un rotor interno conectado al eje de salida que produce un segundo campo magnético giratorio. El campo magnético del rotor puede ser producido por imanes permanentes, reluctancia saliente o bobinados eléctricos de CC o CA.
Menos comunes, los motores lineales de CA funcionan con principios similares a los motores rotativos, pero tienen sus partes estacionarias y móviles dispuestas en una configuración de línea recta, lo que produce un movimiento lineal en lugar de rotación.
Los dos tipos principales de motores de CA son los motores de inducción y los motores síncronos. El motor de inducción (o motor asíncrono) siempre depende de una pequeña diferencia de velocidad entre el campo magnético giratorio del estator y la velocidad del eje del rotor, denominada deslizamiento, para inducir la corriente del rotor en el devanado de CA del rotor. Como resultado, el motor de inducción no puede producir un par cercano a la velocidad síncrona, donde la inducción (o deslizamiento) es irrelevante o deja de existir. Por el contrario, el motor síncrono no depende de la inducción por deslizamiento para su funcionamiento y utiliza imanes permanentes, polos salientes (que tienen polos magnéticos salientes) o un devanado de rotor excitado independientemente. El motor síncrono produce su par nominal a una velocidad exactamente síncrona. El sistema de motor síncrono de rotor bobinado doblemente alimentado sin escobillas tiene un devanado de rotor excitado independientemente que no depende de los principios de inducción por deslizamiento de la corriente. El motor de rotor bobinado doblemente alimentado sin escobillas es un motor síncrono que puede funcionar exactamente a la frecuencia de suministro o a un submúltiplo o supermúltiplo de la frecuencia de suministro.
Otros tipos de motores incluyen motores de corrientes de Foucault y máquinas conmutadas mecánicamente de CA y CC en las que la velocidad depende del voltaje y de la conexión del devanado.
La tecnología de corriente alterna se originó en el descubrimiento de Michael Faraday y Joseph Henry (1830-1831) de que un campo magnético cambiante puede inducir una corriente eléctrica en un circuito . Por lo general, se le atribuye a Faraday el mérito de este descubrimiento, ya que fue el primero en publicar sus hallazgos. [1]
En 1832, el fabricante de instrumentos francés Hippolyte Pixii generó una forma rudimentaria de corriente alterna cuando diseñó y construyó el primer alternador . Consistía en un imán giratorio con forma de herradura que pasaba sobre dos bobinas de alambre enrollado. [2]
Debido a las ventajas de la CA en la transmisión de alto voltaje a larga distancia , hubo muchos inventores en los Estados Unidos y Europa durante finales del siglo XIX que intentaron desarrollar motores de CA que funcionaran. [3] La primera persona en concebir un campo magnético giratorio fue Walter Baily, quien dio una demostración funcional de su motor polifásico operado por batería con la ayuda de un conmutador el 28 de junio de 1879, a la Sociedad Física de Londres. [4] Al describir un aparato casi idéntico al de Baily, el ingeniero eléctrico francés Marcel Deprez publicó un artículo en 1880 que identificaba el principio del campo magnético giratorio y el de un sistema de corriente CA bifásica para producirlo. [5] El diseño, que nunca se demostró prácticamente, tenía fallas, ya que una de las dos corrientes era "proporcionada por la propia máquina". [4] En 1886, el ingeniero inglés Elihu Thomson construyó un motor de CA ampliando el principio de inducción-repulsión y su vatímetro . [6] En 1887, el inventor estadounidense Charles Schenk Bradley fue el primero en patentar una transmisión de energía CA bifásica con cuatro cables. [ cita requerida ]
Los motores de inducción de corriente alterna "sin conmutador" parecen haber sido inventados independientemente por Galileo Ferraris y Nikola Tesla . Ferraris presentó un modelo funcional de su motor de inducción monofásico en 1885, y Tesla construyó su motor de inducción bifásico funcional en 1887 y lo demostró en el Instituto Americano de Ingenieros Eléctricos en 1888 [7] [8] [9] (aunque Tesla afirmó que concibió el campo magnético giratorio en 1882). [10] En 1888, Ferraris publicó su investigación en la Real Academia de Ciencias de Turín, donde detalló los fundamentos del funcionamiento del motor; [11] Tesla, en el mismo año, recibió una patente de los Estados Unidos para su propio motor. [12] Basándose en los experimentos de Ferraris, Mikhail Dolivo-Dobrovolsky introdujo el primer motor de inducción trifásico en 1890, un diseño mucho más capaz que se convirtió en el prototipo utilizado en Europa y Estados Unidos. [13] [14] [15] También inventó el primer generador y transformador trifásico y los combinó en el primer sistema trifásico de CA completo en 1891. [16] El ingeniero suizo Charles Eugene Lancelot Brown también trabajó en el diseño del motor trifásico , [13] y otros sistemas de CA trifásicos fueron desarrollados por el técnico alemán Friedrich August Haselwander y el ingeniero sueco Jonas Wenström . [17]
Si el rotor de un motor de jaula de ardilla funcionara a la velocidad sincrónica real, el flujo en el rotor en cualquier lugar dado del rotor no cambiaría y no se crearía corriente en la jaula de ardilla. Por esta razón, los motores de jaula de ardilla ordinarios funcionan a algunas decenas de RPM más lento que la velocidad sincrónica. Debido a que el campo giratorio (o campo pulsante equivalente) gira efectivamente más rápido que el rotor, podría decirse que se desliza más allá de la superficie del rotor. La diferencia entre la velocidad sincrónica y la velocidad real se llama deslizamiento , y la carga del motor aumenta la cantidad de deslizamiento a medida que el motor disminuye ligeramente la velocidad. Incluso sin carga, las pérdidas mecánicas internas evitan que el deslizamiento sea cero.
