Un motor eléctrico es una máquina eléctrica que convierte la 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 al 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 pueden clasificarse según consideraciones como el tipo de fuente de energía, la construcción, la aplicación y el tipo de salida de movimiento. Pueden ser con 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 industriales, sopladores y bombas, máquinas herramienta, electrodomésticos, herramientas eléctricas, vehículos y unidades de disco. Se pueden encontrar motores pequeños en relojes eléctricos. En determinadas aplicaciones, como en el frenado regenerativo con motores de tracción , los motores eléctricos se pueden utilizar a la inversa 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 giratoria ( 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 sólo en una distancia limitada.
Antes de los motores electromagnéticos modernos, se investigaron motores experimentales que funcionaban mediante fuerza electrostática. Los primeros motores eléctricos fueron dispositivos electrostáticos simples descritos en experimentos realizados 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 descubierta, pero no publicada, 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 batería 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. André-Marie Ampère sólo tardó unas semanas en desarrollar la primera formulación de la interacción electromagnética y presentar 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 giratorio la realizó Michael Faraday el 3 de septiembre de 1821 en el sótano de la Royal Institution . [7] Se sumergió un alambre que colgaba libremente en un charco de mercurio, sobre el cual se colocó un imán permanente (PM) . Cuando pasaba una corriente a través del cable, éste giraba alrededor del imán, lo que demuestra que la corriente generaba un campo magnético circular cerrado alrededor del cable. [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 el mercurio (tóxico) por salmuera. La rueda de Barlow fue uno de los primeros refinamientos de esta demostración de Faraday, aunque estos y otros motores homopolares similares siguieron siendo inadecuados para aplicaciones prácticas hasta finales de siglo.
En 1827, el físico húngaro Ányos Jedlik empezó a experimentar con bobinas electromagnéticas . Después de que Jedlik resolvió los problemas técnicos de la rotación continua con la invención del conmutador , llamó a sus primeros dispositivos "autorotores electromagnéticos". Aunque se utilizaban sólo para la enseñanza, en 1828 Jedlik demostró el primer dispositivo que contenía los tres componentes principales de los motores de CC prácticos : el estator , el rotor y el conmutador. El dispositivo no empleaba imanes permanentes, ya que los campos magnéticos tanto de los componentes estacionarios como de los giratorios eran producidos 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 CC capaz de hacer girar maquinaria fue inventado por el científico inglés William Sturgeon en 1832. [17] Siguiendo el trabajo de Sturgeon, el inventor estadounidense 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 accionaban 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 Davenport a la quiebra. Varios inventores siguieron a Sturgeon en el desarrollo de motores de CC, pero todos encontraron los mismos problemas con el costo de la batería. Comoen ese momento no se disponía de ningún sistema de distribución de electricidad , no surgió ningún mercado comercial práctico para estos motores. [20]
Después de muchos otros intentos más o menos exitosos con aparatos giratorios y alternativos relativamente débiles, el prusiano/ruso Moritz von Jacobi creó el primer motor eléctrico giratorio real en mayo de 1834. Desarrolló una notable potencia de salida mecánica. 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 barco 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.
En 1827-1828, Jedlik construyó un dispositivo utilizando principios similares a los utilizados en sus auto-rotores electromagnéticos que era capaz de realizar un trabajo útil. [22] [23] [24] [25] [26] [27] [10] [16] Construyó un modelo de vehículo eléctrico ese mismo año. [28]
Un importante punto de inflexión se produjo en 1864, cuando Antonio Pacinotti describió por primera vez la armadura anular (aunque inicialmente concebida en un generador de corriente continua, es decir, una dinamo). [6] Este presentaba bobinas agrupadas simétricamente cerradas sobre sí mismas y conectadas a las barras de un conmutador, cuyas escobillas entregaban corriente prácticamente sin fluctuaciones. [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 motivo de la Exposición Universal de Viena de 1873, cuando conectaron dos dispositivos de CC de este tipo a una distancia de hasta 2 km entre sí, utilizando 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] Siemens & Halske introdujo el rotor laminado al año siguiente, logrando reducir las pérdidas de hierro y aumentar los voltajes inducidos. En 1880, Jonas Wenström dotó al rotor de ranuras para alojar el devanado, aumentando aún más la eficiencia.
