El motor universal es un tipo de motor eléctrico que puede funcionar con corriente alterna o continua y utiliza un electroimán como estator para crear su campo magnético. [1] Es un motor conmutado de bobinado en serie donde las bobinas de campo del estator están conectadas en serie con los devanados del rotor a través de un conmutador . A menudo se lo conoce como un motor en serie de CA. El motor universal es muy similar a un motor en serie de CC en construcción, pero se modifica ligeramente para permitir que el motor funcione correctamente con corriente alterna. Este tipo de motor eléctrico puede funcionar bien con corriente alterna porque la corriente tanto en las bobinas de campo como en la armadura (y los campos magnéticos resultantes) se alternarán (polaridad inversa) de manera sincrónica con la fuente de alimentación. Por lo tanto, la fuerza mecánica resultante se producirá en una dirección de rotación constante, independientemente de la dirección del voltaje aplicado, pero determinada por el conmutador y la polaridad de las bobinas de campo. [2]
Los motores universales tienen un par de arranque elevado , pueden funcionar a alta velocidad y son ligeros y compactos. Se utilizan habitualmente en herramientas y equipos eléctricos portátiles, así como en muchos electrodomésticos. Son relativamente fáciles de controlar, ya sea de forma electromecánica mediante bobinas con tomas, o de forma electrónica. Sin embargo, el conmutador tiene escobillas que se desgastan, por lo que son menos adecuados para equipos que se utilizan de forma continua. Además, en parte debido al conmutador, los motores universales suelen ser muy ruidosos, tanto acústica como electromagnéticamente. [3]
No todos los motores devanados en serie funcionan bien con corriente alterna. [4] [nota 1] Si un motor de corriente continua devanado en serie ordinario se conectara a una fuente de corriente alterna, funcionaría muy mal. El motor universal se modifica de varias maneras para permitir un funcionamiento adecuado con la fuente de corriente alterna. Normalmente se le añade un devanado de compensación , junto con piezas polares laminadas , a diferencia de las piezas polares sólidas que se encuentran en los motores de corriente continua. [2] La armadura de un motor universal normalmente tiene muchas más bobinas y placas que un motor de corriente continua y, por lo tanto, menos devanados por bobina. Esto reduce la inductancia. [5]
Incluso cuando se utilizan con corriente alterna, estos tipos de motores pueden funcionar a una frecuencia de rotación muy superior a la de la red eléctrica y, como la mayoría de las propiedades de los motores eléctricos mejoran con la velocidad, esto significa que pueden ser ligeros y potentes. [5] Sin embargo, los motores universales suelen ser relativamente ineficientes: alrededor del 30 % para los motores más pequeños y hasta el 70-75 % para los más grandes. [5]
Los motores eléctricos devanados en serie responden al aumento de carga disminuyendo la velocidad; la corriente aumenta y el par aumenta en proporción al cuadrado de la corriente porque la misma corriente fluye tanto en el inducido como en los devanados de campo. Si el motor se detiene, la corriente está limitada solo por la resistencia total de los devanados y el par puede ser muy alto, y existe el peligro de que los devanados se sobrecalienten. La fuerza contraelectromotriz ayuda a la resistencia del inducido a limitar la corriente a través del inducido. Cuando se aplica energía por primera vez a un motor, el inducido no gira. En ese instante, la fuerza contraelectromotriz es cero y el único factor que limita la corriente del inducido es la resistencia del inducido. Por lo general, la resistencia del inducido de un motor es baja; por lo tanto, la corriente a través del inducido sería muy grande cuando se aplica energía. Por lo tanto, puede surgir la necesidad de una resistencia adicional en serie con el inducido para limitar la corriente hasta que la rotación del motor pueda generar la fuerza contraelectromotriz. A medida que aumenta la rotación del motor, la resistencia se elimina gradualmente. La característica de velocidad-par es una línea casi perfectamente recta entre el par de calado y la velocidad sin carga. Esto es adecuado para cargas inerciales grandes, ya que la velocidad disminuirá hasta que el motor comience a girar lentamente y estos motores tienen un par de calado muy alto. [6]
