Un motor eléctrico es una máquina que convierte energía eléctrica en energía mecánica . La mayoría de los motores eléctricos funcionan mediante la interacción entre el campo magnético del motor y la corriente eléctrica en un devanado de alambre para generar fuerza en forma de par aplicado sobre el eje del motor. Un generador eléctrico es mecánicamente idéntico a un motor eléctrico, pero funciona a la inversa, convirtiendo la energía mecánica en energía eléctrica.
Los motores eléctricos pueden funcionar con fuentes de corriente continua (CC), como baterías o rectificadores , o con fuentes de corriente alterna (CA), como una red eléctrica, inversores o generadores eléctricos.
Los motores eléctricos se pueden clasificar según consideraciones como el tipo de fuente de energía, la construcción, la aplicación y el tipo de salida de movimiento. Pueden ser con escobillas o sin escobillas , monofásicos , bifásicos o trifásicos , de flujo axial o radial y pueden estar refrigerados por aire o por líquido.
Los motores estandarizados proporcionan energía para uso industrial. Los más grandes se utilizan para propulsión de barcos, compresión de tuberías y aplicaciones de almacenamiento por bombeo , con una potencia superior a los 100 megavatios .
Las aplicaciones incluyen ventiladores, sopladores y bombas industriales, máquinas herramienta, electrodomésticos, herramientas eléctricas, vehículos y unidades de disco. Se pueden encontrar motores pequeños en relojes eléctricos. En ciertas aplicaciones, como en el frenado regenerativo con motores de tracción , los motores eléctricos se pueden utilizar en sentido inverso como generadores para recuperar energía que de otro modo podría perderse en forma de calor y fricción.
Los motores eléctricos producen una fuerza lineal o rotatoria ( par ) destinada a impulsar algún mecanismo externo. Esto los convierte en un tipo de actuador . Generalmente están diseñados para una rotación continua, o para un movimiento lineal a lo largo de una distancia significativa en comparación con su tamaño. Los solenoides también convierten la energía eléctrica en movimiento mecánico, pero solo en una distancia limitada.
Antes de los motores electromagnéticos modernos, se investigaron motores experimentales que funcionaban mediante fuerza electrostática. Los primeros motores eléctricos eran dispositivos electrostáticos simples descritos en experimentos por el monje escocés Andrew Gordon y el experimentador estadounidense Benjamin Franklin en la década de 1740. [2] [3] El principio teórico detrás de ellos, la ley de Coulomb , fue descubierto pero no publicado, por Henry Cavendish en 1771. Esta ley fue descubierta de forma independiente por Charles-Augustin de Coulomb en 1785, quien la publicó de modo que ahora se conoce con su nombre. [4] Debido a la dificultad de generar los altos voltajes que requerían, los motores electrostáticos nunca se utilizaron con fines prácticos.
La invención de la pila electroquímica por Alessandro Volta en 1799 [5] hizo posible la producción de corrientes eléctricas persistentes. Hans Christian Ørsted descubrió en 1820 que una corriente eléctrica crea un campo magnético, que puede ejercer una fuerza sobre un imán. Sólo bastaron unas semanas para que André-Marie Ampère desarrollara la primera formulación de la interacción electromagnética y presentara la ley de fuerza de Ampère , que describía la producción de fuerza mecánica mediante la interacción de una corriente eléctrica y un campo magnético. [6]
La primera demostración del efecto con un movimiento rotatorio fue dada por Michael Faraday el 3 de septiembre de 1821 en el sótano de la Royal Institution . [7] Un alambre que colgaba libremente se sumergió en un baño de mercurio, sobre el cual se colocó un imán permanente (PM) . Cuando se hizo pasar una corriente a través del alambre, el alambre giró alrededor del imán, mostrando que la corriente dio lugar a un campo magnético circular cercano alrededor del alambre. [8] Faraday publicó los resultados de su descubrimiento en el Quarterly Journal of Science y envió copias de su artículo junto con modelos de bolsillo de su dispositivo a colegas de todo el mundo para que también pudieran presenciar el fenómeno de las rotaciones electromagnéticas. [7] Este motor se demuestra a menudo en experimentos de física, sustituyendo salmuera por mercurio (tóxico). La rueda de Barlow fue un refinamiento temprano de esta demostración de Faraday, aunque estos y otros motores homopolares similares siguieron siendo inadecuados para la aplicación práctica hasta finales de siglo.
En 1827, el físico húngaro Ányos Jedlik comenzó a experimentar con bobinas electromagnéticas . Después de que Jedlik resolviera los problemas técnicos de la rotación continua con la invención del conmutador , llamó a sus primeros dispositivos "autorrotores electromagnéticos". Aunque se usaban solo para enseñar, en 1828 Jedlik demostró el primer dispositivo que contenía los tres componentes principales de los motores de corriente continua prácticos : el estator , el rotor y el conmutador. El dispositivo no empleaba imanes permanentes, ya que los campos magnéticos de los componentes estacionarios y giratorios se producían únicamente por las corrientes que fluían a través de sus devanados. [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16]
El primer conmutador El motor eléctrico de corriente continua capaz de hacer girar maquinaria fue inventado por el científico inglés William Sturgeon en 1832. [17] Siguiendo el trabajo de Sturgeon, los inventores estadounidenses Thomas Davenport y Emily Davenport construyeron un motor eléctrico de corriente continua de tipo conmutador, [18] que patentó en 1837. Los motores funcionaban a hasta 600 revoluciones por minuto y alimentaban máquinas herramienta y una imprenta. [19] Debido al alto costo de la energía de la batería primaria , los motores no tuvieron éxito comercial y llevaron a la quiebra a los Davenport. Varios inventores siguieron a Sturgeon en el desarrollo de motores de corriente continua, pero todos se encontraron con los mismos problemas de costo de la batería. Como no había un sistema de distribución de electricidad disponible en ese momento, no surgió un mercado comercial práctico para estos motores. [20]
Después de muchos otros intentos más o menos exitosos con aparatos rotatorios y alternativos relativamente débiles, el prusiano/ruso Moritz von Jacobi creó el primer motor eléctrico rotatorio real en mayo de 1834. Desarrollaba una potencia mecánica de salida notable. Su motor estableció un récord mundial, que Jacobi mejoró cuatro años después, en septiembre de 1838. [21] Su segundo motor era lo suficientemente potente como para impulsar un bote con 14 personas a través de un ancho río. También fue en 1839/40 cuando otros desarrolladores lograron construir motores con un rendimiento similar y luego superior.
Entre 1827 y 1828, Jedlik construyó un dispositivo que utilizaba principios similares a los utilizados en sus autorrotores electromagnéticos y que era capaz de realizar un trabajo útil. [22] [23] [24] [25] [26] [27] [10] [16] Ese mismo año construyó un modelo de vehículo eléctrico . [28]
Un punto de inflexión importante se produjo en 1864, cuando Antonio Pacinotti describió por primera vez la armadura de anillo (aunque inicialmente concebida en un generador de CC, es decir, un dinamo). [6] Esta presentaba bobinas agrupadas simétricamente cerradas sobre sí mismas y conectadas a las barras de un conmutador, cuyas escobillas suministraban una corriente prácticamente no fluctuante. [29] [30] Los primeros motores de CC comercialmente exitosos siguieron los desarrollos de Zénobe Gramme quien, en 1871, reinventó el diseño de Pacinotti y adoptó algunas soluciones de Werner Siemens .