En 1886, Frank Julian Sprague inventó el primer motor de CC práctico, un dispositivo antichispas que mantenía una velocidad relativamente constante bajo cargas variables. Otros inventos eléctricos de Sprague en esta época mejoraron enormemente la distribución eléctrica de la red (trabajo anterior realizado mientras era empleado de Thomas Edison ), permitieron que la energía de los motores eléctricos regresara a la red eléctrica, proporcionaron la distribución eléctrica a los carros a través de cables aéreos y el poste del carro. y proporcionó sistemas de control para operaciones eléctricas. Esto permitió a Sprague utilizar motores eléctricos para inventar el primer sistema de tranvía eléctrico en 1887-1888 en Richmond, Virginia , el ascensor eléctrico y el sistema de control en 1892, y el metro eléctrico con vagones controlados centralmente y con propulsión independiente. Estos últimos fueron instalados por primera vez en 1892 en Chicago por el Ferrocarril Elevado del Sur , donde pasó a ser conocido popularmente como el " L ". El motor de Sprague y sus inventos relacionados provocaron 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 entrehierro 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 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 lineales, correas, aire comprimido o presión hidráulica. En cambio, cada máquina podría equiparse con su propia fuente de energía, lo que proporcionaría un control sencillo en el punto de uso y mejoraría la eficiencia de la transmisión de energía. Los motores eléctricos aplicados en la agricultura eliminaron la fuerza muscular humana y animal de tareas como manipular granos o bombear agua. Los usos domésticos (como lavadoras, lavavajillas, ventiladores, aires acondicionados y refrigeradores (que reemplazan las cajas de hielo ) de los motores eléctricos redujeron el trabajo pesado en el hogar e hicieron posibles estándares más altos de conveniencia, confort y seguridad. Hoy en día, los motores eléctricos consumen más de la mitad. de la energía eléctrica producida en EE.UU. [35]
En 1824, el físico francés François Arago formuló la existencia de campos magnéticos giratorios , denominados rotaciones de Arago , que, al encender y apagar manualmente interruptores, Walter Baily demostró en 1879 como, de hecho, el primer motor de inducción primitivo . [36] [37] [38] [39] En la década de 1880, muchos inventores intentaban 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 produciendo configuraciones más avanzadas en 1886. [41] En 1888, la Real Academia de Ciencias de Turín publicó la investigación de Ferraris que detalla el fundamentos del funcionamiento del motor, aunque concluyó en ese momento que "el aparato basado en ese principio no podría tener ninguna importancia comercial como motor". [39] [42] [43]
Nikola Tesla imaginó un posible desarrollo industrial , quien inventó de forma independiente su motor de inducción en 1887 y obtuvo una patente en mayo de 1888. En el mismo año, Tesla presentó su artículo Un nuevo sistema de motores y transformadores de corriente alterna a la AIEE que describía tres patentes. tipos de motores bifásicos de cuatro polos del estator: uno con un rotor de cuatro polos que forma un motor de reluctancia no de arranque automático, otro con un rotor devanado que forma un motor de inducción de arranque automático , y el tercero un motor síncrono verdadero con motores separados Suministro de CC excitado al devanado del rotor. Sin embargo, una de las patentes que Tesla presentó en 1887 también describía un motor de inducción con rotor de bobinado en cortocircuito. George Westinghouse , que ya había adquirido derechos de Ferraris (1.000 dólares), compró rápidamente las patentes de Tesla (60.000 dólares más 2,50 dólares por CV vendido, pagado hasta 1897), [41] empleó a Tesla para desarrollar sus motores y asignó a CF Scott para que le ayudara. 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 tranvías, [40] pero los ingenieros de Westinghouse lo adaptaron con éxito para alimentar un 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 de Westinghouse eran motores bifásicos. con rotores bobinados. Posteriormente , BG Lamme desarrolló 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 de rotor de jaula y rotor bobinado con 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, concretamente una jaula de ardilla de 20 CV y un rotor bobinado de 100 CV con reóstato de arranque. Estos fueron los primeros motores asíncronos trifásicos aptos 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 CV que alimentaba una cascada artificial, representando la transferencia del original. fuente de alimentación. [41] La inducción trifásica se utiliza actualmente 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 de dos fases, 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 del rotor de bobinado de barras, más tarde llamado rotor de jaula de ardilla . [44] Las mejoras en los motores de inducción que surgieron de estos inventos 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 serán de 800 millones de unidades, un aumento del 10% anual. Los motores eléctricos consumen ≈50% de la electricidad mundial. [54] Desde la década de 1980, la cuota de mercado de los motores de CC ha disminuido en favor de los motores de CA. [55] : 89 [ se necesita aclaración ]
Un motor eléctrico tiene dos partes mecánicas: el rotor, que se mueve, y el estator, que no. 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. Pueden ser electroimanes o imanes permanentes . El campo magnético suele estar en el estator y la armadura en el rotor, pero estos pueden estar al revés.
El rotor es la parte móvil que entrega la potencia mecánica. El rotor normalmente contiene conductores que transportan corrientes, sobre los cuales el campo magnético del estator ejerce fuerza para hacer girar el eje. Algunos rotores llevan imanes permanentes. Los imanes permanentes ofrecen alta eficiencia en un amplio rango de potencia y velocidad de funcionamiento. [57]
El estator rodea el rotor y normalmente contiene imanes de campo, que son electroimanes (devanados 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, ejerciendo fuerza sobre los devanados del rotor. El núcleo del estator está formado por muchas láminas metálicas delgadas 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 parásitas circulantes inducidas que fluirían si se utilizara un núcleo sólido. Los motores de CA alimentados por red normalmente 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 provocaría fallas prematuras. Los motores llenos 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 le permite girar. El ancho del espacio tiene un efecto significativo en las características eléctricas del motor. Generalmente se hace lo más pequeño posible, ya que una brecha grande debilita el rendimiento. Por el contrario, los espacios demasiado pequeños pueden generar fricción además de ruido.
La armadura consta de devanados de alambre sobre un núcleo ferromagnético . La corriente eléctrica que pasa a través del cable hace que el campo magnético ejerza una fuerza ( fuerza de Lorentz ) sobre él, haciendo girar el rotor. Los devanados son cables enrollados , envueltos alrededor de un núcleo ferromagnético de hierro blando y laminado para formar polos magnéticos cuando se energizan con corriente.
