Un motor de CA es un motor eléctrico impulsado por corriente alterna (CA). El motor de CA normalmente consta de dos partes básicas, un estator exterior que tiene bobinas alimentadas con corriente alterna para producir un campo magnético giratorio y un rotor interior unido al eje de salida que produce un segundo campo magnético giratorio. El campo magnético del rotor puede ser producido por imanes permanentes, prominencia de reluctancia o devanados eléctricos de CC o CA.
Menos comunes, los motores lineales de CA funcionan con principios similares a los motores giratorios, 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 se basa en una pequeña diferencia de velocidad entre el campo magnético giratorio del estator y la velocidad del eje del rotor llamada deslizamiento para inducir corriente del rotor en el devanado de CA del rotor. Como resultado, el motor de inducción no puede producir par cerca de 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 de 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 doble alimentación y rotor bobinado sin escobillas tiene un devanado de rotor excitado independientemente que no depende de los principios de inducción de corriente por deslizamiento. El motor de rotor bobinado y doble alimentación sin escobillas es un motor síncrono que puede funcionar exactamente a la frecuencia de suministro o por debajo de un supermúltiplo de la frecuencia de suministro.
Otros tipos de motores incluyen motores de corrientes parásitas y máquinas con conmutación mecánica de CA y CC en las que la velocidad depende del voltaje y la conexión del devanado.
La tecnología de corriente alterna tuvo sus raíces en el descubrimiento de Michael Faraday y Joseph Henry en 1830-1831 de que un campo magnético cambiante puede inducir una corriente eléctrica en un circuito . A Faraday se le suele dar crédito por este descubrimiento ya que fue el primero en publicar sus hallazgos. [1]
En 1832, el fabricante de instrumentos francés Hippolyte Pixii generó una forma tosca de corriente alterna cuando diseñó y construyó el primer alternador . Consistía en un imán de herradura giratorio 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 a finales del siglo XIX que intentaron desarrollar motores de CA viables. [3] La primera persona en concebir un campo magnético giratorio fue Walter Baily, quien hizo una demostración viable de su motor polifásico operado por baterías y ayudado por un conmutador el 28 de junio de 1879, a la Sociedad de 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 alterna de dos fases para producirlo. [5] Nunca demostrado en la práctica, el diseño era defectuoso, 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 necesaria ]
Los motores de inducción de corriente alterna "sin conmutador" parecen haber sido inventados de forma independiente por Galileo Ferraris y Nikola Tesla . Ferraris demostró 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 haber concebido 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, obtuvo una patente estadounidense para su propio motor. [12] Trabajando a partir de 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 EE. UU. [13] [14] [15] También inventó el primer generador y transformador trifásicos 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 Los 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 síncrona verdadera, 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 unas decenas de RPM más lento que la velocidad síncrona. Debido a que el campo giratorio (o campo pulsante equivalente) gira efectivamente más rápido que el rotor, se podría decir que se desliza más allá de la superficie del rotor. La diferencia entre la velocidad síncrona y la velocidad real se llama deslizamiento , y cargar el motor aumenta la cantidad de deslizamiento a medida que el motor desacelera ligeramente. Incluso sin carga, las pérdidas mecánicas internas impiden que el deslizamiento sea nulo.
La velocidad del motor de CA está determinada principalmente por la frecuencia del suministro 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 síncrona calculada en una cantidad conocida como deslizamiento , que aumenta con el par producido. Sin carga, la velocidad será muy cercana a la síncrona. 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 torsión están clasificados para funcionar con un 100% de deslizamiento (0 RPM/parada total).
El deslizamiento del motor de CA se calcula mediante:
dónde
Como ejemplo, un motor típico de cuatro polos que funciona a 60 Hz podría tener una clasificación nominal de 1725 RPM a plena carga, mientras que su velocidad calculada es de 1800 RPM. La velocidad en este tipo de motor tradicionalmente se ha modificado teniendo conjuntos adicionales de bobinas o polos en el motor que se pueden encender y apagar para cambiar la velocidad de rotación del campo magnético. Sin embargo, los avances en la electrónica de potencia significan que ahora también se puede variar la frecuencia de la fuente de alimentación para proporcionar un control más suave de la velocidad del motor.