Un beneficio para las máquinas de CC provino del descubrimiento de la reversibilidad de la máquina eléctrica, que fue anunciado por Siemens en 1867 y observado por Pacinotti en 1869. [6] Gramme lo demostró accidentalmente con ocasión de la Feria Mundial de Viena de 1873, cuando conectó dos de estos dispositivos de CC a hasta 2 km uno del otro, usando uno de ellos como generador y el otro como motor. [31]
El rotor de tambor fue introducido por Friedrich von Hefner-Alteneck de Siemens & Halske para reemplazar la armadura de anillo de Pacinotti en 1872, mejorando así la eficiencia de la máquina. [6] El rotor laminado fue introducido por Siemens & Halske al año siguiente, logrando pérdidas de hierro reducidas y voltajes inducidos aumentados. En 1880, Jonas Wenström proporcionó al rotor ranuras para alojar el bobinado, aumentando aún más la eficiencia.
En 1886, Frank Julian Sprague inventó el primer motor de corriente continua práctico, un dispositivo que no producía chispas y que mantenía una velocidad relativamente constante bajo cargas variables. Otras invenciones eléctricas de Sprague en esta época mejoraron enormemente la distribución eléctrica de la red (trabajo previo realizado mientras trabajaba para Thomas Edison ), permitieron que la energía de los motores eléctricos se devolviera a la red eléctrica, proporcionaron distribución eléctrica a los tranvías a través de cables aéreos y el poste del tranvía, y proporcionaron sistemas de control para operaciones eléctricas. Esto permitió a Sprague usar motores eléctricos para inventar el primer sistema de tranvía eléctrico en 1887-88 en Richmond, Virginia , el ascensor eléctrico y el sistema de control en 1892, y el metro eléctrico con vagones controlados centralmente y propulsados de forma independiente. Estos últimos fueron instalados por primera vez en 1892 en Chicago por el South Side Elevated Railroad , donde se los conoció popularmente como " L ". El motor de Sprague y las invenciones relacionadas con él llevaron a una explosión de interés y uso en motores eléctricos para la industria. El desarrollo de motores eléctricos de eficiencia aceptable se retrasó durante varias décadas por no reconocer la extrema importancia de un espacio de aire entre el rotor y el estator. Los diseños eficientes tienen un espacio de aire comparativamente pequeño. [32] [a] El motor St. Louis, utilizado durante mucho tiempo en las aulas para ilustrar los principios de los motores, es ineficiente por la misma razón, además de no parecerse en nada a un motor moderno. [34]
Los motores eléctricos revolucionaron la industria. Los procesos industriales ya no estaban limitados por la transmisión de potencia mediante ejes de transmisión, correas, aire comprimido o presión hidráulica. En cambio, cada máquina podía estar equipada con su propia fuente de energía, lo que proporcionaba un fácil control en el punto de uso y mejoraba la eficiencia de la transmisión de potencia. Los motores eléctricos aplicados en la agricultura eliminaron la fuerza muscular humana y animal en tareas como manipular granos o bombear agua. Los usos domésticos (como en lavadoras, lavavajillas, ventiladores, aires acondicionados y refrigeradores (que reemplazaban a las hieleras )) de los motores eléctricos redujeron el trabajo pesado en el hogar y posibilitaron estándares más altos de conveniencia, comodidad y seguridad. Hoy en día, los motores eléctricos consumen más de la mitad de la energía eléctrica producida en los EE. UU. [35]
En 1824, el físico francés François Arago formuló la existencia de campos magnéticos rotatorios , denominados rotaciones de Arago , que, al encender y apagar manualmente los interruptores, Walter Baily demostró en 1879 como el primer motor de inducción primitivo . [36] [37] [ 38] [39] En la década de 1880, muchos inventores estaban tratando de desarrollar motores de CA viables [40] porque las ventajas de la CA en la transmisión de alto voltaje a larga distancia se veían compensadas por la incapacidad de operar motores con CA.
El primer motor de inducción sin conmutador de corriente alterna fue inventado por Galileo Ferraris en 1885. Ferraris pudo mejorar su primer diseño al producir configuraciones más avanzadas en 1886. [41] En 1888, la Real Academia de Ciencias de Turín publicó la investigación de Ferraris que detallaba los fundamentos del funcionamiento del motor, al tiempo que concluía en ese momento que "el aparato basado en ese principio no podía tener ninguna importancia comercial como motor". [39] [42] [43]
Nikola Tesla imaginó un posible desarrollo industrial al inventar de forma independiente su motor de inducción en 1887 y obtener una patente en mayo de 1888. Ese mismo año, Tesla presentó su artículo Un nuevo sistema de motores y transformadores de corriente alterna en la AIEE , que describía tres tipos de motores de cuatro polos de estator patentados, de dos fases: uno con un rotor de cuatro polos que forma un motor de reluctancia sin arranque automático, otro con un rotor bobinado que forma un motor de inducción con arranque automático y el tercero, un verdadero motor síncrono con suministro de CC excitado por separado al devanado del rotor. Sin embargo, una de las patentes que Tesla presentó en 1887 también describía un motor de inducción con rotor en cortocircuito. George Westinghouse , que ya había adquirido los derechos de Ferraris (US$1.000), compró rápidamente las patentes de Tesla (US$60.000 más US$2,50 por hp vendido, pagados hasta 1897), [41] empleó a Tesla para desarrollar sus motores y asignó a CF Scott para ayudar a Tesla; sin embargo, Tesla se fue a otras actividades en 1889. [44] [45] [46] [47] Se descubrió que el motor de inducción de CA de velocidad constante no era adecuado para los tranvías, [40] pero los ingenieros de Westinghouse lo adaptaron con éxito para impulsar una operación minera en Telluride, Colorado en 1891. [48] [49] [50] Westinghouse logró su primer motor de inducción práctico en 1892 y desarrolló una línea de motores de inducción polifásicos de 60 hercios en 1893, pero estos primeros motores Westinghouse eran motores bifásicos con rotores bobinados. BG Lamme desarrolló más tarde un rotor de bobinado de barra giratoria. [44]
Firme en su promoción del desarrollo trifásico, Mikhail Dolivo-Dobrovolsky inventó el motor de inducción trifásico en 1889, de ambos tipos, rotor de jaula y rotor bobinado con un reóstato de arranque, y el transformador de tres ramas en 1890. Después de un acuerdo entre AEG y Maschinenfabrik Oerlikon , Doliwo-Dobrowolski y Charles Eugene Lancelot Brown desarrollaron modelos más grandes, a saber, una jaula de ardilla de 20 hp y un rotor bobinado de 100 hp con un reóstato de arranque. Estos fueron los primeros motores asíncronos trifásicos adecuados para el funcionamiento práctico. [41] Desde 1889, Wenström inició desarrollos similares de maquinaria trifásica. En la Exposición Electrotécnica Internacional de Frankfurt de 1891, se presentó con éxito el primer sistema trifásico de larga distancia. Tenía una potencia nominal de 15 kV y se extendía a lo largo de 175 km desde la cascada Lauffen en el río Neckar. La central eléctrica de Lauffen incluía un alternador de 240 kW 86 V 40 Hz y un transformador elevador, mientras que en la exposición un transformador reductor alimentaba un motor de inducción trifásico de 100 hp que impulsaba una cascada artificial, lo que representaba la transferencia de la fuente de energía original. [41] La inducción trifásica se utiliza ahora para la gran mayoría de aplicaciones comerciales. [51] [52] Mikhail Dolivo-Dobrovolsky afirmó que el motor de Tesla no era práctico debido a las pulsaciones bifásicas, lo que lo impulsó a persistir en su trabajo trifásico. [53]
La General Electric Company comenzó a desarrollar motores de inducción trifásicos en 1891. [44] En 1896, General Electric y Westinghouse firmaron un acuerdo de licencia cruzada para el diseño de rotor de bobinado de barras, más tarde llamado rotor de jaula de ardilla . [44] Las mejoras del motor de inducción que surgieron de estas invenciones e innovaciones fueron tales que un motor de inducción de 100 caballos de fuerza actualmente tiene las mismas dimensiones de montaje que un motor de 7,5 caballos de fuerza en 1897. [44]
En 2022, se estima que las ventas de motores eléctricos alcanzarán los 800 millones de unidades, con un aumento anual del 10 %. Los motores eléctricos consumen aproximadamente el 50 % de la electricidad mundial. [54] Desde la década de 1980, la participación de mercado de los motores de CC ha disminuido en favor de los motores de CA. [55] : 89 [ aclaración necesaria ]
Un motor eléctrico tiene dos partes mecánicas: el rotor, que se mueve, y el estator, que no lo hace. Eléctricamente, el motor consta de dos partes, los imanes de campo y la armadura, una de las cuales está unida al rotor y la otra al estator. Juntos forman un circuito magnético . [56] Los imanes crean un campo magnético que pasa a través de la armadura. Estos pueden ser electroimanes o imanes permanentes . El imán de campo suele estar en el estator y la armadura en el rotor, pero estos pueden estar invertidos.