Las máquinas eléctricas vienen 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 debajo de la cara del polo, que se convierte en polo norte o sur cuando la corriente fluye a través del cable. En un motor de polos no salientes (campo distribuido o de 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 polo sombreado tiene un devanado alrededor de parte del polo que retrasa la fase del campo magnético para ese polo.
Un conmutador es un interruptor eléctrico giratorio que suministra corriente al rotor. Periódicamente invierte el flujo de corriente en los devanados del rotor a medida que gira el eje. Consiste en un cilindro compuesto por múltiples segmentos metálicos de contacto en la armadura . Dos o más contactos eléctricos llamados " escobillas ", hechos de un material conductor blando como el carbón, presionan contra el conmutador. Las escobillas hacen contacto deslizante con segmentos sucesivos del conmutador a medida que gira el rotador, 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 imanes permanentes y motores de inducción .
El eje del motor se extiende fuera del motor, donde satisface la carga. Debido a que las fuerzas de la carga se ejercen más allá del apoyo más externo, se dice que la carga está en voladizo. [61]
El rotor está sostenido por cojinetes , que permiten que el rotor gire sobre su eje transfiriendo la fuerza de cargas axiales y radiales desde el eje a la carcasa del motor. [61]
Un motor de CC generalmente se alimenta a través de un conmutador de anillo partido como se describe anteriormente.
La conmutación de los motores de CA se puede lograr utilizando un conmutador de anillo colector o una conmutación externa. Puede ser del tipo de control de velocidad fija o variable, y puede ser síncrono o asíncrono. 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 de ancho de pulso (PWM).
Los motores de CA que funcionan a una velocidad fija generalmente se alimentan directamente de la red o mediante arrancadores suaves de motor .
Los motores de CA que funcionan a velocidades variables se alimentan con diversas tecnologías de inversor de potencia , variador de frecuencia o conmutador electrónico.
El término conmutador electrónico generalmente se asocia 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 tanto, a un par sobre el eje del motor. Uno o ambos de estos campos cambian a medida que gira el rotor. Esto se hace encendiendo y apagando los postes en el momento adecuado o variando la fuerza del poste.
Los motores funcionan con corriente CC o CA (o cualquiera de ambas). [62]
Los motores de CA pueden ser asíncronos o síncronos. [63] Los motores síncronos requieren que el rotor gire a la misma velocidad que el campo giratorio del estator. Los rotores asíncronos relajan esta restricción.
Un motor de fracción de caballo de fuerza tiene una potencia nominal inferior a aproximadamente 1 caballo de fuerza (0,746 kW) o se fabrica con un tamaño de bastidor más pequeño que el de 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 CA.
2. La rotación es igual a la velocidad síncrona (velocidad del campo del motor-estator).
3. En SCIM, la rotación de operación de velocidad fija es igual a la velocidad sincrónica, menos velocidad de deslizamiento.
4. En los sistemas de recuperación de energía antideslizantes , el WRIM se usa generalmente para arrancar el motor, pero se puede usar para variar la velocidad de la carga.
5. Operación de velocidad variable.
6. Mientras que los motores de inducción y síncronos suelen tener una salida de forma de onda sinusoidal o de seis pasos, los motores BLDC suelen tener una forma de onda de corriente trapezoidal; Sin embargo, el comportamiento de las máquinas PM sinusoidales y trapezoidales es idéntico en 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 devanado está conectado externamente a través de anillos colectores.
9. Mayoritariamente monofásicos y algunos trifásicos.
Abreviaturas:
La mayoría de los motores de CC son del tipo pequeño de imanes permanentes (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 CC conmutado 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 CC con escobillas tiene CA fluyendo 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, magnéticamente "blando" . La corriente de las escobillas fluye a través del conmutador y un devanado de la armadura, convirtiéndolo en un imán temporal (un electroimán ). El campo magnético producido interactúa con un campo magnético estacionario producido por PM u otro devanado (una bobina de campo), como parte de la estructura 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 siga girando mientras se aplique energía.
Muchas de las limitaciones del motor CC con conmutador clásico se deben a la necesidad de que las escobillas mantengan el contacto con el conmutador, creando 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 tanto, entre los extremos de las bobinas. Además, la inductancia de las bobinas del rotor hace que el voltaje en cada una de ellas aumente cuando se abre su circuito, lo que aumenta las chispas. Estas chispas limitan la velocidad máxima de la máquina, ya que una chispa demasiado rápida sobrecalentará, erosionará o incluso derretirá 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 huecos también genera ruido eléctrico ; las chispas generan RFI . Las escobillas eventualmente se desgastan y requieren reemplazo, y el conmutador mismo está sujeto a desgaste y mantenimiento o reemplazo. El conjunto del conmutador en un motor grande es un elemento costoso que requiere un ensamblaje preciso de muchas piezas. En motores pequeños, el conmutador suele estar integrado permanentemente en el rotor, por lo que reemplazarlo generalmente requiere reemplazar el rotor.
Si bien la mayoría de los conmutadores son cilíndricos, algunos son discos planos segmentados montados sobre un aislante.