Este tipo de rotor es el hardware básico para los reguladores de inducción , lo cual es una excepción al 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 para ardillas se refiere a la jaula de ejercicio giratoria para animales de compañía . El motor toma su nombre de la forma de los "devanados" de su 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, por lo general, 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 generalmente barnizados, de mayor resistencia. En las barras y anillos terminales son típicos voltajes muy bajos con corrientes muy altas; Los motores de alta eficiencia suelen utilizar cobre fundido para reducir la resistencia en el rotor.
En funcionamiento, el motor de jaula de ardilla puede verse como un transformador con un secundario giratorio. Cuando el rotor no gira sincronizado con el campo magnético, se inducen grandes corrientes del rotor; las grandes corrientes del rotor magnetizan el rotor e interactúan con los campos magnéticos del estator para sincronizar casi el rotor con el campo del estator. Un motor de jaula de ardilla descargado a velocidad nominal sin carga consumirá energía eléctrica sólo para mantener la velocidad del rotor contra 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.
Esta es la razón por la que un motor de ventilador de jaula de ardilla puede hacer que las luces del hogar se atenúen al arrancar, pero no atenúa las luces al arrancar cuando se retira la correa del ventilador (y, por lo tanto, la carga mecánica). Además, un motor de jaula de ardilla calado (sobrecargado o con un eje atascado) consumirá corriente limitada únicamente por la resistencia del circuito cuando intenta arrancar. A menos que algo más 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 motor de jaula de ardilla. [ cita necesaria ]
Se utiliza un diseño alternativo, llamado rotor bobinado, cuando se requiere 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 y alta potencia, la energía de frecuencia de deslizamiento se captura, rectifica y 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 del rotor bobinado de doble alimentación muestra el doble de densidad de potencia.
En comparación con los rotores de jaula de ardilla, los motores de rotor bobinado son costosos 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. Ahora se pueden utilizar inversores transistorizados con variador de frecuencia para controlar la 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 corriente de entrada grande y un par de arranque alto, 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 arranque (cuando el motor es grande en comparación con la capacidad de cortocircuito del suministro), el motor se arranca a voltaje reducido utilizando inductores en serie, un autotransformador , tiristores u otros dispositivos. Una técnica que a veces se utiliza es el arranque estrella-triángulo (YΔ), donde las bobinas del motor se conectan inicialmente en configuración de estrella para acelerar la carga y luego se cambian a configuración delta cuando la carga alcanza la velocidad adecuada. 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 eleva intencionalmente para que la curva velocidad-par sea bastante lineal. Los servomotores bifásicos son dispositivos inherentemente de alta velocidad y bajo torque, muy reducidos para impulsar la carga.
Los motores monofásicos no tienen un campo magnético giratorio único como los motores multifásicos. El campo 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 del arranque, el campo alterno del estator está en rotación relativa con el rotor. Se utilizan habitualmente varios métodos:
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 en movimiento. 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 retraso en el flujo que pasa a través de la bobina de sombreado, de modo que la intensidad máxima del campo aumenta a lo largo 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 la carga adjunta. A medida que el rotor aumenta la velocidad, el par aumenta hasta su nivel máximo a medida que el campo magnético principal gira en relación con el rotor giratorio.
Barber-Colman fabricó un motor reversible de polos sombreados hace varias décadas. Tenía una bobina de campo único y dos polos principales, cada uno dividido hasta 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 sólo se necesitaban tres terminales en total.
El motor no arrancaba con los terminales abiertos; conectar el común entre sí hizo que el motor funcionara en una dirección, y conectar el común al otro hizo que funcionara en la otra dirección. Estos motores se utilizaron en dispositivos industriales y científicos.