El rotor es la parte móvil que proporciona la potencia mecánica. El rotor suele contener conductores que transportan corrientes, sobre las que el campo magnético del estator ejerce fuerza para hacer girar el eje. [57]
El estator rodea al rotor y, por lo general, contiene imanes de campo, que son electroimanes (bobinados de alambre alrededor de un núcleo de hierro ferromagnético) o imanes permanentes . Estos crean un campo magnético que pasa a través de la armadura del rotor y ejerce fuerza sobre los devanados del rotor. El núcleo del estator está formado por muchas láminas metálicas delgadas que están aisladas entre sí, llamadas laminaciones. Estas laminaciones están hechas de acero eléctrico , que tiene una permeabilidad magnética, histéresis y saturación específicas. Las laminaciones reducen las pérdidas que resultarían de las corrientes de Foucault circulantes inducidas que fluirían si se usara un núcleo sólido. Los motores de CA alimentados por la red eléctrica generalmente inmovilizan los cables dentro de los devanados impregnándolos con barniz en el vacío. Esto evita que los cables en el devanado vibren entre sí, lo que desgastaría el aislamiento del cable y causaría fallas prematuras. Los motores rellenos de resina, utilizados en bombas sumergibles de pozos profundos, lavadoras y acondicionadores de aire, encapsulan el estator en resina plástica para evitar la corrosión y/o reducir el ruido conducido. [58]
Un espacio de aire entre el estator y el rotor permite que giren. El ancho del espacio tiene un efecto significativo en las características eléctricas del motor. Generalmente se hace lo más pequeño posible, ya que un espacio grande debilita el rendimiento. Por el contrario, los espacios demasiado pequeños pueden crear fricción además de ruido.
La armadura está formada por bobinas de alambre sobre un núcleo ferromagnético . La corriente eléctrica que pasa a través del alambre hace que el campo magnético ejerza una fuerza ( fuerza de Lorentz ) sobre él, haciendo girar el rotor. Las bobinas son alambres enrollados alrededor de un núcleo ferromagnético de hierro blando laminado, de modo que forman polos magnéticos cuando se les aplica corriente.
Las máquinas eléctricas se presentan en configuraciones de polos salientes y no salientes. En un motor de polos salientes, los núcleos ferromagnéticos del rotor y del estator tienen proyecciones llamadas polos que se enfrentan entre sí. El cable se enrolla alrededor de cada polo por debajo de la cara del polo, que se convierten en polos norte o sur cuando la corriente fluye a través del cable. En un motor de polos no salientes (campo distribuido o rotor redondo), el núcleo ferromagnético es un cilindro liso, con los devanados distribuidos uniformemente en ranuras alrededor de la circunferencia. El suministro de corriente alterna en los devanados crea polos en el núcleo que giran continuamente. [59] Un motor de polos sombreados tiene un devanado alrededor de parte del polo que retrasa la fase del campo magnético para ese polo.
Un conmutador es un interruptor eléctrico rotatorio que suministra corriente al rotor. Invierte periódicamente el flujo de corriente en los devanados del rotor a medida que gira el eje. Consiste en un cilindro compuesto de múltiples segmentos de contacto metálicos en la armadura . Dos o más contactos eléctricos llamados escobillas hechas de un material conductor suave como el carbono presionan contra el conmutador. Las escobillas hacen contacto deslizante con segmentos sucesivos del conmutador a medida que el rotador gira, suministrando corriente al rotor. Los devanados del rotor están conectados a los segmentos del conmutador. El conmutador invierte la dirección de la corriente en los devanados del rotor con cada media vuelta (180°), por lo que el par aplicado al rotor siempre está en la misma dirección. [60] Sin esta inversión, la dirección del par en cada devanado del rotor se invertiría con cada media vuelta, deteniendo el rotor. Los motores conmutados han sido reemplazados en su mayoría por motores sin escobillas , motores de imán permanente y motores de inducción .
El eje del motor se extiende hacia el exterior del motor, donde satisface la carga. Debido a que las fuerzas de la carga se ejercen más allá del cojinete más externo, se dice que la carga está en voladizo. [61]
El rotor está soportado por cojinetes , que permiten que el rotor gire sobre su eje transfiriendo la fuerza de las cargas axiales y radiales del eje a la carcasa del motor. [61]
Un motor de CC generalmente se alimenta a través de un conmutador de anillo dividido como se describió anteriormente.
La conmutación de los motores de CA se puede lograr mediante un conmutador de anillos rozantes o una conmutación externa. Puede ser de tipo de control de velocidad fija o variable, y puede ser sincrónico o asincrónico. Los motores universales pueden funcionar con CA o CC.
Los motores de CC pueden funcionar a velocidades variables ajustando el voltaje aplicado a los terminales o utilizando modulación por ancho de pulso (PWM).
Los motores de CA que funcionan a una velocidad fija generalmente se alimentan directamente de la red o a través de arrancadores suaves de motor .
Los motores de CA que funcionan a velocidades variables se alimentan con diversas tecnologías de inversores de potencia , variadores de frecuencia o conmutadores electrónicos.
El término conmutador electrónico se asocia generalmente con aplicaciones de motores de CC sin escobillas autoconmutados y motores de reluctancia conmutada .
Los motores eléctricos funcionan según uno de tres principios físicos: magnetismo , electrostática y piezoelectricidad .
En los motores magnéticos, los campos magnéticos se forman tanto en el rotor como en el estator. El producto entre estos dos campos da lugar a una fuerza y, por lo tanto, a un par en el eje del motor. Uno o ambos de estos campos cambian a medida que gira el rotor. Esto se hace activando y desactivando los polos en el momento adecuado o variando la fuerza del polo.
Los motores funcionan con corriente continua o alterna (o con cualquiera de ellas). [62]
Los motores de CA pueden ser asíncronos o sincrónicos. [63] Los motores sincrónicos requieren que el rotor gire a la misma velocidad que el campo giratorio del estator. Los rotores asíncronos relajan esta restricción.
Un motor de potencia fraccionaria tiene una potencia nominal inferior a 1 caballo de fuerza (0,746 kW) o está fabricado con un tamaño de bastidor más pequeño que un motor estándar de 1 HP. Muchos motores domésticos e industriales pertenecen a la clase de potencia fraccionaria.