Los cepillos grandes crean una gran área de contacto, lo que maximiza la potencia del motor, mientras que los cepillos pequeños tienen una masa baja para maximizar la velocidad a la que el motor puede funcionar sin chispas excesivas. (Las escobillas pequeñas son deseables por su menor costo.) Se pueden usar resortes de escobillas más rígidos para hacer que las escobillas de una masa determinada trabajen a mayor velocidad, a pesar de mayores pérdidas por fricción (menor eficiencia) y desgaste acelerado de las escobillas y del conmutador. Por lo tanto, el diseño de las escobillas del motor de CC implica un equilibrio entre potencia de salida, velocidad y eficiencia/desgaste.
Las máquinas de CC se definen de la siguiente manera: [76]
Los cinco tipos de motores de CC con escobillas son:
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. En motores grandes se pueden utilizar devanados de compensación en serie con la armadura para mejorar la conmutación bajo carga. Este campo es fijo y 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 el flujo necesario. 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 ; la mayoría son aleaciones de neodimio-hierro-boro. Gracias a 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 forma 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.
Algunos de los problemas del motor CC con escobillas se eliminan en el diseño BLDC. En este motor, el "interruptor giratorio" mecánico o conmutador es reemplazado por un interruptor electrónico externo sincronizado con la posición del rotor. Los motores BLDC suelen tener una eficiencia superior al 85%, alcanzando hasta el 96,5%, [77] mientras que los motores de CC con escobillas suelen tener una eficiencia del 75 al 80%.
La forma de onda de la fuerza contraelectromotriz trapezoidal (CEMF) característica del motor BLDC se deriva en parte de la distribución uniforme de los devanados del estator y en parte de la ubicación de los imanes permanentes del rotor. También conocidos como motores CC conmutados electrónicamente o motores 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 cerrar de bajo costo. -control del conmutador de bucle .
Los motores BLDC se utilizan comúnmente cuando es necesario un control preciso de la velocidad, como en las unidades de disco de las computadoras o en las grabadoras de video. Los ejes 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 varían en potencia desde una fracción de vatio hasta muchos kilovatios. En los vehículos eléctricos se utilizan motores BLDC más grandes con una potencia de hasta aproximadamente 100 kW. También encuentran uso 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 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 enviando el flujo 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, manteniendo el rotor girando.
Los SRM se utilizan en algunos electrodomésticos [78] y vehículos. [79]
Un motor conmutado, excitado eléctricamente, devanado en serie o en paralelo se denomina motor universal porque puede diseñarse para funcionar con alimentación de CA o CC. Un motor universal puede funcionar bien con CA porque la corriente tanto en el campo como en las bobinas de la armadura (y, por tanto, los campos magnéticos resultantes) invierten sincrónicamente la polaridad y, por 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 subkilovatios. Los motores universales formaron la base del motor de tracción ferroviaria tradicional en los ferrocarriles eléctricos . En esta aplicación, el uso de alimentación de CA en un motor diseñado para funcionar con CC experimentaría pérdidas de eficiencia debido al calentamiento por corrientes parásitas de sus componentes magnéticos, particularmente las piezas polares del campo del motor que, para CC, habrían usado sólidos (no laminados). hierro. Ahora rara vez se utilizan.
Una ventaja es que se puede utilizar alimentación de CA en motores que específicamente tienen un alto par de arranque y un diseño compacto si se utilizan altas velocidades de funcionamiento. Por el contrario, el mantenimiento es mayor y la vida útil se acorta. 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 licuadoras domésticas que anuncian muchas velocidades generalmente combinan una bobina de campo con varios grifos y un diodo que se puede insertar en serie con el motor (haciendo que el motor funcione con CA rectificada de media onda). Los motores universales también se prestan al control electrónico de la velocidad y, como tales, 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 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 desbrozadoras superan las 10.000 rpm , mientras que las trituradoras en miniatura pueden superar las 30.000 rpm .
Los motores síncronos y de inducción 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 CA asíncrono en el que la potencia se transfiere al rotor mediante 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 devanado 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 se parecen mucho 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 la línea y tiende a permanecer en las partes exteriores de la jaula. A medida que el motor acelera, la frecuencia de deslizamiento disminuye y llega más corriente al interior. Al darles forma a las barras para cambiar la resistencia de las porciones de devanado en las partes interior y exterior 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 potencia significativa. Se puede alimentar un convertidor desde el circuito del rotor y devolver la potencia de frecuencia de deslizamiento que de otro modo se desperdiciaría en el sistema de energía a través de un inversor o un motor-generador separado.
Los WRIM se utilizan principalmente para arrancar una carga de alta inercia o una carga que requiere un par de arranque alto en todo el rango de velocidades. Al seleccionar correctamente las resistencias utilizadas en la resistencia secundaria o en el arrancador de anillo colector, el motor puede producir un par máximo con una corriente de suministro relativamente baja desde velocidad cero hasta velocidad máxima.