Se puede encontrar un motor inusual de polos sombreados, de velocidad ajustable y de bajo par en los controladores de semáforos y de iluminación publicitaria. 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 . La cara de cada 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 CA a la bobina creó un campo que progresó en el espacio entre los polos. El plano del núcleo del estator era aproximadamente tangencial a un círculo imaginario del disco, por lo que el campo magnético móvil arrastró el disco y lo hizo girar.
El estator se montó sobre un pivote para poder colocarlo a la velocidad deseada y luego fijarlo en su posición. Colocar los polos más cerca del centro del disco hizo que éste corriera más rápido y hacia el borde, más lento. [ cita necesaria ]
Otro motor de CA monofásico común es el motor de inducción de fase dividida , [18] comúnmente utilizado en electrodomésticos grandes como aires acondicionados y secadoras de ropa . En comparación con los motores de polos sombreados, estos motores proporcionan un par de arranque mucho mayor.
Un motor de fase dividida 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 cambio de fase 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. El sentido de rotación está determinado 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 con capacitor es un motor de inducción de fase dividida con un capacitor de motor de arranque insertado en serie con el devanado de arranque, creando un circuito LC que produce un cambio de fase mayor (y por lo tanto, un par de arranque mucho mayor) que los motores de fase dividida y Motores de polos sombreados. Este motor tiene un interruptor centrífugo que desconecta el condensador una vez que el motor ha arrancado. Este motor proporciona un alto par de arranque. [19] [20] [21] Un motor con arranque por capacitor 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 interruptor de respaldo. Relé EMF 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, creando reactancia. Este motor de arranque añadido proporciona asistencia en el sentido inicial y de arranque de rotación. El devanado de arranque está hecho principalmente de alambre delgado con menos vueltas para hacerlo altamente resistivo y menos inductivo. El devanado principal está fabricado con un cable más grueso y con mayor número de vueltas, lo que lo hace menos resistivo y más inductivo. [23] [24] [25]
Otra variación es el motor con condensador dividido permanente (o PSC) . [26] También conocido como motor de funcionamiento con 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 de 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 capacitancia relativamente baja y un voltaje nominal relativamente alto 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 se activa el devanado de arranque. siempre 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 una amplia gama de velocidades, mucho más bajas que la velocidad eléctrica del motor. Además, para aplicaciones como abrepuertas automáticas que requieren que el motor invierta la rotación con frecuencia, el uso de un mecanismo requiere que el motor deba reducir 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 dos devanados 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 no utilizado. [27]
Si las conexiones a las bobinas del rotor de un motor trifásico se quitan mediante 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 sincrónicamente con el campo magnético giratorio producido por el suministro eléctrico polifásico. Otro sistema de motor síncrono es el sistema de motor síncrono de rotor bobinado y doble alimentación sin escobillas con un conjunto de devanado de CA multifásico de rotor excitado independientemente que puede experimentar inducción de deslizamiento más allá de las velocidades síncronas pero, como todos los motores síncronos, no depende de la inducción de deslizamiento para la producción de torque.
El motor síncrono también se puede utilizar como alternador .
Los motores síncronos contemporáneos suelen ser accionados por variadores de frecuencia de estado sólido . Esto facilita enormemente el problema de arrancar el enorme rotor de un gran motor síncrono. También se pueden arrancar como motores de inducción utilizando un devanado de jaula de ardilla que comparte el rotor común: una vez que el motor alcanza la velocidad sincrónica, no se induce corriente en el devanado de jaula de ardilla, por lo que tiene poco efecto en el funcionamiento sincrónico del motor. además de estabilizar la velocidad del motor ante cambios de carga.
Ocasionalmente se utilizan motores síncronos como motores de tracción ; el TGV puede ser el ejemplo más conocido de tal uso.