Notas:
1. La rotación es independiente de la frecuencia del voltaje de CA.
2. La rotación es igual a la velocidad sincrónica (velocidad motor-estator-campo).
3. En SCIM, la rotación de la operación de velocidad fija es igual a la velocidad sincrónica, menos la velocidad de deslizamiento.
4. En los sistemas de recuperación de energía antideslizantes , WRIM se utiliza generalmente para arrancar el motor, pero se puede utilizar para variar la velocidad de la carga.
5. Operación de velocidad variable.
6. Mientras que los accionamientos de motores de inducción y síncronos suelen tener una salida de forma de onda sinusoidal o de seis pasos, los accionamientos de motores BLDC suelen tener una forma de onda de corriente trapezoidal; sin embargo, el comportamiento de las máquinas de imán permanente sinusoidales y trapezoidales es idéntico en términos de sus aspectos fundamentales. [74]
7. En operación de velocidad variable, WRIM se utiliza en aplicaciones de recuperación de energía de deslizamiento y máquinas de inducción de doble alimentación.
8. Un devanado de jaula es un rotor de jaula de ardilla en cortocircuito, un devanado enrollado está conectado externamente a través de anillos colectores.
9. Mayormente monofásicas y algunas trifásicas.
Abreviaturas:
La mayoría de los motores de corriente continua son pequeños motores de imán permanente (PM). Contienen una conmutación mecánica interna con escobillas para invertir la corriente de los devanados del motor en sincronismo con la rotación. [75]
Un motor de corriente continua conmutada tiene un conjunto de devanados giratorios enrollados en una armadura montada sobre un eje giratorio. El eje también lleva el conmutador. Por lo tanto, cada motor de corriente continua con escobillas tiene corriente alterna circulando a través de sus devanados. La corriente fluye a través de uno o más pares de escobillas que tocan el conmutador; las escobillas conectan una fuente externa de energía eléctrica a la armadura giratoria.
La armadura giratoria consta de una o más bobinas de alambre enrolladas alrededor de un núcleo ferromagnético laminado y magnéticamente "blando" . La corriente de las escobillas fluye a través del conmutador y un devanado de la armadura, lo que lo convierte en un imán temporal (un electroimán ). El campo magnético producido interactúa con un campo magnético estacionario producido por los PM u otro devanado (una bobina de campo), como parte del armazón del motor. La fuerza entre los dos campos magnéticos hace girar el eje. El conmutador conmuta la energía a las bobinas a medida que gira el rotor, evitando que los polos se alineen completamente con los polos magnéticos del campo del estator, de modo que el rotor sigue girando mientras se aplica energía.
Muchas de las limitaciones del motor de corriente continua con conmutador clásico se deben a la necesidad de que las escobillas mantengan el contacto con el conmutador, lo que crea fricción. Las escobillas crean chispas al cruzar los espacios aislantes entre las secciones del conmutador. Dependiendo del diseño del conmutador, las escobillas pueden crear cortocircuitos entre secciones adyacentes y, por lo tanto, entre los extremos de las bobinas. Además, la inductancia de las bobinas del rotor hace que el voltaje en cada una aumente cuando se abre su circuito, lo que aumenta la formación de chispas. Estas chispas limitan la velocidad máxima de la máquina, ya que una formación de chispas demasiado rápida sobrecalentará, erosionará o incluso fundirá el conmutador. La densidad de corriente por unidad de área de las escobillas, en combinación con su resistividad , limita la salida del motor. Cruzar los espacios también genera ruido eléctrico ; las chispas generan RFI . Las escobillas eventualmente se desgastan y requieren reemplazo, y el conmutador en sí está sujeto a desgaste y mantenimiento o reemplazo. El conjunto del conmutador en un motor grande es un elemento costoso, que requiere un ensamblaje de precisión de muchas piezas. En los motores pequeños, el conmutador suele estar integrado de forma permanente en el rotor, por lo que para reemplazarlo normalmente es necesario sustituir el rotor.
Aunque la mayoría de los conmutadores son cilíndricos, algunos son discos planos y segmentados montados sobre un aislante.
Las escobillas grandes crean una gran área de contacto, lo que maximiza la potencia del motor, mientras que las escobillas pequeñas tienen una masa baja para maximizar la velocidad a la que el motor puede funcionar sin generar chispas excesivas. (Las escobillas pequeñas son deseables por su menor costo). Se pueden utilizar resortes de escobillas más rígidos para hacer que las escobillas de una masa determinada trabajen a una velocidad mayor, a pesar de mayores pérdidas por fricción (menor eficiencia) y un desgaste acelerado de las escobillas y el conmutador. Por lo tanto, el diseño de las escobillas de un motor de CC implica un equilibrio entre la potencia de salida, la velocidad y la eficiencia/desgaste.
Las máquinas de corriente continua se definen de la siguiente manera: [76]
Los cinco tipos de motor de corriente continua con escobillas son:
Un motor de imán permanente (PM) no tiene un devanado de campo en el armazón del estator, sino que depende de los PM para proporcionar el campo magnético. Se pueden utilizar devanados de compensación en serie con la armadura en motores grandes para mejorar la conmutación bajo carga. Este campo es fijo y no se puede ajustar para el control de velocidad. Los campos de PM (estatores) son convenientes en motores en miniatura para eliminar el consumo de energía del devanado de campo. La mayoría de los motores de CC más grandes son del tipo "dinamo", que tienen devanados de estator. Históricamente, no se podía hacer que los PM retuvieran un flujo alto si se desarmaban; los devanados de campo eran más prácticos para obtener el flujo necesario. Sin embargo, los PM grandes son costosos, así como peligrosos y difíciles de ensamblar; esto favorece los campos devanados para máquinas grandes.
Para minimizar el peso y el tamaño totales, los motores de imán permanente en miniatura pueden utilizar imanes de alta energía fabricados con neodimio ; la mayoría son de aleación de neodimio, hierro y boro. Con su mayor densidad de flujo, las máquinas eléctricas con imanes permanentes de alta energía son al menos competitivas con todas las máquinas eléctricas sincrónicas y de inducción de alimentación simple diseñadas de manera óptima. Los motores en miniatura se parecen a la estructura de la ilustración, excepto que tienen al menos tres polos de rotor (para garantizar el arranque, independientemente de la posición del rotor) y su carcasa exterior es un tubo de acero que une magnéticamente los exteriores de los imanes de campo curvo.
Algunos de los problemas del motor de corriente continua con escobillas se eliminan en el diseño BLDC. En este motor, el "interruptor giratorio" mecánico o conmutador se reemplaza por un interruptor electrónico externo sincronizado con la posición del rotor. Los motores BLDC suelen tener una eficiencia superior al 85 %, llegando hasta el 96,5 %, [77] mientras que los motores de corriente continua con escobillas suelen tener una eficiencia del 75 al 80 %.
La forma de onda de la fuerza contraelectromotriz trapezoidal característica del motor BLDC se deriva en parte de la distribución uniforme de los devanados del estator y en parte de la colocación de los imanes permanentes del rotor. También conocidos como motores de CC conmutados electrónicamente o de CC de adentro hacia afuera, los devanados del estator de los motores BLDC trapezoidales pueden ser monofásicos, bifásicos o trifásicos y utilizan sensores de efecto Hall montados en sus devanados para detectar la posición del rotor y controlar el conmutador de bucle cerrado a bajo costo .
Los motores BLDC se utilizan habitualmente cuando es necesario un control preciso de la velocidad, como en las unidades de disco de ordenador o en las grabadoras de vídeo. Los husillos de las unidades de CD, CD-ROM (etc.) y los mecanismos de los productos de oficina, como ventiladores, impresoras láser y fotocopiadoras. Tienen varias ventajas sobre los motores convencionales:
Los motores BLDC modernos tienen una potencia que va desde una fracción de vatio hasta muchos kilovatios. Los motores BLDC más grandes, de hasta 100 kW, se utilizan en vehículos eléctricos. También se utilizan en modelos de aviones eléctricos .