La velocidad del motor se puede cambiar porque la curva de par del motor se modifica efectivamente por la cantidad de resistencia conectada al circuito del rotor. El aumento de la resistencia reduce la velocidad del par máximo. Si la resistencia aumenta más allá del punto donde 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 una velocidad en la que el par desarrollado por el motor es igual al par de carga. Reducir la carga hace que el motor acelere, mientras que aumentar la carga hace que el motor desacelere hasta que la carga y el par del motor vuelvan a ser iguales. Operado de esta manera, las pérdidas por deslizamiento se disipan en las resistencias secundarias y pueden ser significativas. La regulación de velocidad y la eficiencia neta son deficientes.
Un motor de torsión puede funcionar indefinidamente mientras está parado, es decir, con el rotor bloqueado para que no gire, sin sufrir daños. En este modo de operación, el motor aplica un par constante a la carga.
Una aplicación común son los motores de los carretes de suministro y recogida en una unidad de cinta. En esta aplicación, impulsados por un voltaje bajo, las características de estos motores aplican una ligera tensión constante a la cinta, independientemente de que el cabrestante esté alimentando la cinta más allá de los cabezales de la cinta. Impulsados por un voltaje más alto (entregando un par más alto), los motores de torsión pueden lograr un funcionamiento de avance y rebobinado rápido sin requerir mecánicas adicionales como engranajes o embragues. En el mundo de los juegos de ordenador, los motores de torsión se utilizan en volantes con retroalimentación de fuerza.
Otra aplicación común es controlar el acelerador de un motor de combustión interna con un gobernador electrónico. El motor trabaja contra un resorte de retorno para mover el acelerador de acuerdo con la salida del gobernador. Este último controla la velocidad del motor contando los impulsos 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 desacelera en relación con la velocidad deseada, la corriente aumenta, produciendo más torque, tirando contra el resorte de retorno y abriendo el acelerador. Si el motor funciona demasiado rápido, el gobernador reduce la corriente, permitiendo que el resorte de retorno retroceda y reduzca el acelerador.
Un motor eléctrico síncrono es un motor de CA. Incluye un rotor que gira con bobinas que pasan imanes a la misma frecuencia que la CA y produce un campo magnético para impulsarlo. Tiene deslizamiento cero en condiciones operativas 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 está excitado por un campo de CC. Los anillos colectores y las escobillas conducen 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 sobre 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 y tiene polos discretos. No es autoiniciador. El reloj requiere 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 por resorte.
Los motores síncronos de histéresis suelen ser (esencialmente) motores bifásicos con un condensador de desplazamiento 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 lo hacen actuar como un motor síncrono de imanes permanentes. El material del rotor, como el de un clavo común, permanece magnetizado, pero puede desmagnetizarse con poca dificultad. Una vez en funcionamiento, los polos del rotor permanecen en su lugar; no se desvían.
Los motores de sincronización síncronos de baja potencia (como los de los relojes eléctricos tradicionales) pueden tener rotores de copa externos de 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 anular de dos radios que funciona como un rotor discreto de dos polos.
Los motores eléctricos doblemente alimentados tienen dos conjuntos de devanados multifásicos independientes, que contribuyen con potencia activa (es decir, de trabajo) al proceso de conversión de energía, con al menos uno de los conjuntos de devanados controlado electrónicamente para operación de velocidad variable. Dos conjuntos de devanados multifásicos independientes (es decir, armadura dual) son el máximo que se proporciona en un solo paquete sin duplicación de topología. Los motores eléctricos doblemente alimentados tienen un rango de velocidad de par constante efectivo que es el doble de velocidad síncrona para una frecuencia de excitación determinada. Esto es el doble del rango de velocidad de par constante que las máquinas eléctricas de alimentación única , que tienen un solo juego de bobinado activo.
Un motor doblemente alimentado permite un convertidor electrónico más pequeño, pero el costo del devanado del rotor y los anillos colectores puede compensar el ahorro en los componentes electrónicos de potencia. Las dificultades afectan el control de la velocidad cerca de las aplicaciones de límite de velocidad sincrónicas. [80]
El motor de CC sin núcleo o sin hierro es un motor de CC de imán permanente especializado. [75] Optimizado para una aceleración rápida , el rotor está construido sin núcleo de hierro. El rotor puede tomar la forma de un cilindro lleno de devanados o de una estructura autoportante que comprende únicamente alambre y material adhesivo. El rotor puede caber 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 de devanado 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.
Debido a que el rotor tiene una masa mucho menor que un rotor convencional, puede acelerar mucho más rápidamente, logrando a menudo 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 móviles puede generarse mediante motores cilíndricos de imán permanente, o tipos en forma de disco que tienen un campo magnético de disco multipolar delgado y una estructura de rotor de plástico moldeado intencionalmente desequilibrada con dos bobinas sin núcleo unidas. Escobillas metálicas 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 unida colocada entre los polos de imanes permanentes delgados de alto flujo. Estos son los posicionadores de cabezales rápidos para unidades de disco rígido ("disco duro"). Aunque el diseño contemporáneo difiere considerablemente del de los altavoces, todavía se le conoce vagamente (e incorrectamente) como estructura de "bobina móvil", porque algunos cabezales de disco rígido anteriores se movían en líneas rectas y tenían una estructura de accionamiento muy parecida a la de los altavoces. el de un altavoz.
La armadura impresa o motor tipo panqueque tiene devanados en forma de disco que se ejecutan entre conjuntos de imanes de alto flujo. Los imanes están dispuestos en un círculo orientado hacia el rotor, espaciados para formar un entrehierro axial. [81] Este diseño se conoce comúnmente como motor panqueque debido a su perfil plano.