Actualmente se instalan en los coches eléctricos un gran número de motores síncronos trifásicos [ cita requerida ] . Tienen un imán permanente de neodimio u otro tipo 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 aprovecha una característica de la máquina que consume energía con un factor de potencia adelantado cuando su rotor está sobreexcitado. Por lo tanto, al suministro le parece un condensador y, por lo tanto, podría usarse para corregir el factor de potencia retrasado que generalmente presentan al suministro eléctrico las cargas inductivas. La excitación se ajusta hasta que se obtiene un factor de potencia cercano a la unidad (a menudo automáticamente). Las máquinas utilizadas para este fin 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 muy alta potencia.
Algunos de los motores de CA más grandes son generadores hidroeléctricos de almacenamiento por bombeo que funcionan como motores síncronos para bombear agua a un depósito a mayor altura para su uso posterior para generar electricidad utilizando la misma maquinaria. En la estación de almacenamiento por bombeo del condado de Bath , en Virginia, EE.UU. , se han instalado seis generadores de 500 megavatios . Al bombear, cada unidad puede producir 642.800 caballos de fuerza (479,3 megavatios). [28] .
Los pequeños motores de CA monofásicos también se pueden diseñar 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 para crear polos salientes y aumentar la reluctancia, arrancará de manera convencional, pero funcionará sincrónicamente, aunque sólo puede proporcionar un torque 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 parada hasta la velocidad síncrona, estos motores normalmente requieren algún tipo de característica especial para arrancar. 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 síncrono) o un rotor muy liviano con un mecanismo unidireccional (para garantizar que el rotor arranque en la dirección "hacia adelante"). En el 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 gira es impredecible. El generador de tonos de órgano Hammond utilizaba un motor síncrono que no arrancaba automáticamente (hasta hace relativamente poco tiempo) y tenía un motor de arranque auxiliar convencional de polo sombreado. Un interruptor de arranque manual auxiliar accionado por resorte conectó energía a este segundo motor durante unos segundos.
Estos motores son relativamente costosos y se utilizan cuando la velocidad exacta (suponiendo una fuente de CA de frecuencia exacta) y la rotación con bajo aleteo (variación de velocidad de alta frecuencia) son esenciales. Las aplicaciones incluían accionamientos de cabrestante para grabadoras (el eje del motor podría ser el cabrestante) y, antes de la llegada del control de cristal, cámaras y grabadoras cinematográficas. Su característica distintiva es su rotor, que es un cilindro liso de una aleación magnética que permanece magnetizado, pero que puede desmagnetizarse con bastante facilidad y remagnetizarse con polos en una nueva ubicación. La histéresis se refiere a cómo el flujo magnético en el metal va por detrás de la fuerza magnetizante externa; por ejemplo, para desmagnetizar dicho material, se podría aplicar un campo magnetizante de polaridad opuesta a la que originalmente magnetizó el material. Estos motores tienen un estator como el de los motores de inducción de jaula de ardilla accionados por condensador. En el arranque, cuando el deslizamiento disminuye lo suficiente, el rotor queda magnetizado por el campo del estator y los polos permanecen en su lugar. Luego, el motor funciona a velocidad síncrona como si el rotor fuera un imán permanente. Cuando se detiene y se reinicia, es probable que los polos se formen en diferentes lugares. Para un diseño determinado, el par a velocidad síncrona es sólo relativamente modesto y el motor puede funcionar a una velocidad inferior a la síncrona. En palabras simples, es un campo magnético retrasado respecto del flujo magnético.
Un motor universal es un diseño que puede funcionar con alimentación de CA o CC. En los motores universales, el estator y el rotor de un motor de CC con escobillas están bobinados y suministrados desde una fuente externa, siendo el par 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 tanto con CA como con CC siempre que la frecuencia no sea tan alta como para 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 su velocidad puede variar en un amplio rango con controles relativamente simples, como reóstatos y helicópteros PWM . En comparación con los motores de inducción, los motores universales tienen algunos inconvenientes 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 dominaron la tracción eléctrica (eléctrica, incluidos los vehículos ferroviarios y de carretera diésel-eléctricos); Muchas redes de energía de tracción todavía utilizan bajas frecuencias especiales, como 16,7 y 25 Hz, para superar los problemas antes mencionados de pérdidas y reactancia. Los motores de tracción universal, que aún se utilizan ampliamente, han sido desplazados cada vez más por motores polifásicos de inducción de CA y de imanes permanentes 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 en lugar de conectarse en serie con el campo, como se hace con los motores universales. Por 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 arranque por inducción y arranque por repulsión (RS-IR) se ha utilizado con mayor 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 esté cerca de la velocidad máxima. Algunos de estos motores también levantan las escobillas para dejarlas en 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, a partir de 2005, se venden pocos motores de repulsión.