El motor de reluctancia conmutada (SRM) no tiene escobillas ni imanes permanentes y el rotor no tiene corrientes eléctricas. El par motor proviene de una ligera desalineación de los polos del rotor con los polos del estator. El rotor se alinea con el campo magnético del estator, mientras que los devanados del campo del estator se energizan secuencialmente para hacer girar el campo del estator.
El flujo magnético creado por los devanados de campo sigue el camino menos magnético y lo envía a través de los polos del rotor que están más cerca de los polos energizados del estator, magnetizando así esos polos del rotor y creando par. A medida que el rotor gira, se energizan diferentes devanados, lo que mantiene el rotor en movimiento.
Los SRM se utilizan en algunos electrodomésticos [78] y vehículos. [79]
Un motor conmutado, excitado eléctricamente, con bobinado en serie o en paralelo se denomina motor universal porque puede diseñarse para funcionar con corriente alterna o continua. Un motor universal puede funcionar bien con corriente alterna porque la corriente en el campo y en las bobinas del inducido (y, por lo tanto, los campos magnéticos resultantes) invierten la polaridad de manera sincrónica y, por lo tanto, la fuerza mecánica resultante se produce en una dirección de rotación constante.
Los motores universales, que funcionan a frecuencias normales de línea eléctrica , se utilizan a menudo en aplicaciones de menos de un kilovatio. Los motores universales formaron la base del motor de tracción ferroviaria tradicional en los ferrocarriles eléctricos . En esta aplicación, el uso de corriente alterna en un motor diseñado para funcionar con corriente continua experimentaría pérdidas de eficiencia debido al calentamiento por corrientes parásitas de sus componentes magnéticos, en particular las piezas polares del campo del motor que, para la corriente continua, habrían utilizado hierro sólido (no laminado). Ahora rara vez se utilizan.
Una ventaja es que la alimentación de CA se puede utilizar en motores que tienen específicamente un par de arranque alto y un diseño compacto si se utilizan altas velocidades de funcionamiento. Por el contrario, el mantenimiento es mayor y las vidas útiles se acortan. Estos motores se utilizan en dispositivos que no se utilizan mucho y tienen altas demandas de par de arranque. Múltiples tomas en la bobina de campo proporcionan un control de velocidad escalonado (impreciso). Las batidoras domésticas que anuncian muchas velocidades suelen combinar una bobina de campo con varias tomas y un diodo que se puede insertar en serie con el motor (lo que hace que el motor funcione con CA rectificada de media onda). Los motores universales también se prestan al control electrónico de la velocidad y, como tal, son una opción para dispositivos como las lavadoras domésticas. El motor puede agitar el tambor (tanto hacia adelante como hacia atrás) cambiando el devanado de campo con respecto a la armadura.
Mientras que los motores SCIM no pueden hacer girar un eje más rápido de lo permitido por la frecuencia de la línea eléctrica, los motores universales pueden funcionar a velocidades mucho más altas. Esto 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 de calar, donde las características del motor funcionan bien. Muchos motores de aspiradoras y desmalezadoras superan las 10.000 rpm , mientras que las amoladoras en miniatura pueden superar las 30.000 rpm .
Los motores de inducción y síncronos de CA están optimizados para funcionar con energía de forma de onda sinusoidal o cuasi-sinusoidal monofásica o polifásica, como la suministrada para aplicaciones de velocidad fija por la red eléctrica de CA o para aplicaciones de velocidad variable desde controladores de frecuencia variable (VFD).
Un motor de inducción es un motor de corriente alterna asíncrono en el que la potencia se transfiere al rotor por inducción electromagnética, de forma muy similar a la acción de un transformador. Un motor de inducción se parece a un transformador giratorio, porque el estator (parte estacionaria) es esencialmente el lado primario del transformador y el rotor (parte giratoria) es el lado secundario. Los motores de inducción polifásicos se utilizan ampliamente en la industria.
Los motores de inducción se pueden dividir en motores de inducción de jaula de ardilla (SCIM) y motores de inducción de rotor bobinado (WRIM). Los SCIM tienen un bobinado pesado formado por barras sólidas, generalmente de aluminio o cobre, conectadas eléctricamente mediante anillos en los extremos del rotor. Las barras y los anillos en su conjunto son muy parecidos a la jaula de ejercicio giratoria de un animal .
Las corrientes inducidas en este devanado proporcionan el campo magnético del rotor. La forma de las barras del rotor determina las características de velocidad-par. A bajas velocidades, la corriente inducida en la jaula de ardilla está casi a la frecuencia de línea y tiende a permanecer en las partes externas de la jaula. A medida que el motor acelera, la frecuencia de deslizamiento se vuelve más baja y llega más corriente al interior. Al dar forma a las barras para cambiar la resistencia de las partes del devanado en las partes internas y externas de la jaula, se inserta efectivamente una resistencia variable en el circuito del rotor. Sin embargo, la mayoría de estos motores emplean barras uniformes.
En un WRIM, el devanado del rotor está formado por muchas vueltas de cable aislado y está conectado a anillos colectores en el eje del motor. Se puede conectar una resistencia externa u otro dispositivo de control en el circuito del rotor. Las resistencias permiten controlar la velocidad del motor, aunque disipan una cantidad significativa de potencia. Se puede alimentar un convertidor desde el circuito del rotor y devolver la potencia de frecuencia de deslizamiento que de otro modo se desperdiciaría al sistema de energía a través de un inversor o un motor-generador independiente.
Los WRIM se utilizan principalmente para arrancar una carga de alta inercia o una carga que requiere un alto par de arranque en todo el rango de velocidad. Al seleccionar correctamente las resistencias utilizadas en el arrancador de resistencia secundaria o de anillo colector, el motor puede producir el par máximo con una corriente de suministro relativamente baja desde la velocidad cero hasta la velocidad máxima.
La velocidad del motor se puede modificar porque la curva de par del motor se modifica efectivamente por la cantidad de resistencia conectada al circuito del rotor. Al aumentar la resistencia se reduce la velocidad del par máximo. Si se aumenta la resistencia más allá del punto en el que se produce el par máximo a velocidad cero, el par se reduce aún más.
Cuando se utiliza con una carga que tiene una curva de par que aumenta con la velocidad, el motor funciona a la velocidad en la que el par desarrollado por el motor es igual al par de la carga. Al reducir la carga, el motor se acelera, mientras que al aumentar la carga, el motor se desacelera hasta que la carga y el par del motor vuelven a ser iguales. Al funcionar de esta manera, las pérdidas por deslizamiento se disipan en las resistencias secundarias y pueden ser significativas. La regulación de la velocidad y la eficiencia neta son deficientes.
Un motor de par puede funcionar indefinidamente mientras está parado, es decir, con el rotor bloqueado y sin poder girar, sin sufrir daños. En este modo de funcionamiento, el motor aplica un par constante a la carga.
Una aplicación común son los motores de los carretes de alimentación y recogida de una unidad de cinta. En esta aplicación, impulsados por un voltaje bajo, las características de estos motores aplican una tensión ligera y constante a la cinta, independientemente de si el cabrestante está alimentando la cinta más allá de los cabezales de la cinta o no. Impulsados por un voltaje más alto (que proporciona un par mayor), los motores de par pueden lograr un funcionamiento rápido de avance y rebobinado sin necesidad de mecanismos adicionales, como engranajes o embragues. En el mundo de los juegos de ordenador, los motores de par se utilizan en volantes con retroalimentación de fuerza.