A medida que aumenta la velocidad, la inductancia del rotor hace que cambie el punto de conmutación ideal. Los motores pequeños suelen tener conmutación fija. Si bien algunos motores universales más grandes tienen conmutación rotativa, esto es poco común. En cambio, los motores universales más grandes suelen tener bobinados de compensación en serie con el motor, o a veces acoplados inductivamente, y colocados a noventa grados eléctricos con respecto al eje del campo principal. Estos reducen la reactancia de la armadura y mejoran la conmutación. [5]
Una propiedad útil de tener los devanados de campo en serie con el devanado de armadura es que a medida que aumenta la velocidad, la fuerza electromotriz contraria reduce naturalmente el voltaje y la corriente a través de los devanados de campo, lo que produce un debilitamiento del campo a altas velocidades. Esto significa que el motor no tiene una velocidad máxima teórica para ningún voltaje aplicado en particular. Los motores universales pueden funcionar y generalmente funcionan a altas velocidades, 4000–16000 RPM, y pueden superar las 20 000 RPM. [5] Por el contrario, los motores de inducción síncronos de CA y de jaula de ardilla no pueden hacer girar un eje más rápido de lo permitido por la frecuencia de la línea eléctrica . En países con suministro de CA de 60 Hz, esta velocidad está limitada a 3600 RPM. [7]
El motor puede sufrir daños por exceso de velocidad (funcionamiento a una velocidad de rotación superior a los límites de diseño) si se opera sin una carga mecánica significativa. En los motores más grandes, se debe evitar la pérdida repentina de carga y la posibilidad de que esto ocurra se incorpora en los esquemas de protección y control del motor. En algunas aplicaciones más pequeñas, una paleta de ventilador unida al eje actúa a menudo como una carga artificial para limitar la velocidad del motor a un nivel seguro, así como un medio para hacer circular el flujo de aire de refrigeración sobre los devanados de inducido y de campo. Si no hubiera límites mecánicos impuestos a un motor universal, teóricamente podría acelerar sin control de la misma manera que cualquier motor de CC devanado en serie . [3]
Una ventaja del motor universal es que se pueden utilizar fuentes de alimentación de CA en motores que tienen algunas características más comunes en los motores de CC, específicamente un alto par de arranque y un diseño muy compacto si se utilizan altas velocidades de funcionamiento. [3]
Un aspecto negativo son los problemas de mantenimiento y vida útil corta que causa el conmutador , así como los problemas de interferencia electromagnética (EMI) debido a las chispas. Debido a que las escobillas del conmutador requieren un mantenimiento relativamente alto, los motores universales son los más adecuados para dispositivos como batidoras de alimentos y herramientas eléctricas que se utilizan solo de manera intermitente y, a menudo, tienen demandas de par de arranque elevadas.
Otro aspecto negativo es que estos motores solo se pueden utilizar en lugares donde el aire esté casi siempre limpio. Debido al riesgo de sobrecalentamiento, que aumenta drásticamente, los motores universales con refrigeración por ventilador totalmente cerrados resultarían poco prácticos, aunque se han fabricado algunos. Un motor de este tipo necesitaría un ventilador grande para que circule suficiente aire, lo que reduciría la eficiencia, ya que el motor debe utilizar más energía para enfriarse. La impracticabilidad se debe a los problemas de tamaño, peso y gestión térmica resultantes, de los que carecen los motores abiertos.
Los motores universales también son muy ruidosos en comparación con otros tipos de motores de CA y CC.
El control continuo de la velocidad de un motor universal que funciona con corriente alterna se obtiene fácilmente mediante el uso de un circuito de tiristores , mientras que múltiples tomas en la bobina de campo proporcionan un control de velocidad escalonado (impreciso). Las licuadoras domésticas que anuncian muchas velocidades con frecuencia combinan una bobina de campo con varias tomas y un diodo que se puede insertar en serie con el motor (lo que hace que el motor funcione con corriente alterna rectificada de media onda).