La armadura (originalmente formada en una placa de circuito impreso) está hecha de láminas de cobre perforadas que se laminan entre sí utilizando 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 haciendo que todo el diseño sea compacto.
Un diseño alternativo es utilizar alambre de cobre enrollado colocado plano con un conmutador central convencional, en forma de flor y pétalo. Los devanados normalmente se estabilizan con sistemas eléctricos de encapsulado epóxico. Estos son epoxis rellenos que tienen una viscosidad mixta moderada y un tiempo de gel prolongado. Se destacan por su baja contracción y baja exotermia y, por lo general, cuentan con el reconocimiento UL 1446 como un compuesto de encapsulado aislado con clasificación Clase H de 180 °C (356 °F).
La única ventaja de los motores CC sin hierro es la ausencia de engranajes (variaciones de par causadas por el cambio de atracción entre el hierro y los imanes). En el rotor no se pueden formar corrientes parásitas porque no tiene hierro, aunque los rotores de hierro están laminados. Esto puede mejorar en gran medida la eficiencia, pero los controladores de velocidad variable deben utilizar una velocidad de conmutación más alta (>40 kHz) o CC debido a la disminución de la inducción electromagnética .
Estos motores se inventaron para accionar 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 Pancake se utilizan ampliamente en sistemas servocontrolados de alto rendimiento, sistemas robóticos, automatización industrial y dispositivos médicos. Debido a la variedad de construcciones ahora disponibles, la tecnología se utiliza en aplicaciones que van desde militares de alta temperatura hasta bombas de bajo costo y servos básicos.
Otro enfoque (Magnax) es utilizar un solo estator intercalado entre dos rotores. Uno de esos 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 yugo ofrece una trayectoria de flujo más corta, manteniendo los imanes más alejados del eje. El diseño permite que el devanado no sobresalga; El 100 por ciento de los devanados están activos. Esto se mejora con el uso de alambre de cobre de sección transversal rectangular. Los motores se pueden apilar para trabajar en paralelo. Las inestabilidades se minimizan asegurándose de que los dos discos del rotor ejerzan fuerzas iguales y opuestas sobre el disco del estator. Los rotores están conectados directamente entre sí mediante 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 control de velocidad. Los servomotores se utilizan en aplicaciones como máquinas herramienta, trazadores de pluma y otros sistemas de proceso. Los motores destinados a ser utilizados en un servomecanismo deben tener características predecibles de velocidad, par y potencia. La curva 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 servobucles 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 motores más especializados, como 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, inducción y SRM. [81]
Un servosistema se diferencia de algunas aplicaciones de motores 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, confiando en que el motor no "pierda pasos" para una 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. También se puede considerar un motor paso a paso como un cruce entre un motor eléctrico de CC y un solenoide giratorio. A medida que cada bobina se energiza a su vez, el rotor se alinea con el campo magnético producido por el devanado de campo energizado. A diferencia de un motor síncrono, es posible que el motor paso a paso no gire continuamente; en cambio, se mueve en pasos (comenzando y luego deteniéndose) 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, pudiendo cambiar de dirección, detenerse, acelerar o desacelerar en cualquier momento.
Los controladores de motores paso a paso simples energizan o desenergizan por completo los devanados de campo, lo que hace que el rotor "engrane" a un número limitado de posiciones. Los controladores de micropasos pueden controlar proporcionalmente la potencia de los devanados de campo, lo que permite que los rotores se posicionen entre los puntos dentados y giren suavemente. Los motores paso a paso controlados por computadora son uno de los sistemas de posicionamiento más versátiles, particularmente como parte de un sistema servocontrolado digital .
Los motores paso a paso se pueden girar a un ángulo específico en pasos discretos con facilidad y, por lo tanto, los motores paso a paso se utilizan para posicionar el cabezal de lectura/escritura en las primeras unidades de disco , donde la precisión y velocidad que ofrecían podían posicionar correctamente el cabezal de lectura/escritura. A medida que aumentó la densidad de la unidad, 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 tanto, los discos duros más nuevos utilizan sistemas de actuadores de cabezal basados en bobina móvil. (El término "bobina móvil" en este sentido es histórico; se refiere a la estructura de un altavoz 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 la platina o rodillos de alimentación.
Los llamados relojes de pulsera analógicos de cuarzo contienen los motores paso a paso más pequeños y comunes; Tienen una bobina, consumen poca energía y tienen un rotor de imán permanente. El mismo tipo de motor acciona 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 tipos de motores de reluctancia variable. [84]
Un motor lineal es esencialmente cualquier motor eléctrico que ha sido "desenrollado" de modo que, en lugar de producir torque (rotación), produce una fuerza en línea recta a lo largo de su longitud.
Los motores lineales suelen ser 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 maglev , donde el tren "vuela" sobre el suelo. En una escala más pequeña, el trazador de lápiz HP 7225A de la era de 1978 utilizaba 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 cargas eléctricas. Por lo general, los motores electrostáticos son duales de los motores convencionales de bobina. Por lo general, requieren una fuente de alimentación de alto voltaje, aunque los motores pequeños emplean voltajes más bajos. En cambio, los motores eléctricos convencionales emplean atracción y repulsión magnética y requieren alta corriente a bajos voltajes. En la década de 1750, Benjamin Franklin y Andrew Gordon desarrollaron los primeros motores electrostáticos. Los motores electrostáticos encuentran un uso frecuente en sistemas microelectromecánicos ( MEMS ), donde sus voltajes de accionamiento son inferiores a 100 voltios y donde las placas cargadas en movimiento son mucho más fáciles de fabricar que las bobinas y los núcleos de hierro. La maquinaria molecular que hace funcionar las células vivas se basa a menudo en motores electrostáticos lineales y rotativos. [ cita necesaria ]
Un motor piezoeléctrico o motor piezoeléctrico es un tipo de motor eléctrico basado en el cambio de forma de un material piezoeléctrico cuando se aplica un campo eléctrico . Los motores piezoeléctricos utilizan el efecto piezoeléctrico inverso mediante el cual el material produce vibraciones acústicas o ultrasónicas para producir un movimiento lineal o giratorio. [86] En un mecanismo, el alargamiento en un solo plano se utiliza para realizar una serie de estiramientos y posiciones fijas, similar a la forma en que se mueve una oruga. [87]
Un sistema de propulsión de naves espaciales propulsado eléctricamente utiliza tecnología de motor eléctrico para impulsar naves espaciales en el espacio exterior. La mayoría de los sistemas se basan en la aceleración eléctrica del propulsor a alta velocidad, mientras que algunos sistemas se basan en principios electrodinámicos de propulsión a la magnetosfera . [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 provocado 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 producto vectorial vectorial .
Los enfoques más generales para calcular las fuerzas en motores utilizan notación tensorial. [99]
La potencia de salida del motor eléctrico está dada como
En unidades imperiales, la potencia mecánica de salida de un motor viene dada por, [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:
El movimiento de los devanados del inducido de un motor universal o de corriente continua a través de un campo magnético induce un voltaje en ellos. Este voltaje tiende a oponerse al voltaje de alimentación del motor y por eso se denomina " fuerza contraelectromotriz (EMF) ". El voltaje es proporcional a la velocidad de funcionamiento del motor. La fuerza electromagnética trasera del motor, más la caída de voltaje a través de la resistencia interna del devanado y las escobillas, deben igualar el voltaje en las escobillas. Esto proporciona el mecanismo fundamental de regulación de velocidad en un motor de CC. Si la carga mecánica aumenta, el motor se desacelera; Se produce un EMF trasero más bajo y se extrae más corriente del suministro. Este aumento de corriente proporciona el par adicional para equilibrar la carga. [101]
En las máquinas de CA, a veces es útil considerar una fuente EMF trasera dentro de la máquina; Esto es de particular preocupación para la regulación estrecha de la velocidad de los motores de inducción en VFD. [101]
Las pérdidas del motor se deben principalmente a pérdidas resistivas en los devanados, pérdidas en el núcleo y pérdidas mecánicas en los cojinetes, y también se producen pérdidas aerodinámicas, particularmente cuando hay ventiladores de refrigeración.
También se producen pérdidas en la conmutación, los conmutadores mecánicos producen chispas; Conmutadores electrónicos y también disipan el calor.
Para calcular la eficiencia de un motor, la potencia de salida mecánica se divide por la potencia de entrada eléctrica:
donde es la eficiencia de conversión de energía , es la potencia de entrada eléctrica y es la potencia de salida mecánica:
donde es el voltaje de entrada, la corriente de entrada, el par de salida y la velocidad angular de salida. Es posible derivar analíticamente el punto de máxima eficiencia. Normalmente es menos de la mitad del par de calado . [ cita necesaria ]
Varias autoridades reguladoras nacionales han promulgado leyes para fomentar la fabricación y el uso de motores de mayor eficiencia. Los motores eléctricos tienen eficiencias que oscilan entre el 15% y el 20% para motores de polos sombreados, hasta el 98% para motores de imanes permanentes, [102] [103] [104] y la eficiencia también depende de la carga. La eficiencia máxima suele ser del 75% de la carga nominal. Entonces (como ejemplo) un motor de 10 HP es más eficiente cuando impulsa una carga que requiere 7,5 HP. [105] La eficiencia también depende del tamaño del motor; Los motores más grandes tienden a ser más eficientes. [106] Algunos motores no pueden funcionar continuamente durante más de un período de tiempo específico (por ejemplo, durante más de una hora por funcionamiento) [107]
Eric Laithwaite [108] propuso una métrica para determinar la "bondad" de un motor eléctrico: [109]
Dónde:
A partir de esto, demostró que es probable que los motores más eficientes tengan polos magnéticos relativamente grandes. Sin embargo, la ecuación sólo se relaciona directamente con motores que no son PM.
Los motores electromagnéticos obtienen el par del producto vectorial de los campos que interactúan. Calcular el par requiere conocimiento de los campos en el entrehierro. Una vez establecidos, el par es la integral de todos los vectores de fuerza multiplicada por el radio del vector. La corriente que fluye por el devanado produce los campos. Para un motor que utiliza un material magnético, el campo no es proporcional a la corriente.