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 el enfriamiento.
Un motor de 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 está energizado, su campo magnético genera una componente tanto axial como radial. El componente axial vence la fuerza del resorte, liberando el freno; mientras que el componente radial hace que el rotor gire. No se requiere 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 ciclo alto en aplicaciones desde que se inventó, diseñó e introdujo el motor hace más de 50 años. Este tipo de configuración de motor se introdujo por primera vez en Estados Unidos en 1963.
Los motores de una o dos velocidades están diseñados para acoplarse a cajas de cambios con sistema de motorreductor . Los motores de freno de rotor cónico también se utilizan para alimentar unidades de microvelocidad.
Los motores de este tipo también se pueden encontrar en puentes grúa y polipastos . La unidad de microvelocidad combina dos motores y un reductor de engranajes intermedio. Se utilizan para aplicaciones donde 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 variedad de relaciones y se pueden combinar motores de diferentes velocidades para producir relaciones altas entre velocidades altas y bajas.
Los motores con conmutación electrónica (EC) son motores eléctricos impulsados por electricidad de corriente continua (CC) y que tienen sistemas de conmutación electrónicos, en lugar de conmutadores y escobillas mecánicos . Las relaciones corriente-par y frecuencia-velocidad de los motores BLDC son lineales. Si bien las bobinas del motor funcionan con CC, la energía se puede rectificar desde CA dentro de la carcasa.
Estos son motores de inducción de dos fases con imanes permanentes para retardar el rotor de modo que su velocidad sea exactamente proporcional a la potencia que pasa a través del 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 vatios -hora de fase dividida tiene un estator con tres bobinas frente al 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 el suministro; sus muchas vueltas tienen una alta relación inductancia/resistencia (Q), por lo que su corriente y su campo magnético son la integral de tiempo 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 del tiempo del campo magnético, adelantándolo 90 grados. Esto pone las corrientes parásitas en fase con el voltaje aplicado a la bobina de voltaje, así como 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 enrollada con unas pocas vueltas de alambre de gran calibre cuya reactancia inductiva es pequeña en comparación con la impedancia de carga. Estas bobinas conectan el suministro a la carga, produciendo 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 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 produciendo una fuerza de Lorentz sobre el disco mutuamente perpendicular a ambos. Suponiendo que la potencia 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 (según la regla de la mano derecha ) un par que impulsa la parte delantera del disco hacia la carga. bien. De manera similar, el flujo cruza el disco hacia la bobina de corriente derecha, donde la corriente parásita fluye radialmente alejándose del centro del disco, produciendo nuevamente un par que impulsa la parte delantera del disco hacia la derecha. Cuando la polaridad de CA se invierte, las corrientes parásitas en el disco y la dirección del flujo magnético de las bobinas de corriente cambian, dejando la dirección del par sin cambios.
Por lo tanto, el par es proporcional al voltaje de línea instantáneo 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 entregada a la carga. (Si la carga suministra energía a la red, el disco gira hacia atrás a menos que 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 "calientes" (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 línea a -carga de línea como el doble que la carga de línea a neutro.
Se utilizan otras variaciones del mismo diseño para energía polifásica (por ejemplo, trifásica ).
Son representativos los motores síncronos de bajo par 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 queden 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 repetitiva de cuatro polos, alternados sin sombreado con sombreados, que crea un campo viajero 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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