Los motores universales están devanados en serie. El devanado en derivación se utilizó experimentalmente a fines del siglo XIX [8] , pero no era práctico debido a problemas con la conmutación. Se intentaron varios esquemas de resistencia incorporada, inductancia y acoplamiento cruzado antifásico para reducir esto. Los motores universales, incluidos los de devanado en derivación, se favorecieron como motores de CA en ese momento, ya que eran de arranque automático. [4] Cuando los motores de inducción de arranque automático y los arrancadores automáticos estuvieron disponibles, estos reemplazaron a los motores universales más grandes (por encima de 1 hp) y al devanado en derivación.
En el pasado, los motores de rotor bobinado con arranque por repulsión proporcionaban un par de arranque elevado, pero con una complejidad añadida. Sus rotores eran similares a los de los motores universales, pero sus escobillas estaban conectadas sólo entre sí. La acción del transformador inducía corriente en el rotor. La posición de las escobillas en relación con los polos del campo significaba que el par de arranque se desarrollaba por la repulsión del rotor desde los polos del campo. Un mecanismo centrífugo, cuando se acercaba a la velocidad de funcionamiento, conectaba todas las barras del conmutador para crear el equivalente a un rotor de jaula de ardilla. Además, cuando se acercaba aproximadamente al 80 por ciento de su velocidad de funcionamiento, estos motores pueden funcionar como motores de inducción. [9]
Los motores universales, que funcionan a frecuencias normales de línea eléctrica , no suelen encontrarse en un rango inferior a 1000 vatios . Su alta velocidad 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 sierras de calar , donde las características del motor funcionan bien. Un beneficio adicional para las herramientas eléctricas utilizadas por soldadores es que las máquinas de soldar clásicas impulsadas por motor pueden ser un generador de CC puro, y sus receptáculos de energía auxiliar seguirán siendo de CC, aunque se trate de una configuración doméstica NEMA 5-15 típica. La energía de CC está bien para la iluminación incandescente típica del lugar de trabajo (anticuada) y los motores universales de algunos taladros y amoladoras. Muchos motores de aspiradoras y cortacéspedes superan las 10 000 RPM , mientras que muchas amoladoras miniatura Dremel y similares superan las 30 000 RPM .
Los motores universales también se prestan al control electrónico de la velocidad y, como tal, eran una opción ideal para las lavadoras domésticas . El motor se puede utilizar para agitar el tambor (tanto hacia adelante como hacia atrás) cambiando el devanado de campo con respecto a la armadura. El motor también se puede hacer funcionar a las altas velocidades requeridas para el ciclo de centrifugado. Hoy en día, los motores de accionamiento de frecuencia variable se utilizan con más frecuencia.
Los motores universales también formaron la base del motor de tracción ferroviaria tradicional en los ferrocarriles eléctricos . En esta aplicación, el uso de CA para alimentar un motor diseñado originalmente para funcionar con CC provocaría pérdidas de eficiencia debido al calentamiento por corrientes parásitas de sus componentes magnéticos, en particular las piezas polares del campo del motor que, para CC, habrían utilizado hierro sólido (no laminado). Aunque los efectos del calentamiento se reducen mediante el uso de piezas polares laminadas, como las que se utilizan para los núcleos de los transformadores y mediante el uso de laminaciones de acero eléctrico de alta permeabilidad , una solución disponible a principios del siglo XX era que los motores funcionaran con fuentes de CA de frecuencia muy baja, con 25 Hz y 16 Hz.+El funcionamiento a 2 ⁄ 3 Hz es común.
Los arrancadores de los motores de combustión suelen ser motores universales, con la ventaja de ser pequeños y tener un par elevado a baja velocidad. Algunos arrancadores tienen imanes permanentes, otros tienen uno de los cuatro polos enrollado con una bobina en derivación en lugar de bobinas enrolladas en serie.