Un motor de CC es un motor eléctrico que utiliza corriente continua (CC) para producir fuerza mecánica. Los tipos más comunes se basan en fuerzas magnéticas producidas por corrientes en las bobinas. Casi todos los tipos de motores de CC tienen algún mecanismo interno, ya sea electromecánico o electrónico, para cambiar periódicamente la dirección de la corriente en parte del motor.
Los motores de CC fueron la primera forma de motores ampliamente utilizados, ya que podían funcionar con sistemas de distribución de energía de iluminación de corriente continua existentes. La velocidad de un motor de CC se puede controlar en un amplio rango, utilizando un voltaje de suministro variable o cambiando la intensidad de la corriente en sus devanados de campo. Los pequeños motores de CC se utilizan en herramientas, juguetes y electrodomésticos. El motor universal , un motor ligero con escobillas utilizado para herramientas y aparatos eléctricos portátiles, puede funcionar con corriente continua y corriente alterna. Actualmente se utilizan motores de corriente continua de mayor tamaño en la propulsión de vehículos eléctricos, ascensores y montacargas, y en accionamientos para laminadores de acero. La llegada de la electrónica de potencia ha hecho posible la sustitución de motores de CC por motores de CA en muchas aplicaciones.
Una bobina de alambre por la que circula una corriente genera un campo electromagnético alineado con el centro de la bobina. La dirección y magnitud del campo magnético producido por la bobina se pueden cambiar con la dirección y magnitud de la corriente que fluye a través de ella.
Un motor de CC simple tiene un conjunto estacionario de imanes en el estator y una armadura con uno o más devanados de cable aislado enrollados alrededor de un núcleo de hierro dulce que concentra el campo magnético. Los devanados suelen tener múltiples vueltas alrededor del núcleo y, en motores grandes, puede haber varios caminos de corriente paralelos. Los extremos del devanado del cable están conectados a un conmutador . El conmutador permite energizar a su vez cada bobina del inducido y conecta las bobinas giratorias con la fuente de alimentación externa a través de escobillas. (Los motores de CC sin escobillas tienen componentes electrónicos que encienden y apagan la corriente CC de cada bobina y no tienen escobillas).
La cantidad total de corriente enviada a la bobina, el tamaño de la bobina y lo que la envuelve deciden la fuerza del campo electromagnético creado.
La secuencia de encendido o apagado de una bobina particular dicta en qué dirección apuntan los campos electromagnéticos efectivos. Al encender y apagar las bobinas en secuencia, se puede crear un campo magnético giratorio. Estos campos magnéticos giratorios interactúan con los campos magnéticos de los imanes (permanentes o electroimanes ) en la parte estacionaria del motor (estator) para crear un par en la armadura que hace que gire. En algunos diseños de motores de CC, los campos del estator utilizan electroimanes para crear sus campos magnéticos, lo que permite un mayor control sobre el motor.
A niveles de potencia elevados, los motores de CC casi siempre se enfrían mediante aire forzado.
El diferente número de campos del estator y del inducido, así como la forma en que están conectados, proporcionan diferentes características inherentes de regulación de velocidad y par. La velocidad de un motor de CC se puede controlar cambiando el voltaje aplicado a la armadura. La resistencia variable en el circuito de armadura o circuito de campo permite el control de velocidad. Los motores de CC modernos suelen estar controlados por sistemas electrónicos de potencia que ajustan el voltaje "cortando" la corriente CC en ciclos de encendido y apagado que tienen un voltaje efectivo más bajo.
Dado que el motor de CC bobinado en serie desarrolla su par más alto a baja velocidad, a menudo se utiliza en aplicaciones de tracción como locomotoras eléctricas y tranvías . El motor de CC fue durante muchos años el pilar de los accionamientos de tracción eléctricos en locomotoras eléctricas y diésel-eléctricas , tranvías y plataformas de perforación diésel-eléctricas. La introducción de motores de CC y un sistema de red eléctrica para hacer funcionar la maquinaria a partir de la década de 1870 inició una nueva segunda Revolución Industrial . Los motores de CC pueden funcionar directamente con baterías recargables, proporcionando la fuerza motriz para los primeros vehículos eléctricos y los automóviles híbridos y eléctricos actuales, además de impulsar una gran cantidad de herramientas inalámbricas . Hoy en día, los motores de CC todavía se encuentran en aplicaciones tan pequeñas como juguetes y unidades de disco, o en tamaños grandes para operar laminadores de acero y máquinas de papel. Los motores de CC grandes con campos excitados por separado se usaban generalmente con accionamientos de bobinado para polipastos de minas , para lograr un par alto y un control de velocidad suave mediante accionamientos de tiristores. Estos ahora se reemplazan por grandes motores de CA con variadores de frecuencia.
Si se aplica energía mecánica externa a un motor de CC, actúa como un generador de CC, una dinamo . Esta función se utiliza para reducir la velocidad y recargar baterías en automóviles híbridos y eléctricos o para devolver la electricidad a la red eléctrica utilizada en un tranvía o línea de tren eléctrico cuando reducen la velocidad. Este proceso se llama frenado regenerativo en los coches híbridos y eléctricos. En las locomotoras eléctricas diésel también utilizan sus motores de CC como generadores para reducir la velocidad pero disipar la energía en las pilas de resistencias. Los diseños más nuevos están agregando paquetes de baterías grandes para recuperar parte de esta energía.
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El motor eléctrico de CC con escobillas genera par directamente a partir de la energía de CC suministrada al motor mediante el uso de conmutación interna, imanes estacionarios ( permanentes o electroimanes ) y electroimanes giratorios.
Las ventajas de un motor de CC con escobillas incluyen un bajo costo inicial, alta confiabilidad y un control simple de la velocidad del motor. Las desventajas son el alto mantenimiento y la baja vida útil para usos de alta intensidad. El mantenimiento implica sustituir periódicamente las escobillas de carbón y los resortes que transportan la corriente eléctrica, así como limpiar o sustituir el conmutador . Estos componentes son necesarios para transferir energía eléctrica desde el exterior del motor a los devanados del alambre giratorio del rotor dentro del motor.
Las escobillas suelen estar hechas de grafito o carbón, a veces con cobre disperso agregado para mejorar la conductividad. Durante el uso, el material suave del cepillo se desgasta para adaptarse al diámetro del conmutador y continúa desgastándose. Un portaescobillas tiene un resorte para mantener la presión sobre la escobilla a medida que se acorta. Para las escobillas destinadas a transportar más de uno o dos amperios, se moldeará un cable volante en la escobilla y se conectará a los terminales del motor. Las escobillas muy pequeñas pueden depender de un contacto deslizante con un portaescobillas de metal para llevar corriente a la escobilla, o pueden depender de un resorte de contacto que presiona el extremo de la escobilla. Las escobillas de motores muy pequeños y de corta duración, como los que se utilizan en los juguetes, pueden estar hechas de una tira de metal doblada que hace contacto con el conmutador.
Los motores de CC sin escobillas típicos utilizan uno o más imanes permanentes en el rotor y electroimanes en la carcasa del motor para el estator. Un controlador de motor convierte CC en CA. Este diseño es mecánicamente más simple que el de los motores con escobillas porque elimina la complicación de transferir energía desde el exterior del motor al rotor giratorio. El controlador del motor puede detectar la posición del rotor mediante sensores de efecto Hall o dispositivos similares y puede controlar con precisión la sincronización, la fase, etc., de la corriente en las bobinas del rotor para optimizar el par, conservar energía, regular la velocidad e incluso aplicar algo de frenado. Las ventajas de los motores sin escobillas incluyen una larga vida útil, poco o ningún mantenimiento y alta eficiencia. Las desventajas incluyen un alto costo inicial y controladores de velocidad del motor más complicados. Algunos de estos motores sin escobillas a veces se denominan "motores síncronos", aunque no tienen una fuente de alimentación externa con la que sincronizarse, como sería el caso de los motores síncronos de CA normales.
Otros tipos de motores de CC no requieren conmutación.
Un motor de imán permanente (PM) no tiene un devanado de campo en el marco del estator, sino que depende de los PM para proporcionar el campo magnético contra el cual interactúa el campo del rotor para producir par. En motores grandes se pueden utilizar devanados de compensación en serie con la armadura para mejorar la conmutación bajo carga. Debido a que este campo es fijo, no se puede ajustar para el control de velocidad. Los campos 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 alto flujo si se desarmaban; Los devanados de campo eran más prácticos para obtener la cantidad necesaria de flujo. Sin embargo, los grandes PM son costosos, además de peligrosos y difíciles de montar; esto favorece los campos bobinados para máquinas grandes.
Para minimizar el peso y el tamaño total, los motores PM en miniatura pueden utilizar imanes de alta energía fabricados con neodimio u otros elementos estratégicos; la mayoría de ellos son aleaciones de neodimio, hierro y boro. Con su mayor densidad de flujo, las máquinas eléctricas con PM de alta energía son al menos competitivas con todas las máquinas eléctricas de inducción y síncronas de alimentación única 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 asegurar el arranque, independientemente de la posición del rotor) y su carcasa exterior es un tubo de acero que une magnéticamente el exterior de los imanes de campo curvo.
Hay tres tipos de conexiones eléctricas posibles entre el estator y el rotor para los motores eléctricos de CC: en serie, en derivación/paralelo y compuestas (varias combinaciones de serie y en derivación/paralelo) y cada una tiene características únicas de velocidad/par apropiadas para diferentes perfiles de par de carga/ firmas. [1]
Un motor de CC en serie conecta la armadura y los devanados de campo en serie con una fuente de alimentación de CC común . La velocidad del motor varía como una función no lineal del par de carga y la corriente del inducido; la corriente es común tanto para el estator como para el rotor, lo que produce un comportamiento de corriente al cuadrado (I ^ 2) [ cita necesaria ] . Un motor en serie tiene un par de arranque muy alto y se usa comúnmente para arrancar cargas de alta inercia, como trenes, ascensores o polipastos. [2] Esta característica de velocidad/par es útil en aplicaciones como excavadoras de dragalina , donde la herramienta de excavación se mueve rápidamente cuando está descargada pero lentamente cuando transporta una carga pesada.
Un motor en serie nunca debe arrancarse sin carga. Sin carga mecánica en el motor en serie, la corriente es baja, la fuerza contraelectromotriz producida por el devanado de campo es débil y, por lo tanto, la armadura debe girar más rápido para producir suficiente contra-EMF para equilibrar el voltaje de suministro. El motor puede dañarse por exceso de velocidad. Esto se llama condición descontrolada.
Los motores en serie llamados motores universales se pueden utilizar con corriente alterna . Dado que el voltaje del inducido y la dirección del campo se invierten al mismo tiempo, el par continúa produciéndose en la misma dirección. Sin embargo, funcionan a una velocidad más baja con un par más bajo en el suministro de CA en comparación con el suministro de CC debido a la caída de voltaje de reactancia en CA que no está presente en CC. [3] Dado que la velocidad no está relacionada con la frecuencia de la línea, los motores universales pueden desarrollar velocidades superiores a las sincrónicas, lo que los hace más livianos que los motores de inducción con la misma potencia mecánica nominal. Esta es una característica valiosa para las herramientas eléctricas portátiles. Los motores universales para uso comercial suelen ser de pequeña capacidad, no más de aproximadamente 1 kW de potencia. Sin embargo, para las locomotoras eléctricas se utilizaron motores universales mucho más grandes, alimentados por redes especiales de tracción de baja frecuencia para evitar problemas de conmutación bajo cargas pesadas y variables.
Un motor de CC en derivación conecta la armadura y los devanados de campo en paralelo o en derivación con una fuente de alimentación de CC común. Este tipo de motor tiene una buena regulación de velocidad incluso cuando varía la carga, pero no tiene el par de arranque de un motor de CC en serie. [4] Se utiliza normalmente para aplicaciones industriales de velocidad ajustable, como máquinas herramienta, máquinas de bobinado/desenrollado y tensores.
Un motor de CC compuesto conecta la armadura y los devanados de campo en una combinación en derivación y en serie para darle características tanto de un motor de CC en derivación como de un motor de CC en serie. [5] Este motor se utiliza cuando se necesita un alto par de arranque y una buena regulación de velocidad. El motor se puede conectar en dos disposiciones: acumulativa o diferencial. Los motores compuestos acumulativos conectan el campo en serie para ayudar al campo en derivación, que proporciona un par de arranque más alto pero menos regulación de velocidad. Los motores de CC de compuesto diferencial tienen una buena regulación de velocidad y normalmente funcionan a velocidad constante.