Una cifra que relaciona la corriente con el par puede informar la selección del motor. El par máximo de un motor depende de la corriente máxima, sin consideraciones térmicas.
Cuando se diseñan de manera óptima dentro de una determinada restricción de saturación del núcleo y para una determinada corriente activa (es decir, corriente de par), voltaje, número de pares de polos, frecuencia de excitación (es decir, velocidad síncrona) y densidad de flujo en el entrehierro, todas las categorías de motores eléctricos Los generadores exhiben prácticamente el mismo par de eje continuo máximo (es decir, par de operación) dentro de un área de entrehierro dada con ranuras de bobinado y profundidad de hierro posterior, lo que determina el tamaño físico del núcleo electromagnético. Algunas aplicaciones requieren ráfagas de par más allá del máximo, como ráfagas para acelerar un vehículo eléctrico desde parado. Siempre limitada por la saturación del núcleo magnético o el aumento de voltaje y temperatura de operación segura , la capacidad para ráfagas de torque más allá del máximo difiere significativamente entre los tipos de motor/generador.
Las máquinas eléctricas sin una topología de circuito de transformador, como la de los WRSM o PMSM, no pueden proporcionar ráfagas de par sin saturar el núcleo magnético. En ese punto, la corriente adicional no puede aumentar el par. Además, el conjunto de imanes permanentes de los PMSM puede sufrir daños irreparables.
Las máquinas eléctricas con una topología de circuito de transformador, como las máquinas de inducción, las máquinas eléctricas de inducción doblemente alimentadas y las máquinas de inducción o de rotor bobinado síncrono doblemente alimentadas (WRDF), permiten ráfagas de torque porque la corriente activa inducida por EMF en ambos lados del Los transformadores se oponen entre sí y, por lo tanto, no contribuyen en nada a la densidad de flujo del núcleo magnético acoplado al transformador, evitando la saturación del núcleo.
Las máquinas eléctricas que se basan en principios de inducción o asincrónicos cortocircuitan un puerto del circuito del transformador y, como resultado, la impedancia reactiva del circuito del transformador se vuelve dominante a medida que aumenta el deslizamiento, lo que limita la magnitud de la corriente activa (es decir, real). Se pueden realizar ráfagas de par dos o tres veces superiores al par máximo de diseño.
La máquina síncrona de doble alimentación y rotor bobinado sin escobillas (BWRSDF) es la única máquina eléctrica con una topología de circuito de transformador de puerto verdaderamente dual (es decir, ambos puertos excitados de forma independiente sin ningún puerto en cortocircuito). [110] Se sabe que la topología del circuito del transformador de doble puerto es inestable y requiere un conjunto de anillo colector y cepillo multifásico para propagar potencia limitada al conjunto de devanados del rotor. Si estuviera disponible un medio de precisión para controlar instantáneamente el ángulo de torsión y el deslizamiento para el funcionamiento sincrónico durante la operación y al mismo tiempo proporcionar energía sin escobillas al conjunto de bobinado del rotor, la corriente activa de la máquina BWRSDF sería independiente de la impedancia reactiva del circuito del transformador y de las ráfagas de Sería posible lograr un par significativamente superior al par máximo de funcionamiento y mucho más allá de la capacidad práctica de cualquier otro tipo de máquina eléctrica. Se han calculado ráfagas de par superiores a ocho veces el par de funcionamiento.
La densidad de par continuo de las máquinas eléctricas convencionales está determinada por el tamaño del área del entrehierro y la profundidad del hierro posterior, que están determinadas por la potencia nominal del conjunto de bobinado del inducido, la velocidad de la máquina y el aire alcanzable. densidad de flujo del espacio antes de la saturación del núcleo. A pesar de la alta coercitividad de los imanes permanentes de neodimio o samario -cobalto, la densidad de par continuo es prácticamente la misma entre las máquinas eléctricas con juegos de devanado de inducido óptimamente diseñados. La densidad de par continuo se relaciona con el método de enfriamiento y el período de operación permitido antes de la destrucción por sobrecalentamiento de los devanados o daño permanente del imán.
Otras fuentes afirman que varias topologías de máquinas eléctricas tienen diferentes densidades de par. Una fuente muestra lo siguiente: [111]
donde: la densidad de par específica se normaliza a 1,0 para el imán permanente de superficie (SPM): CA sin escobillas, conducción de corriente de 180°.
La densidad de par es aproximadamente cuatro veces mayor en los motores refrigerados por líquido que en los refrigerados por aire.
Una fuente que comparó corriente continua, motores de inducción (IM), PMSM y SRM mostró: [112]
Otra fuente señala que los PMSM de hasta 1 MW tienen una densidad de par considerablemente mayor que las máquinas de inducción. [113]
La densidad de potencia continua está determinada por el producto de la densidad de par continuo y el rango de velocidad de par constante. Los motores eléctricos pueden alcanzar densidades de hasta 20 kW/kg, es decir, 20 kilovatios de potencia de salida por kilogramo. [114]
El ruido acústico y las vibraciones suelen clasificarse en tres fuentes:
Esta última fuente, que puede ser responsable del "chirrido" de los motores eléctricos, se denomina ruido acústico inducido electromagnéticamente .
Las siguientes son las principales normas de diseño, fabricación y pruebas que cubren motores eléctricos:
