Un motor de corriente continua (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 una parte del motor.
Los motores de corriente continua (CC) fueron el primer tipo de motor que se utilizó ampliamente, ya que podían alimentarse a partir de los 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 motores de CC pequeños se utilizan en herramientas, juguetes y electrodomésticos. El motor universal , un motor ligero con escobillas que se utiliza para herramientas eléctricas portátiles y electrodomésticos, puede funcionar con corriente continua y corriente alterna. Los motores de CC más grandes se utilizan actualmente en la propulsión de vehículos eléctricos, ascensores y montacargas, y en los accionamientos de los laminadores de acero. La llegada de la electrónica de potencia ha hecho posible la sustitución de los 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 la magnitud del campo magnético producido por la bobina pueden modificarse con la dirección y la magnitud de la corriente que fluye a través de ella.
Un motor de corriente continua simple tiene un conjunto estacionario de imanes en el estator y una armadura con uno o más devanados de alambre aislado envueltos alrededor de un núcleo de hierro dulce que concentra el campo magnético. Los devanados suelen tener múltiples vueltas alrededor del núcleo y, en los motores grandes, puede haber varias rutas de corriente paralelas. Los extremos del devanado de alambre están conectados a un conmutador . El conmutador permite que cada bobina de la armadura se energice a su vez y conecta las bobinas giratorias con la fuente de alimentación externa a través de escobillas. (Los motores de corriente continua sin escobillas tienen componentes electrónicos que encienden y apagan la corriente continua 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 rodea determinan la intensidad del campo electromagnético creado.
La secuencia de encendido y apagado de una bobina en particular determina la dirección en la que 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.
La cantidad diferente de campos de estator y de 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 modificando el voltaje aplicado al inducido. La resistencia variable en el circuito del inducido o en el circuito de campo permite controlar la velocidad. Los motores de CC modernos suelen estar controlados por sistemas de electrónica de potencia que ajustan el voltaje "cortando" la corriente de CC en ciclos de encendido y apagado que tienen un voltaje efectivo más bajo.
Dado que el motor de CC devanado en serie desarrolla su par máximo a baja velocidad, se utiliza a menudo en aplicaciones de tracción, como locomotoras eléctricas y tranvías . El motor de CC fue el pilar de los accionamientos de tracción eléctrica tanto en locomotoras eléctricas como diésel-eléctricas , tranvías y plataformas de perforación diésel-eléctricas durante muchos años. 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, así como para 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 grandes motores de CC con campos excitados por separado se usaban generalmente con accionamientos de bobinadoras para polipastos de minas , para un par alto y un control de velocidad suave mediante accionamientos de tiristores. Estos ahora se reemplazan con grandes motores de CA con variadores de frecuencia.
Si se aplica energía mecánica externa a un motor de CC, este actúa como un generador de CC, un dinamo . Esta característica se utiliza para reducir la velocidad y recargar las baterías de los automóviles híbridos y eléctricos o para devolver la electricidad a la red eléctrica utilizada en un tranvía o una línea de tren eléctrica cuando reducen la velocidad. Este proceso se denomina frenado regenerativo en los automóviles híbridos y eléctricos. En las locomotoras diésel-eléctricas, también se utilizan sus motores de CC como generadores para reducir la velocidad, pero disipar la energía en pilas de resistencias. Los diseños más nuevos están añadiendo grandes paquetes de baterías 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 conmutación interna, imanes estacionarios ( permanentes o electroimanes ) y electroimanes giratorios.
Las ventajas de un motor de corriente continua 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 vida útil reducida para usos de alta intensidad. El mantenimiento implica reemplazar regularmente las escobillas de carbón y los resortes que transportan la corriente eléctrica, así como limpiar o reemplazar el conmutador . Estos componentes son necesarios para transferir energía eléctrica desde el exterior del motor a los devanados de alambre giratorio del rotor dentro del motor.
Las escobillas suelen estar hechas de grafito o carbono, a veces con cobre disperso añadido para mejorar la conductividad. Con el uso, el material blando de la escobilla 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 flotante en la escobilla y se conectará a los terminales del motor. Las escobillas muy pequeñas pueden depender del contacto deslizante con un portaescobillas de metal para llevar corriente a la escobilla, o pueden depender de un resorte de contacto que presione el extremo de la escobilla. Las escobillas en 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 entra en contacto con el conmutador.
Los motores de corriente continua 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 la corriente continua en corriente alterna . 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 a través de 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 algún 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. Se pueden utilizar devanados de compensación en serie con la armadura en motores grandes para mejorar la conmutación bajo carga. Debido a que este campo es fijo, 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 la cantidad necesaria de flujo. 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 u otros elementos estratégicos; la mayoría de ellos 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 con 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.
Hay tres tipos de conexiones eléctricas posibles entre el estator y el rotor para los motores eléctricos de CC: serie, derivación/paralelo y compuesto (varias combinaciones de serie y derivación/paralelo) y cada uno tiene características de velocidad/par únicas apropiadas para diferentes perfiles/firmas de par de carga. [1]
Un motor de CC en serie conecta los devanados de inducido y 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 requerida ] . Un motor en serie tiene un par de arranque muy alto y se utiliza comúnmente para arrancar cargas de alta inercia, como trenes, ascensores o montacargas. [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 electromotriz contraria producida por el devanado de campo es débil y, por lo tanto, el inducido debe girar más rápido para producir suficiente fuerza electromotriz contraria para equilibrar la tensión de alimentación. El motor puede resultar dañado por exceso de velocidad. Esto se denomina condición de embalamiento.
Los motores en serie llamados motores universales se pueden utilizar con corriente alterna . Dado que el voltaje de la armadura y la dirección del campo se invierten al mismo tiempo, el par continúa produciéndose en la misma dirección. Sin embargo, funcionan a una velocidad menor con un par menor en el suministro de CA en comparación con 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 línea, los motores universales pueden desarrollar velocidades más altas que las síncronas, lo que los hace más livianos que los motores de inducción de la misma salida mecánica nominal. Esta es una característica valiosa para las herramientas eléctricas portátiles. Los motores universales para servicios comerciales suelen ser de pequeña capacidad, no más de aproximadamente 1 kW de salida. Sin embargo, se utilizaron motores universales mucho más grandes para locomotoras eléctricas, alimentadas por redes de energía de tracción especiales de baja frecuencia para evitar problemas con la conmutación bajo cargas pesadas y variables.
Un motor de CC en derivación conecta los devanados de inducido y 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/desbobinado y tensores.
Un motor de CC compuesto conecta los devanados de inducido y de campo en una combinación en serie y en derivación para darle características tanto de un motor de CC en serie como de un motor en derivación. [5] Este motor se utiliza cuando se necesita un par de arranque alto y una buena regulación de la 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, lo que proporciona un par de arranque más alto pero una menor regulación de la velocidad. Los motores de CC compuestos diferenciales tienen una buena regulación de la velocidad y normalmente funcionan a velocidad constante.