Otra aplicación común es controlar el acelerador de un motor de combustión interna con un regulador electrónico. El motor trabaja contra un resorte de retorno para mover el acelerador de acuerdo con la salida del regulador. Este último monitorea la velocidad del motor contando los pulsos eléctricos del sistema de encendido o de un captador magnético y, dependiendo de la velocidad, realiza pequeños ajustes en la cantidad de corriente. Si el motor disminuye la velocidad en relación con la velocidad deseada, la corriente aumenta, lo que produce más par, tirando contra el resorte de retorno y abriendo el acelerador. Si el motor funciona demasiado rápido, el regulador reduce la corriente, lo que permite que el resorte de retorno tire hacia atrás y reduzca el acelerador.
Un motor eléctrico síncrono es un motor de corriente alterna. Incluye un rotor que gira con bobinas que pasan imanes a la misma frecuencia que la corriente alterna y produce un campo magnético para impulsarlo. Tiene deslizamiento cero en condiciones de funcionamiento típicas. Por el contrario, los motores de inducción deben deslizarse para producir par. Un tipo de motor síncrono es como un motor de inducción, excepto que el rotor es excitado por un campo de corriente continua. Los anillos rozantes y las escobillas conducen la corriente al rotor. Los polos del rotor se conectan entre sí y se mueven a la misma velocidad. Otro tipo, para un par de carga bajo, tiene planos rectificados en un rotor de jaula de ardilla convencional para crear polos discretos. Otro más, como el fabricado por Hammond para sus relojes anteriores a la Segunda Guerra Mundial y en los órganos Hammond más antiguos , no tiene devanados de rotor ni polos discretos. No se inicia automáticamente. El reloj requiere un arranque manual mediante una pequeña perilla en la parte posterior, mientras que los órganos Hammond más antiguos tenían un motor de arranque auxiliar conectado mediante un interruptor accionado manualmente con resorte.
Los motores síncronos de histéresis son, en esencia, motores bifásicos con un condensador de cambio de fase para una fase. Arrancan como motores de inducción, pero cuando la tasa de deslizamiento disminuye lo suficiente, el rotor (un cilindro liso) se magnetiza temporalmente. Sus polos distribuidos hacen que actúe como un motor síncrono de imán permanente. El material del rotor, como el de un clavo común, permanece magnetizado, pero se puede desmagnetizar sin mucha dificultad. Una vez en funcionamiento, los polos del rotor permanecen en su lugar; no se desplazan.
Los motores de sincronización síncronos de baja potencia (como los de los relojes eléctricos tradicionales) pueden tener rotores de copa externos con imanes permanentes multipolares y utilizar bobinas de sombreado para proporcionar un par de arranque. Los motores de reloj Telechron tienen polos sombreados para el par de arranque y un rotor de anillo de dos radios que funciona como un rotor de dos polos discreto.
Los motores eléctricos de doble alimentación tienen dos conjuntos de bobinados multifásicos independientes, que aportan potencia activa (es decir, de trabajo) al proceso de conversión de energía, con al menos uno de los conjuntos de bobinados controlado electrónicamente para operación de velocidad variable. Dos conjuntos de bobinados multifásicos independientes (es decir, armadura dual) son el máximo proporcionado en un solo paquete sin duplicación de topología. Los motores eléctricos de doble alimentación tienen un rango de velocidad de par constante efectivo que es el doble de la velocidad sincrónica para una frecuencia de excitación dada. Esto es el doble del rango de velocidad de par constante que las máquinas eléctricas de alimentación simple , que tienen solo un conjunto de bobinado activo.
Un motor de doble alimentación permite utilizar un convertidor electrónico más pequeño, pero el coste del devanado del rotor y de los anillos colectores puede compensar el ahorro en los componentes electrónicos de potencia. Las dificultades afectan al control de la velocidad en aplicaciones cercanas al límite de velocidad síncrona. [80]
El motor de corriente continua sin núcleo o sin hierro es un motor de corriente continua de imán permanente especializado. [75] Optimizado para una aceleración rápida , el rotor está construido sin un núcleo de hierro. El rotor puede adoptar la forma de un cilindro lleno de bobinados o una estructura autoportante que comprende solo alambre y material de unión. El rotor puede encajar dentro de los imanes del estator; un cilindro estacionario magnéticamente blando dentro del rotor proporciona una ruta de retorno para el flujo magnético del estator. Una segunda disposición tiene la cesta del bobinado del rotor rodeando los imanes del estator. En ese diseño, el rotor encaja dentro de un cilindro magnéticamente blando que puede servir como carcasa del motor y proporciona una ruta de retorno para el flujo.
Como el rotor tiene una masa mucho menor que un rotor convencional, puede acelerar mucho más rápido y, a menudo, lograr una constante de tiempo mecánica inferior a un milisegundo. Esto es especialmente cierto si los devanados utilizan aluminio en lugar de cobre (más pesado). El rotor no tiene masa metálica que actúe como disipador de calor; incluso los motores pequeños deben refrigerarse. El sobrecalentamiento puede ser un problema para estos diseños.
La alerta vibratoria de los teléfonos celulares puede generarse mediante motores cilíndricos de imán permanente o de tipo disco con un imán de campo multipolar delgado y una estructura de rotor de plástico moldeado desequilibrada intencionalmente con dos bobinas sin núcleo unidas. Unas escobillas de metal y un conmutador plano conmutan la energía a las bobinas del rotor.
Los actuadores de recorrido limitado relacionados no tienen núcleo y tienen una bobina adherida colocada entre los polos de imanes permanentes delgados de alto flujo. Estos son los posicionadores rápidos de cabezales para unidades de disco rígido ("disco duro"). Aunque el diseño contemporáneo difiere considerablemente del de los altavoces, todavía se lo conoce de manera imprecisa (e incorrecta) como una estructura de "bobina móvil", porque algunos cabezales de unidades de disco rígido anteriores se movían en línea recta y tenían una estructura de accionamiento muy similar a la de un altavoz.
El motor de armadura impresa o de tipo panqueque tiene bobinados con forma de disco que corren entre conjuntos de imanes de alto flujo. Los imanes están dispuestos en un círculo orientado hacia el rotor, espaciados para formar un espacio de aire axial. [81] Este diseño se conoce comúnmente como motor de tipo panqueque debido a su perfil plano.
La armadura (originalmente formada sobre una placa de circuito impreso) está hecha de láminas de cobre perforadas que se laminan entre sí mediante compuestos avanzados para formar un disco delgado y rígido. La armadura no tiene un conmutador de anillo separado. Las escobillas se mueven directamente sobre la superficie de la armadura, lo que hace que todo el diseño sea compacto.
Un diseño alternativo consiste en utilizar un cable de cobre enrollado en posición horizontal con un conmutador convencional central, en forma de flor y pétalo. Los devanados suelen estabilizarse con sistemas de encapsulado de epoxi eléctrico. Se trata de epoxis rellenos que tienen una viscosidad moderada y mixta y un tiempo de gelificación prolongado. Se destacan por su baja contracción y baja exotermia, y suelen estar reconocidos por UL 1446 como un compuesto de encapsulado aislado con clasificación de clase H de 180 °C (356 °F).
La ventaja exclusiva de los motores de corriente continua sin hierro es la ausencia de cogging (variaciones de par causadas por la atracción cambiante entre el hierro y los imanes). No se pueden formar corrientes parásitas en el rotor, ya que no contiene hierro en absoluto, aunque los rotores de hierro están laminados. Esto puede mejorar enormemente la eficiencia, pero los controladores de velocidad variable deben utilizar una tasa de conmutación más alta (>40 kHz) o corriente continua debido a la menor inducción electromagnética .