La velocidad del motor de CA está determinada principalmente por la frecuencia de la fuente de alimentación de CA y el número de polos en el devanado del estator, según la relación:
dónde
La constante 120 resulta de combinar las conversiones de 60 segundos por minuto y que cada fase requiere 2 polos.
Las RPM reales de un motor de inducción serán menores que esta velocidad sincrónica calculada en una cantidad conocida como deslizamiento , que aumenta con el par producido. Sin carga, la velocidad será muy cercana a la sincrónica. Cuando están cargados, los motores estándar tienen entre un 2 y un 3 % de deslizamiento, los motores especiales pueden tener hasta un 7 % de deslizamiento y una clase de motores conocidos como motores de par están clasificados para funcionar con un deslizamiento del 100 % (0 RPM/parada total).
El deslizamiento del motor de CA se calcula mediante:
dónde
Por ejemplo, un motor típico de cuatro polos que funciona a 60 Hz puede tener una potencia nominal de 1725 RPM a plena carga, mientras que su velocidad calculada es de 1800 RPM. La velocidad de este tipo de motor se ha modificado tradicionalmente mediante la incorporación de conjuntos adicionales de bobinas o polos en el motor que se pueden activar y desactivar para cambiar la velocidad de rotación del campo magnético. Sin embargo, los avances en electrónica de potencia significan que ahora también se puede variar la frecuencia de la fuente de alimentación para proporcionar un control más uniforme de la velocidad del motor.
Este tipo de rotor es el hardware básico para los reguladores de inducción , lo cual es una excepción del uso del campo magnético giratorio como aplicación puramente eléctrica (no electromecánica).
Los motores de CA más comunes utilizan el rotor de jaula de ardilla , que se encontrará en prácticamente todos los motores de corriente alterna domésticos e industriales ligeros. La jaula de ardilla se refiere a la jaula de ejercicio giratoria para animales domésticos . El motor toma su nombre de la forma de sus "bobinados" del rotor: un anillo en cada extremo del rotor, con barras que conectan los anillos a lo largo del rotor. Por lo general, se trata de aluminio fundido o cobre vertido entre los laminados de hierro del rotor, y normalmente solo serán visibles los anillos de los extremos. La gran mayoría de las corrientes del rotor fluirán a través de las barras en lugar de los laminados de mayor resistencia y generalmente barnizados. Los voltajes muy bajos a corrientes muy altas son típicos en las barras y los anillos de los extremos; los motores de alta eficiencia a menudo utilizarán cobre fundido para reducir la resistencia en el rotor.
En funcionamiento, el motor de jaula de ardilla puede considerarse como un transformador con un secundario giratorio. Cuando el rotor no gira en sincronía con el campo magnético, se inducen grandes corrientes en el rotor; las grandes corrientes magnetizan el rotor e interactúan con los campos magnéticos del estator para hacer que el rotor esté casi sincronizado con el campo del estator. Un motor de jaula de ardilla sin carga a la velocidad nominal sin carga consumirá energía eléctrica solo para mantener la velocidad del rotor contra las pérdidas por fricción y resistencia. A medida que aumenta la carga mecánica, también lo hará la carga eléctrica; la carga eléctrica está inherentemente relacionada con la carga mecánica. Esto es similar a un transformador, donde la carga eléctrica del primario está relacionada con la carga eléctrica del secundario.
Por eso, un motor de jaula de ardilla puede hacer que las luces de la casa se atenúen al arrancar, pero no las atenúa al arrancar cuando se retira la correa del ventilador (y, por lo tanto, la carga mecánica). Además, un motor de jaula de ardilla parado (sobrecargado o con un eje atascado) consumirá corriente limitada solo por la resistencia del circuito cuando intente arrancar. A menos que algo limite la corriente (o la corte por completo), el resultado probable es el sobrecalentamiento y la destrucción del aislamiento del devanado.
Prácticamente todas las lavadoras , lavavajillas , ventiladores independientes , tocadiscos , etc. utilizan alguna variante de un motor de jaula de ardilla. [ cita requerida ]
Un diseño alternativo, llamado rotor bobinado, se utiliza cuando se requiere una velocidad variable . En este caso, el rotor tiene el mismo número de polos que el estator y los devanados están hechos de alambre, conectados a anillos colectores en el eje. Las escobillas de carbón conectan los anillos colectores a un controlador, como una resistencia variable, que permite cambiar la tasa de deslizamiento del motor. En ciertos accionamientos de rotor bobinado de velocidad variable de alta potencia, la energía de frecuencia de deslizamiento se captura, se rectifica y se devuelve a la fuente de alimentación a través de un inversor. Con la potencia controlada bidireccionalmente, el rotor bobinado se convierte en un participante activo en el proceso de conversión de energía, y la configuración de rotor bobinado doblemente alimentado muestra el doble de densidad de potencia.
En comparación con los rotores de jaula de ardilla, los motores de rotor bobinado son caros y requieren mantenimiento de los anillos colectores y las escobillas, pero eran la forma estándar para el control de velocidad variable antes de la llegada de los dispositivos electrónicos de potencia compactos. Los inversores transistorizados con accionamiento de frecuencia variable se pueden utilizar ahora para el control de velocidad, y los motores de rotor bobinado son cada vez menos comunes.
Se utilizan varios métodos para arrancar un motor polifásico. Cuando se puede permitir una gran corriente de entrada y un par de arranque elevado, el motor se puede arrancar a través de la línea, aplicando voltaje de línea completo a los terminales (directo en línea, DOL). Cuando es necesario limitar la corriente de entrada de arranque (cuando el motor es grande en comparación con la capacidad de cortocircuito de la fuente de alimentación), el motor se arranca a voltaje reducido utilizando inductores en serie, un autotransformador , tiristores u otros dispositivos. Una técnica que se utiliza a veces es el arranque estrella-delta (YΔ), donde las bobinas del motor se conectan inicialmente en configuración de estrella para la aceleración de la carga, luego se cambian a configuración delta cuando la carga alcanza la velocidad. Esta técnica es más común en Europa que en América del Norte. Los variadores transistorizados pueden variar directamente el voltaje aplicado según lo requieran las características de arranque del motor y la carga.
Este tipo de motor se está volviendo más común en aplicaciones de tracción como locomotoras, donde se le conoce como motor de tracción asíncrono [ cita requerida ] .
Un servomotor de CA bifásico típico tiene un rotor de jaula de ardilla y un campo que consta de dos devanados:
Un servoamplificador de CA, un amplificador de potencia lineal, alimenta el devanado de control. La resistencia eléctrica del rotor se hace alta intencionalmente para que la curva de velocidad-par sea bastante lineal. Los servomotores bifásicos son dispositivos inherentemente de alta velocidad y bajo par, fuertemente reducidos para impulsar la carga.
Los motores monofásicos no tienen un campo magnético rotatorio único como los motores polifásicos. El campo se alterna (invierte la polaridad) entre pares de polos y puede verse como dos campos que giran en direcciones opuestas. Requieren un campo magnético secundario que haga que el rotor se mueva en una dirección específica. Después de arrancar, el campo alterno del estator está en rotación relativa con el rotor. Se utilizan varios métodos comúnmente:
Un motor monofásico común es el motor de polos sombreados y se utiliza en dispositivos que requieren un par de arranque bajo , como ventiladores eléctricos , bombas pequeñas o pequeños electrodomésticos. En este motor, pequeñas "bobinas de sombreado" de cobre de una sola vuelta crean el campo magnético móvil. Parte de cada polo está rodeada por una bobina o correa de cobre; la corriente inducida en la correa se opone al cambio de flujo a través de la bobina. Esto provoca un desfase temporal en el flujo que pasa a través de la bobina de sombreado, de modo que la intensidad máxima del campo se mueve más alto a través de la cara del polo en cada ciclo. Esto produce un campo magnético giratorio de bajo nivel que es lo suficientemente grande como para hacer girar tanto el rotor como su carga adjunta. A medida que el rotor gana velocidad, el par aumenta hasta su nivel máximo a medida que el campo magnético principal gira en relación con el rotor giratorio.
Hace varias décadas, Barber-Colman fabricó un motor reversible de polos sombreados . Tenía una sola bobina de campo y dos polos principales, cada uno dividido a la mitad para crear dos pares de polos. Cada uno de estos cuatro "semipolos" llevaba una bobina, y las bobinas de los semipolos diagonalmente opuestos estaban conectadas a un par de terminales. Un terminal de cada par era común, por lo que solo se necesitaban tres terminales en total.
El motor no arrancaba con los terminales abiertos; al conectar el común a uno de ellos, el motor giraba en un sentido, y al conectar el común al otro, giraba en el sentido contrario. Estos motores se utilizaban en dispositivos industriales y científicos.
En los controladores de semáforos y luces publicitarias se podía encontrar un motor de polos sombreados de bajo par y velocidad ajustable . Las caras de los polos eran paralelas y relativamente cercanas entre sí, con el disco centrado entre ellas, algo así como el disco de un medidor de electricidad de vatios-hora . Cada cara de polo estaba dividida y tenía una bobina de sombreado en una parte; las bobinas de sombreado estaban en las partes que se enfrentaban entre sí.
La aplicación de corriente alterna a la bobina creó un campo que se expandía por el espacio entre los polos. El plano del núcleo del estator era aproximadamente tangente a un círculo imaginario en el disco, por lo que el campo magnético que se desplazaba arrastraba el disco y lo hacía girar.
El estator se montó sobre un pivote para poder posicionarlo a la velocidad deseada y luego sujetarlo en esa posición. Colocar los polos más cerca del centro del disco hizo que funcionara más rápido y, hacia el borde, más lento. [ cita requerida ]
Otro motor de CA monofásico común es el motor de inducción de fase dividida , [18] que se utiliza habitualmente en electrodomésticos grandes como aires acondicionados y secadoras de ropa . En comparación con el motor de polos sombreados, estos motores proporcionan un par de arranque mucho mayor.
Un motor de fase partida tiene un devanado de arranque secundario que está a 90 grados eléctricos del devanado principal, siempre centrado directamente entre los polos del devanado principal y conectado al devanado principal mediante un conjunto de contactos eléctricos. Las bobinas de este devanado están enrolladas con menos vueltas de alambre más pequeño que el devanado principal, por lo que tiene una inductancia menor y una resistencia mayor. La posición del devanado crea un pequeño desfase entre el flujo del devanado principal y el flujo del devanado de arranque, lo que hace que el rotor gire. Cuando la velocidad del motor es suficiente para superar la inercia de la carga, los contactos se abren automáticamente mediante un interruptor centrífugo o un relé eléctrico. La dirección de rotación está determinada por la conexión entre el devanado principal y el circuito de arranque. En aplicaciones donde el motor requiere una rotación fija, un extremo del circuito de arranque está conectado permanentemente al devanado principal, y los contactos realizan la conexión en el otro extremo.
Un motor de arranque por capacitor es un motor de inducción de fase dividida con un capacitor de arranque insertado en serie con el devanado de arranque, creando un circuito LC que produce un mayor cambio de fase (y por lo tanto, un par de arranque mucho mayor) que los motores de fase dividida y de polos sombreados. Este motor tiene un interruptor centrífugo que desconecta el capacitor una vez que el motor ha arrancado. Este motor proporciona un alto par de arranque. [19] [20] [21] Un motor de arranque y funcionamiento por capacitor tiene dos capacitores separados, uno para arrancar el motor y otro para hacerlo funcionar, y tiene un interruptor centrífugo para desconectar el capacitor de arranque o un relé de fuerza contraelectromotriz conectado en paralelo con el devanado auxiliar del motor. Este motor proporciona un alto par de arranque y alta eficiencia. [22]
Un motor de arranque por resistencia es un motor de inducción de fase dividida con un arrancador insertado en serie con el devanado de arranque, lo que crea reactancia. Este arrancador adicional proporciona asistencia en el arranque y la dirección inicial de rotación. El devanado de arranque está hecho principalmente de alambre fino con menos vueltas para que sea altamente resistivo y menos inductivo. El devanado principal está hecho con un alambre más grueso con mayor número de vueltas, lo que lo hace menos resistivo y más inductivo. [23] [24] [25]
Otra variación es el motor de condensador dividido permanente (o PSC) . [26] También conocido como motor de funcionamiento por condensador, este tipo de motor utiliza un condensador no polarizado con una clasificación de alto voltaje para generar un cambio de fase eléctrica entre los devanados de funcionamiento y arranque. Los motores PSC son el tipo dominante de motor de fase dividida en Europa y gran parte del mundo, pero en América del Norte, se utilizan con mayor frecuencia en aplicaciones de par variable (como sopladores, ventiladores y bombas) y otros casos en los que se desean velocidades variables.
Un condensador con una capacidad relativamente baja y una tensión nominal relativamente alta se conecta en serie con el devanado de arranque y permanece en el circuito durante todo el ciclo de funcionamiento. [26] Al igual que otros motores de fase dividida, el devanado principal se utiliza con un devanado de arranque más pequeño y la rotación se cambia invirtiendo la conexión entre el devanado principal y el circuito de arranque, o cambiando la polaridad del devanado principal mientras el devanado de arranque siempre está conectado a un condensador. Sin embargo, existen diferencias significativas; el uso de un interruptor centrífugo sensible a la velocidad requiere que otros motores de fase dividida funcionen a la velocidad máxima o muy cerca de ella. Los motores PSC pueden funcionar dentro de un amplio rango de velocidades, mucho más bajas que la velocidad eléctrica del motor. Además, para aplicaciones como los abridores automáticos de puertas que requieren que el motor invierta la rotación con frecuencia, el uso de un mecanismo requiere que un motor reduzca la velocidad hasta casi detenerse antes de que se restablezca el contacto con el devanado de arranque. La conexión "permanente" al condensador en un motor PSC significa que el cambio de rotación es instantáneo.
Los motores trifásicos se pueden convertir en motores PSC haciendo que dos devanados sean comunes y conectando el tercero a través de un condensador para que actúe como devanado de arranque. Sin embargo, la potencia nominal debe ser al menos un 50 % mayor que la de un motor monofásico comparable debido a un devanado sin utilizar. [27]
Si las conexiones a las bobinas del rotor de un motor trifásico se sacan de anillos colectores y se alimentan con una corriente de campo separada para crear un campo magnético continuo (o si el rotor consta de un imán permanente), el resultado se llama motor síncrono porque el rotor girará de manera sincrónica con el campo magnético giratorio producido por el suministro eléctrico polifásico. Otro sistema de motor síncrono es el sistema de motor síncrono de alimentación doble con rotor bobinado sin escobillas con un conjunto de bobinados de CA multifásicos con rotor excitado independientemente que puede experimentar inducción por deslizamiento más allá de las velocidades síncronas, pero como todos los motores síncronos, no depende de la inducción por deslizamiento para la producción de par.
El motor síncrono también se puede utilizar como alternador .
Los motores síncronos contemporáneos suelen accionarse mediante variadores de frecuencia de estado sólido . Esto facilita enormemente el problema de arrancar el enorme rotor de un motor síncrono de gran tamaño. También pueden arrancarse como motores de inducción utilizando un devanado de jaula de ardilla que comparte el rotor común: una vez que el motor alcanza la velocidad síncrona, no se induce corriente en el devanado de jaula de ardilla, por lo que tiene poco efecto en el funcionamiento síncrono del motor, además de estabilizar la velocidad del motor ante cambios de carga.
Los motores síncronos se utilizan ocasionalmente como motores de tracción ; el TGV es quizás el ejemplo más conocido de tal uso.
En la actualidad, se instalan en los coches eléctricos una gran cantidad de motores síncronos trifásicos [ cita requerida ] . Tienen un imán permanente de neodimio u otro material de tierras raras .
Un uso de este tipo de motor es su uso en un esquema de corrección del factor de potencia. Se les conoce como condensadores síncronos . Esto explota una característica de la máquina donde consume energía a un factor de potencia adelantado cuando su rotor está sobreexcitado. Por lo tanto, aparece ante la fuente de alimentación como un condensador y, por lo tanto, podría usarse para corregir el factor de potencia retrasado que generalmente se presenta a la fuente eléctrica por cargas inductivas. La excitación se ajusta hasta que se obtiene un factor de potencia cercano a la unidad (a menudo de forma automática). Las máquinas utilizadas para este propósito se identifican fácilmente ya que no tienen extensiones de eje. Los motores síncronos se valoran en cualquier caso porque su factor de potencia es mucho mejor que el de los motores de inducción, lo que los hace preferidos para aplicaciones de potencia muy alta.
Algunos de los motores de corriente alterna más grandes son generadores de energía hidroeléctrica de almacenamiento por bombeo que funcionan como motores sincrónicos para bombear agua a un depósito situado a mayor altura para su uso posterior con el fin de generar electricidad utilizando la misma maquinaria. Seis generadores de 500 megavatios están instalados en la central de almacenamiento por bombeo del condado de Bath , en Virginia (EE. UU.). Al bombear, cada unidad puede producir 642.800 caballos de fuerza (479,3 megavatios). [28]
También se pueden diseñar pequeños motores de CA monofásicos con rotores magnetizados (o varias variaciones de esa idea; consulte "Motores síncronos de histéresis" a continuación).
Si un rotor de jaula de ardilla convencional tiene superficies planas rectificadas para crear polos salientes y aumentar la reluctancia, arrancará de manera convencional, pero funcionará de manera sincrónica, aunque solo puede proporcionar un par modesto a velocidad sincrónica. Esto se conoce como motor de reluctancia .
Debido a que la inercia dificulta la aceleración instantánea del rotor desde la velocidad de parada hasta la velocidad sincrónica, estos motores normalmente requieren algún tipo de característica especial para ponerse en marcha. Algunos incluyen una estructura de jaula de ardilla para acercar el rotor a la velocidad sincrónica. Varios otros diseños utilizan un pequeño motor de inducción (que puede compartir las mismas bobinas de campo y rotor que el motor sincrónico) o un rotor muy ligero con un mecanismo unidireccional (para garantizar que el rotor arranque en la dirección "hacia adelante"). En este último caso, la aplicación de corriente alterna crea un movimiento de salto caótico (o aparentemente caótico) hacia adelante y hacia atrás; un motor de este tipo siempre arrancará, pero al carecer del mecanismo antirretroceso, la dirección en la que se mueve es impredecible. El generador de tonos del órgano Hammond utilizaba un motor sincrónico que no se arrancaba solo (hasta hace relativamente poco tiempo) y tenía un motor auxiliar de arranque convencional de polos sombreados. Un interruptor de arranque manual auxiliar accionado por resorte conectaba la energía a este segundo motor durante unos segundos.
Estos motores son relativamente costosos y se utilizan cuando es esencial una velocidad exacta (suponiendo que se trate de una fuente de corriente alterna de frecuencia exacta) y una rotación con baja vibración (variación de alta frecuencia en la velocidad). Entre las aplicaciones se incluyen los accionamientos de cabrestante de grabadoras de cinta (el eje del motor podría ser el cabrestante) y, antes de la llegada del control por cristal, las cámaras y grabadoras de cine. Su característica distintiva es el rotor, que es un cilindro liso de una aleación magnética que permanece magnetizado, pero que se puede desmagnetizar con bastante facilidad, así como volver a magnetizarse con polos en una nueva ubicación. La histéresis se refiere a cómo el flujo magnético en el metal se retrasa con respecto a la fuerza magnetizante externa; por ejemplo, para desmagnetizar un material de este tipo, se podría aplicar un campo magnetizante de polaridad opuesta a la que magnetizó originalmente el material. Estos motores tienen un estator como los de los motores de inducción de jaula de ardilla que funcionan con condensadores. Al arrancar, cuando el deslizamiento disminuye lo suficiente, el rotor se magnetiza por el campo del estator y los polos permanecen en su lugar. El motor funciona entonces a velocidad sincrónica como si el rotor fuera un imán permanente. Cuando se detiene y se vuelve a poner en marcha, es probable que los polos se formen en diferentes lugares. Para un diseño determinado, el par a velocidad sincrónica es relativamente modesto y el motor puede funcionar a una velocidad inferior a la sincrónica. En palabras sencillas, es un campo magnético retrasado con respecto al flujo magnético.
Un motor universal es un diseño que puede funcionar con corriente alterna o continua. En los motores universales, el estator y el rotor de un motor de corriente continua con escobillas están bobinados y alimentados por una fuente externa, y el par es una función de la corriente del rotor multiplicada por la corriente del estator, por lo que invertir la corriente tanto en el rotor como en el estator no invierte la rotación. Los motores universales pueden funcionar con corriente alterna y continua, siempre que la frecuencia no sea tan alta que la reactancia inductiva del devanado del estator y las pérdidas por corrientes parásitas se conviertan en problemas. Casi todos los motores universales están bobinados en serie porque sus estatores tienen relativamente pocas vueltas, lo que minimiza la inductancia. Los motores universales son compactos, tienen un alto par de arranque y se puede variar su velocidad en un amplio rango con controles relativamente simples, como reóstatos y choppers PWM . En comparación con los motores de inducción, los motores universales tienen algunas desventajas inherentes a sus escobillas y conmutadores: niveles relativamente altos de ruido eléctrico y acústico, baja confiabilidad y mantenimiento requerido más frecuente.
Los motores universales se utilizan ampliamente en pequeños electrodomésticos y herramientas eléctricas manuales. Hasta la década de 1970 dominaban la tracción eléctrica (eléctrica, incluidos los vehículos ferroviarios y de carretera diésel-eléctricos); muchas redes de energía de tracción aún utilizan frecuencias bajas especiales, como 16,7 y 25 Hz, para superar los problemas antes mencionados con pérdidas y reactancia. Aún ampliamente utilizados, los motores de tracción universales han sido reemplazados cada vez más por motores de inducción de CA polifásicos y motores de imán permanente con variadores de frecuencia, que son posibles gracias a los modernos dispositivos semiconductores de potencia .
Los motores de repulsión son motores de CA monofásicos de rotor bobinado que son un tipo de motor de inducción. En un motor de repulsión, las escobillas del inducido están en cortocircuito entre sí en lugar de conectarse en serie con el campo, como se hace con los motores universales. Mediante la acción del transformador, el estator induce corrientes en el rotor, que crean par por repulsión en lugar de atracción como en otros motores. Se han fabricado varios tipos de motores de repulsión, pero el motor de inducción con arranque por repulsión (RS-IR) es el que se ha utilizado con más frecuencia. El motor RS-IR tiene un interruptor centrífugo que pone en cortocircuito todos los segmentos del conmutador para que el motor funcione como un motor de inducción una vez que está cerca de la velocidad máxima. Algunos de estos motores también levantan las escobillas fuera de contacto con la fuente de regulación de voltaje . Los motores de repulsión se desarrollaron antes de que estuvieran disponibles los condensadores de arranque de motor adecuados, y pocos motores de repulsión se venden a partir de 2005.
Cuando la estabilidad de la velocidad es importante, algunos motores de CA (como algunos motores Papst) tienen el estator en el interior y el rotor en el exterior para optimizar la inercia y la refrigeración.
Un motor con freno de rotor cónico incorpora el freno como parte integral del rotor deslizante cónico. Cuando el motor está en reposo, un resorte actúa sobre el rotor deslizante y fuerza el anillo de freno contra la tapa del freno en el motor, manteniendo el rotor estacionario. Cuando el motor se activa, su campo magnético genera un componente axial y uno radial. El componente axial supera la fuerza del resorte, liberando el freno, mientras que el componente radial hace que el rotor gire. No se requiere ningún control de freno adicional.
El alto par de arranque y la baja inercia del motor con freno de rotor cónico han demostrado ser ideales para las demandas de accionamientos dinámicos de alto ciclo en aplicaciones desde que el motor se inventó, diseñó y presentó hace más de 50 años. Este tipo de configuración de motor se introdujo por primera vez en los EE. UU. en 1963.
Los motores de una o dos velocidades están diseñados para acoplarse a cajas de engranajes de sistemas de motorreductores . Los motores con freno de rotor cónico también se utilizan para accionar variadores de velocidad micro.
Los motores de este tipo también se pueden encontrar en grúas puente y polipastos . La unidad de microvelocidad combina dos motores y un reductor de engranajes intermedio. Se utilizan para aplicaciones en las que se necesita una precisión de posicionamiento mecánico extrema y una alta capacidad de ciclo. La unidad de microvelocidad combina un motor de freno de rotor cónico "principal" para velocidad rápida y un motor de freno de rotor cónico "micro" para velocidad lenta o de posicionamiento. La caja de cambios intermedia permite una gama de relaciones, y se pueden combinar motores de diferentes velocidades para producir relaciones altas entre velocidad alta y baja.
Los motores conmutados electrónicamente (EC) son motores eléctricos alimentados por corriente continua (CC) y que tienen sistemas de conmutación electrónicos, en lugar de conmutadores mecánicos y escobillas . Las relaciones de corriente a par y frecuencia a velocidad de los motores BLDC son lineales. Si bien las bobinas del motor se alimentan con CC, la energía se puede rectificar desde CA dentro de la carcasa.
Se trata de motores de inducción bifásicos con imanes permanentes que retardan el rotor de modo que su velocidad sea exactamente proporcional a la potencia que pasa por el medidor. El rotor es un disco de aleación de aluminio y las corrientes inducidas en él reaccionan con el campo del estator.
Un medidor de electricidad de fase dividida de vatios -hora tiene un estator con tres bobinas orientadas hacia el disco. El circuito magnético se completa con un núcleo de hierro permeable en forma de C. La bobina de "voltaje" sobre el disco está en paralelo con la fuente de alimentación; sus muchas espiras tienen una alta relación inductancia/resistencia (Q), por lo que su corriente y campo magnético son la integral temporal del voltaje aplicado, con un retraso de 90 grados. Este campo magnético pasa perpendicularmente a través del disco, induciendo corrientes parásitas circulares en el plano del disco centrado en el campo. Estas corrientes inducidas son proporcionales a la derivada temporal del campo magnético, con un retraso de 90 grados. Esto pone las corrientes parásitas en fase con el voltaje aplicado a la bobina de voltaje, de la misma manera que la corriente inducida en el secundario de un transformador con una carga resistiva está en fase con el voltaje aplicado a su primario.
Las corrientes parásitas pasan directamente por encima de las piezas polares de dos bobinas de "corriente" debajo del disco, cada una de ellas enrollada con unas pocas vueltas de cable de gran calibre cuya reactancia inductiva es pequeña en comparación con la impedancia de carga. Estas bobinas conectan la fuente de alimentación a la carga, lo que produce un campo magnético en fase con la corriente de carga. Este campo pasa desde el polo de una bobina de corriente hacia arriba perpendicularmente a través del disco y de regreso hacia abajo a través del disco hasta el polo de la otra bobina de corriente, con un circuito magnético completo de regreso a la primera bobina de corriente. A medida que estos campos cruzan el disco, pasan a través de las corrientes parásitas inducidas en él por la bobina de voltaje que produce una fuerza de Lorentz en el disco mutuamente perpendicular a ambos. Suponiendo que la energía fluye hacia la carga, el flujo de la bobina de corriente izquierda cruza el disco hacia arriba, donde la corriente parásita fluye radialmente hacia el centro del disco produciendo (por la regla de la mano derecha ) un par que impulsa la parte delantera del disco hacia la derecha. De manera similar, el flujo atraviesa el disco hacia la bobina de corriente derecha, donde la corriente parásita fluye radialmente alejándose del centro del disco, lo que nuevamente produce un par que impulsa la parte frontal del disco hacia la derecha. Cuando se invierte la polaridad de CA, las corrientes parásitas en el disco y la dirección del flujo magnético de las bobinas de corriente cambian, lo que deja la dirección del par sin cambios.
El par es proporcional al voltaje instantáneo de la línea multiplicado por la corriente de carga instantánea, corrigiendo automáticamente el factor de potencia. El disco se frena mediante un imán permanente, de modo que la velocidad es proporcional al par y el disco integra mecánicamente la potencia real. El dial mecánico del medidor lee las rotaciones del disco y la energía neta total suministrada a la carga. (Si la carga suministra energía a la red, el disco gira hacia atrás a menos que se lo impida un trinquete, lo que hace posible la medición neta ).
En un medidor de vatios-hora de fase dividida , la bobina de voltaje está conectada entre los dos terminales "activos" (línea) (240 V en América del Norte [ cita requerida ] ) y dos bobinas de corriente separadas están conectadas entre los terminales de línea y carga correspondientes. No se necesita conexión al neutro del sistema para manejar correctamente cargas combinadas de línea a neutro y de línea a línea. Las cargas de línea a línea consumen la misma corriente a través de ambas bobinas de corriente y hacen girar el medidor dos veces más rápido que una carga de línea a neutro que consume la misma corriente a través de una sola bobina de corriente, registrando correctamente la potencia consumida por la carga de línea a línea como el doble de la de la carga de línea a neutro.
Se utilizan otras variaciones del mismo diseño para energía polifásica (por ejemplo, trifásica ).
Los motores síncronos de bajo par son representativos de este tipo de motores, con un imán cilíndrico hueco multipolar (polos internos) que rodea la estructura del estator. Una copa de aluminio sostiene el imán. El estator tiene una bobina coaxial con el eje. En cada extremo de la bobina hay un par de placas circulares con dientes rectangulares en sus bordes, formadas de manera que sean paralelas al eje. Son los polos del estator. Uno de los pares de discos distribuye el flujo de la bobina directamente, mientras que el otro recibe el flujo que ha pasado a través de una bobina de sombreado común. Los polos son bastante estrechos y entre los polos que salen de un extremo de la bobina hay un conjunto idéntico que sale del otro extremo. En total, esto crea una secuencia repetida de cuatro polos, sin sombreado alternando con sombreado, que crea un campo de movimiento circunferencial con el que los polos magnéticos del rotor se sincronizan rápidamente. Algunos motores paso a paso tienen una estructura similar.
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