Estos motores se inventaron para accionar el cabrestante o los cabrestantes de las unidades de cinta magnética, donde el tiempo mínimo para alcanzar la velocidad de funcionamiento y la distancia de frenado mínima eran fundamentales. Los motores tipo pancake se utilizan ampliamente en sistemas servocontrolados de alto rendimiento, sistemas robóticos, automatización industrial y dispositivos médicos. Debido a la variedad de construcciones disponibles en la actualidad, la tecnología se utiliza en aplicaciones que van desde aplicaciones militares de alta temperatura hasta bombas de bajo costo y servos básicos.
Otro enfoque (Magnax) es utilizar un único estator intercalado entre dos rotores. Uno de estos diseños ha producido una potencia máxima de 15 kW/kg y una potencia sostenida de alrededor de 7,5 kW/kg. Este motor de flujo axial sin horquilla ofrece un recorrido de flujo más corto, manteniendo los imanes más alejados del eje. El diseño permite que no haya salientes en los devanados; el 100 por ciento de los devanados están activos. Esto se mejora con el uso de un cable de cobre de sección transversal rectangular. Los motores se pueden apilar para que funcionen en paralelo. Las inestabilidades se minimizan al garantizar que los dos discos del rotor ejerzan fuerzas iguales y opuestas sobre el disco del estator. Los rotores están conectados directamente entre sí a través de un anillo de eje, lo que anula las fuerzas magnéticas. [82]
Un servomotor es un motor que se utiliza dentro de un sistema de retroalimentación de control de posición o de velocidad. Los servomotores se utilizan en aplicaciones como máquinas herramienta, trazadores de líneas y otros sistemas de proceso. Los motores destinados a utilizarse en un servomecanismo deben tener características predecibles de velocidad, par y potencia. La curva de velocidad/par es importante y tiene una relación alta para un servomotor. Las características de respuesta dinámica, como la inductancia del devanado y la inercia del rotor, son importantes; estos factores limitan el rendimiento. Los servolazos grandes, potentes pero de respuesta lenta pueden utilizar motores de CA o CC convencionales y sistemas de accionamiento con retroalimentación de posición o velocidad. A medida que aumentan los requisitos de respuesta dinámica, se utilizan diseños de motor más especializados, como los motores sin núcleo. Las características superiores de densidad de potencia y aceleración de los motores de CA tienden a favorecer los enfoques de accionamiento síncrono de imán permanente, BLDC, de inducción y SRM. [81]
Un sistema servo se diferencia de algunas aplicaciones de motor paso a paso en que la retroalimentación de posición es continua mientras el motor está en funcionamiento. Un sistema paso a paso opera inherentemente en bucle abierto (dependiendo de que el motor no "se salte pasos" para lograr precisión a corto plazo) con cualquier retroalimentación, como un interruptor de "inicio" o un codificador de posición externo al sistema del motor. [83]
Los motores paso a paso se utilizan normalmente para proporcionar rotaciones precisas. Un rotor interno que contiene imanes permanentes o un rotor magnéticamente blando con polos salientes se controla mediante un conjunto de imanes externos conmutados electrónicamente. Un motor paso a paso también puede considerarse como un cruce entre un motor eléctrico de CC y un solenoide rotatorio. A medida que cada bobina se activa a su vez, el rotor se alinea con el campo magnético producido por el devanado de campo activado. A diferencia de un motor síncrono, el motor paso a paso puede no girar continuamente; en cambio, se mueve en pasos (arranca y luego se detiene) avanzando de una posición a la siguiente a medida que los devanados de campo se activan y desactivan en secuencia. Dependiendo de la secuencia, el rotor puede girar hacia adelante o hacia atrás, y puede cambiar de dirección, detenerse, acelerar o desacelerar en cualquier momento.
Los controladores de motores paso a paso simples activan o desactivan por completo los devanados de campo, lo que hace que el rotor gire en un número limitado de posiciones. Los controladores de micropasos pueden controlar proporcionalmente la potencia que llega a los devanados de campo, lo que permite que los rotores se posicionen entre los puntos de giro y giren suavemente. Los motores paso a paso controlados por computadora son uno de los sistemas de posicionamiento más versátiles, en particular como parte de un sistema controlado por servomotores digitales.
Los motores paso a paso se pueden girar hasta un ángulo específico en pasos discretos con facilidad, y por lo tanto, se utilizan para el posicionamiento del cabezal de lectura/escritura en las primeras unidades de disco , donde la precisión y la velocidad que ofrecían podían posicionar correctamente el cabezal de lectura/escritura. A medida que aumentó la densidad de unidades, las limitaciones de precisión y velocidad los hicieron obsoletos para los discos duros (la limitación de precisión los hizo inutilizables y la limitación de velocidad los hizo poco competitivos), por lo que las unidades de disco duro más nuevas utilizan sistemas de actuador de cabezal basados en bobinas móviles. (El término "bobina móvil" en este sentido es histórico; se refiere a la estructura de un altavoz de tipo cono ).
Los motores paso a paso se utilizan a menudo en impresoras de computadora, escáneres ópticos y fotocopiadoras digitales para mover el elemento activo, el carro del cabezal de impresión ( impresoras de inyección de tinta ) y los rodillos de alimentación o platina .
Los llamados relojes de pulsera analógicos de cuarzo contienen los motores paso a paso más pequeños que existen: tienen una bobina, consumen poca energía y tienen un rotor de imán permanente. El mismo tipo de motor impulsa los relojes de cuarzo que funcionan con pilas. Algunos de estos relojes, como los cronógrafos , contienen más de un motor paso a paso.
Estrechamente relacionados en diseño con los motores síncronos de CA trifásicos, los motores paso a paso y los SRM se clasifican como tipo de motor de reluctancia variable. [84]
Un motor lineal es esencialmente cualquier motor eléctrico que ha sido "desenrollado" de manera que, en lugar de producir torque (rotación), produce una fuerza en línea recta a lo largo de su longitud.
Los motores lineales son más comúnmente motores de inducción o motores paso a paso. Los motores lineales se encuentran comúnmente en montañas rusas donde el movimiento rápido del vagón sin motor está controlado por el riel. También se utilizan en trenes de levitación magnética , donde el tren "vuela" sobre el suelo. En una escala más pequeña, el trazador de lápiz HP 7225A de la era de 1978 usaba dos motores paso a paso lineales para mover el lápiz a lo largo de los ejes X e Y. [85]
Un motor electrostático se basa en la atracción y repulsión de la carga eléctrica. Por lo general, los motores electrostáticos son el doble de los motores convencionales basados en bobinas. Por lo general, requieren una fuente de alimentación de alto voltaje, aunque los motores pequeños emplean voltajes más bajos. Los motores eléctricos convencionales, en cambio, emplean atracción y repulsión magnéticas y requieren una corriente alta a voltajes bajos. En la década de 1750, Benjamin Franklin y Andrew Gordon desarrollaron los primeros motores electrostáticos. Los motores electrostáticos se utilizan con frecuencia en sistemas microelectromecánicos ( MEMS ), donde sus voltajes de accionamiento son inferiores a 100 voltios y donde las placas móviles cargadas son mucho más fáciles de fabricar que las bobinas y los núcleos de hierro. La maquinaria molecular que hace funcionar las células vivas a menudo se basa en motores electrostáticos lineales y rotativos. [ cita requerida ]
Un motor piezoeléctrico o piezomotor es un tipo de motor eléctrico basado en el cambio de forma de un material piezoeléctrico cuando se le aplica un campo eléctrico . Los motores piezoeléctricos hacen uso del efecto piezoeléctrico inverso, por el cual el material produce vibraciones acústicas o ultrasónicas para producir un movimiento lineal o rotatorio. [86] En un mecanismo, el alargamiento en un solo plano se utiliza para realizar una serie de estiramientos y posiciones, de forma similar a la forma en que se mueve una oruga. [87]
Un sistema de propulsión de naves espaciales propulsadas eléctricamente utiliza tecnología de motor eléctrico para propulsar naves espaciales en el espacio exterior. La mayoría de los sistemas se basan en la aceleración eléctrica de propulsores a alta velocidad, mientras que algunos sistemas se basan en principios de propulsión a la magnetosfera mediante amarres electrodinámicos . [88]
Un motor eléctrico convierte la energía eléctrica en energía mecánica mediante la fuerza entre dos campos magnéticos opuestos. Al menos uno de los dos campos magnéticos debe ser creado por un electroimán a través del campo magnético causado por una corriente eléctrica.
La fuerza entre una corriente en un conductor de longitud perpendicular a un campo magnético se puede calcular utilizando la ley de fuerza de Lorentz :
Nota: X denota el producto vectorial .
Los enfoques más generales para calcular las fuerzas en los motores utilizan la notación tensorial. [99]
La potencia de salida del motor eléctrico se expresa como :
En unidades imperiales, la potencia mecánica de salida de un motor se expresa mediante [100].
dónde:
En un motor asíncrono o de inducción, la relación [ cita necesaria ] entre la velocidad del motor y la potencia del entrehierro [ aclaración necesaria ] viene dada por lo siguiente:
The movement of armature windings of a direct-current or universal motor through a magnetic field, induce a voltage in them. This voltage tends to oppose the motor supply voltage and so is called "back electromotive force (EMF)". The voltage is proportional to the running speed of the motor. The back EMF of the motor, plus the voltage drop across the winding internal resistance and brushes, must equal the voltage at the brushes. This provides the fundamental mechanism of speed regulation in a DC motor. If the mechanical load increases, the motor slows down; a lower back EMF results, and more current is drawn from the supply. This increased current provides the additional torque to balance the load.[101]
In AC machines, it is sometimes useful to consider a back EMF source within the machine; this is of particular concern for close speed regulation of induction motors on VFDs.[101]
Motor losses are mainly due to resistive losses in windings, core losses and mechanical losses in bearings, and aerodynamic losses, particularly where cooling fans are present, also occur.
Losses also occur in commutation, mechanical commutators spark; electronic commutators and also dissipate heat.
To calculate a motor's efficiency, the mechanical output power is divided by the electrical input power:
where is energy conversion efficiency, is electrical input power, and is mechanical output power:
where is input voltage, is input current, is output torque, and is output angular velocity. It is possible to derive analytically the point of maximum efficiency. It is typically at less than 1/2 the stall torque.[citation needed]
Various national regulatory authorities have enacted legislation to encourage the manufacture and use of higher-efficiency motors. Electric motors have efficiencies ranging from around 15%-20% for shaded pole motors, up to 98% for permanent magnet motors,[102][103][104] with efficiency also dependent on load. Peak efficiency is usually at 75% of the rated load. So (as an example) a 10 HP motor is most efficient when driving a load that requires 7.5 HP.[105] Efficiency also depends on motor size; larger motors tend to be more efficient.[106] Some motors can not operate continually for more than a specified period of time (e.g. for more than an hour per run)[107]
Eric Laithwaite[108] proposed a metric to determine the 'goodness' of an electric motor:[109]
Where:
From this, he showed that the most efficient motors are likely to have relatively large magnetic poles. However, the equation only directly relates to non PM motors.
Electromagnetic motors derive torque from the vector product of the interacting fields. Calculating torque requires knowledge of the fields in the air gap. Once these have been established, the torque is the integral of all the force vectors multiplied by the vector's radius. The current flowing in the winding produces the fields. For a motor using a magnetic material the field is not proportional to the current.
A figure relating the current to the torque can inform motor selection. The maximum torque for a motor depends on the maximum current, absent thermal considerations.
When optimally designed within a given core saturation constraint and for a given active current (i.e., torque current), voltage, pole-pair number, excitation frequency (i.e., synchronous speed), and air-gap flux density, all categories of electric motors/generators exhibit virtually the same maximum continuous shaft torque (i.e., operating torque) within a given air-gap area with winding slots and back-iron depth, which determines the physical size of electromagnetic core. Some applications require bursts of torque beyond the maximum, such as bursts to accelerate an electric vehicle from standstill. Always limited by magnetic core saturation or safe operating temperature rise and voltage, the capacity for torque bursts beyond the maximum differs significantly across motor/generator types.
Electric machines without a transformer circuit topology, such as that of WRSMs or PMSMs, cannot provide torque bursts without saturating the magnetic core. At that point, additional current cannot increase torque. Furthermore, the permanent magnet assembly of PMSMs can be irreparably damaged.
Electric machines with a transformer circuit topology, such as induction machines, induction doubly-fed electric machines, and induction or synchronous wound-rotor doubly-fed (WRDF) machines, permit torque bursts because the EMF-induced active current on either side of the transformer oppose each other and thus contribute nothing to the transformer coupled magnetic core flux density, avoiding core saturation.
Electric machines that rely on induction or asynchronous principles short-circuit one port of the transformer circuit and as a result, the reactive impedance of the transformer circuit becomes dominant as slip increases, which limits the magnitude of active (i.e., real) current. Torque bursts two to three times higher than the maximum design torque are realizable.
The brushless wound-rotor synchronous doubly-fed (BWRSDF) machine is the only electric machine with a truly dual ported transformer circuit topology (i.e., both ports independently excited with no short-circuited port).[110] The dual ported transformer circuit topology is known to be unstable and requires a multiphase slip-ring-brush assembly to propagate limited power to the rotor winding set. If a precision means were available to instantaneously control torque angle and slip for synchronous operation during operation while simultaneously providing brushless power to the rotor winding set, the active current of the BWRSDF machine would be independent of the reactive impedance of the transformer circuit and bursts of torque significantly higher than the maximum operating torque and far beyond the practical capability of any other type of electric machine would be realizable. Torque bursts greater than eight times operating torque have been calculated.
The continuous torque density of conventional electric machines is determined by the size of the air-gap area and the back-iron depth, which are determined by the power rating of the armature winding set, the speed of the machine, and the achievable air-gap flux density before core saturation. Despite the high coercivity of neodymium or samarium-cobalt permanent magnets, continuous torque density is virtually the same amongst electric machines with optimally designed armature winding sets. Continuous torque density relates to method of cooling and permissible operation period before destruction by overheating of windings or permanent magnet damage.
Other sources state that various e-machine topologies have differing torque density. One source shows the following:[111]
where—specific torque density is normalized to 1.0 for the surface permanent magnet (SPM)—brushless ac, 180° current conduction.
Torque density is approximately four times greater for liquid cooled motors, compared to those which are air cooled.
A source comparing direct current, induction motors (IM), PMSM and SRM showed:[112]
Another source notes that PMSM up to 1 MW have considerably higher torque density than induction machines.[113]
The continuous power density is determined by the product of the continuous torque density and the constant torque speed range. Electric motors can achieve densities of up to 20 kW/kg, meaning 20 kilowatts of output power per kilogram.[114]
Acoustic noise and vibrations are usually classified in three sources:
The latter source, which can be responsible for the "whining noise" of electric motors, is called electromagnetically induced acoustic noise.
The following are major design, manufacturing, and testing standards covering electric motors:
