Un motor de CC es cualquiera de una clase de motores eléctricos rotativos que convierte la energía eléctrica de corriente continua en energía mecánica. Los tipos más comunes se basan en las fuerzas producidas por los campos magnéticos. Casi todos los tipos de motores de CC tienen algún mecanismo interno, ya sea electromecánico o electrónico, para cambiar periódicamente la dirección de la corriente en parte del motor.
Los motores de CC fueron la primera forma de motor ampliamente utilizada, ya que podían alimentarse con 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 fuerza de la corriente en sus devanados de campo. Los pequeños motores de CC se utilizan en herramientas, juguetes y electrodomésticos. El motor universal puede funcionar con corriente continua, pero es un motor cepillado ligero que se utiliza para herramientas y electrodomésticos portátiles. Los motores de CC más grandes se utilizan actualmente en la propulsión de vehículos eléctricos, elevadores y montacargas, y en accionamientos para trenes de laminación de acero. La llegada de la electrónica de potencia ha hecho posible la sustitución de motores de CC por motores de CA en muchas aplicaciones.
Motores electromagnéticos
Una bobina de alambre con una corriente que la atraviesa genera un campo electromagnético alineado con el centro de la bobina. La dirección y la magnitud del campo magnético producido por la bobina se pueden cambiar con la dirección y la magnitud de la corriente que fluye a través de ella.
Un motor de CC simple tiene un conjunto estacionario de imanes en el estator y una armadura con uno o más devanados de alambre aislado envuelto alrededor de un núcleo de hierro dulce que concentra el campo magnético. Los devanados suelen tener múltiples vueltas alrededor del núcleo, y en motores grandes puede haber varias rutas de corriente paralelas. Los extremos del devanado del cable están conectados a un conmutador . El conmutador permite que cada bobina del inducido se energice a su vez y conecta las bobinas giratorias con la fuente de alimentación externa a través de escobillas. (Los motores de CC sin escobillas tienen componentes electrónicos que encienden y apagan la corriente CC de cada bobina y no tienen escobillas).
La cantidad total de corriente enviada a la bobina, el tamaño de la bobina y lo que envuelve dictan la fuerza del campo electromagnético creado.
La secuencia de encender o apagar una bobina en particular dicta en qué dirección apuntan los campos electromagnéticos efectivos. Al encender y apagar las bobinas en secuencia, se puede crear un campo magnético giratorio. Estos campos magnéticos giratorios interactúan con los campos magnéticos de los imanes (permanentes o electroimanes ) en la parte estacionaria del motor (estator) para crear un par en la armadura que hace que gire. En algunos diseños de motores de CC, los campos del estator utilizan electroimanes para crear sus campos magnéticos, lo que permite un mayor control sobre el motor.
A altos niveles de potencia, los motores de CC casi siempre se enfrían mediante aire forzado.
Un número diferente de campos del estator y del inducido, así como la forma en que están conectados, proporcionan diferentes características inherentes de regulación de velocidad y par. La velocidad de un motor de CC se puede controlar cambiando el voltaje aplicado al inducido. La resistencia variable en el circuito del inducido o en el circuito de campo permite el control de velocidad. Los motores de CC modernos a menudo se controlan mediante sistemas electrónicos de potencia que ajustan el voltaje "cortando" la corriente de CC en ciclos de encendido y apagado que tienen un voltaje más bajo efectivo.
Dado que el motor de CC de bobinado en serie desarrolla su par más alto a baja velocidad, a menudo se utiliza en aplicaciones de tracción como locomotoras eléctricas y tranvías . El motor de CC fue el pilar de los accionamientos de tracción eléctrica en locomotoras eléctricas y diésel-eléctricas , tranvías / 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, lo que proporciona la fuerza motriz para los primeros vehículos eléctricos y los automóviles híbridos y eléctricos de hoy en día, además de conducir 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 trenes de laminación de acero y máquinas de papel. Los motores de CC grandes con campos excitados por separado se usaban generalmente con accionamientos de bobinadoras para polipastos de mina , para un par elevado y un control de velocidad suave mediante accionamientos de tiristores. Estos ahora se reemplazan por grandes motores de CA con variadores de frecuencia.
Si se aplica energía mecánica externa a un motor de CC, actúa como un generador de CC, una dínamo . Esta función se utiliza para reducir la velocidad y recargar las baterías de los coches híbridos y eléctricos o para devolver la electricidad a la red eléctrica utilizada en un tranvía o una línea de tren eléctrico cuando reducen la velocidad. Este proceso se denomina frenado regenerativo en coches híbridos y eléctricos. En las locomotoras eléctricas diésel, también utilizan sus motores de CC como generadores para reducir la velocidad pero disipar la energía en pilas de resistencias. Los diseños más nuevos están agregando grandes paquetes de baterías para recuperar parte de esta energía.
Cepillado
El motor eléctrico de CC con escobillas genera par directamente a partir de la energía de CC suministrada al motor mediante el uso de conmutación interna, imanes estacionarios ( permanentes o electroimanes ) y electroimanes giratorios.
Las ventajas de un motor de CC con escobillas incluyen un bajo costo inicial, alta confiabilidad y un control simple de la velocidad del motor. Las desventajas son el alto mantenimiento y la baja vida útil para usos de alta intensidad. El mantenimiento implica la sustitución periódica de las escobillas de carbón y los resortes que transportan la corriente eléctrica, así como la limpieza o sustitución del 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.
Los cepillos generalmente están hechos de grafito o carbono, a veces con cobre disperso agregado para mejorar la conductividad. En uso, el material de cepillo suave se desgasta para adaptarse al diámetro del conmutador y continúa desgastando. Un portaescobillas tiene un resorte para mantener la presión sobre el cepillo a medida que se acorta. Para las escobillas destinadas a transportar más de uno o dos amperios, se moldeará un cable volante en la escobilla y se conectará a los terminales del motor. Los cepillos muy pequeños pueden depender del contacto deslizante con un portaescobillas de metal para llevar la corriente al cepillo, o pueden depender de un resorte de contacto que presiona el extremo del cepillo. Los cepillos de los motores muy pequeños y de corta duración, como los que se utilizan en los juguetes, pueden estar hechos de una tira de metal doblada que entra en contacto con el conmutador.
Sin escobillas
Los motores de CC sin escobillas típicos utilizan uno o más imanes permanentes en el rotor y electroimanes en la carcasa del motor para el estator. Un controlador de motor convierte DC a AC . 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 el tiempo, la fase, etc., de la corriente en las bobinas del rotor para optimizar el par, conservar la potencia, regular la velocidad e incluso aplicar algo de frenado. Las ventajas de los motores sin escobillas incluyen una larga vida útil, poco o ningún mantenimiento y alta eficiencia. Las desventajas incluyen un alto costo inicial y controladores de velocidad del motor más complicados. Algunos de estos motores sin escobillas a veces se denominan "motores síncronos", aunque no tienen una fuente de alimentación externa con la que sincronizarse, como sería el caso de los motores síncronos de CA normales.
Sin conmutar
Otros tipos de motores de CC no requieren conmutación.
- Motor homopolar: un motor homopolar tiene un campo magnético a lo largo del eje de rotación y una corriente eléctrica que en algún punto no es paralela al campo magnético. El nombre homopolar se refiere a la ausencia de cambio de polaridad. Los motores homopolares necesariamente tienen una bobina de una sola vuelta, lo que los limita a voltajes muy bajos. Esto ha restringido la aplicación práctica de este tipo de motor.
- Motor con cojinetes de bolas : un motor con cojinetes de bolas es un motor eléctrico inusual que consta de dos cojinetes de tipo cojinete de bolas, con las pistas internas montadas en un eje conductor común y las pistas externas conectadas a una fuente de alimentación de alta corriente y baja tensión. Una construcción alternativa encaja las pistas exteriores dentro de un tubo de metal, mientras que las pistas interiores están montadas en un eje con una sección no conductora (por ejemplo, dos manguitos en una varilla aislante). Este método tiene la ventaja de que el tubo actuará como volante. La dirección de rotación está determinada por el giro inicial que generalmente se requiere para ponerlo en marcha.
Estatores de imán permanente
Un motor de PM no tiene un devanado de campo en el bastidor del estator, sino que depende de los PM para proporcionar el campo magnético contra el cual el campo del rotor interactúa para producir el par. Los devanados de compensación en serie con el inducido se pueden utilizar 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 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 "dínamo", que tienen bobinados en el estator. Históricamente, no se podía hacer que los PM retenieran un alto flujo si se desmontaban; Los devanados de campo eran más prácticos para obtener la cantidad necesaria de flujo. Sin embargo, los PM grandes son costosos, además de peligrosos y difíciles de montar; esto favorece los campos de bobinado para máquinas grandes.
Para minimizar el peso y el tamaño totales, los motores PM en miniatura pueden utilizar imanes de alta energía fabricados con neodimio u otros elementos estratégicos; la mayoría son aleaciones de neodimio-hierro-boro. Con su mayor densidad de flujo, las máquinas eléctricas con PM de alta energía son al menos competitivas con todas las máquinas eléctricas síncronas y de inducción alimentadas individualmente y 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 el exterior de los imanes de campo curvo.
Estatores de heridas
Hay tres tipos de conexiones eléctricas entre el estator y el rotor posibles para los motores eléctricos de CC: serie, derivación / paralelo y compuesto (varias combinaciones de serie y derivación / paralelo) y cada una tiene características únicas de velocidad / par apropiadas para diferentes perfiles de par de carga / firmas. [1]
Conexión en serie
Un motor de CC en serie conecta el inducido y los devanados de campo en serie con una fuente de alimentación de CC común . La velocidad del motor varía como una función no lineal del par de carga y la corriente del inducido; la corriente es común tanto para el estator como para el rotor, lo que produce un comportamiento de corriente al cuadrado (I ^ 2) [ cita requerida ] . Un motor en serie tiene un par de arranque muy alto y se usa comúnmente para arrancar cargas de alta inercia, como trenes, ascensores o montacargas. [2] Esta característica de velocidad / par es útil en aplicaciones como excavadoras de dragalinas , donde la herramienta de excavación se mueve rápidamente cuando está descargada pero lentamente cuando lleva una carga pesada.
Un motor en serie nunca debe arrancarse sin carga. Sin carga mecánica en el motor en serie, la corriente es baja, la fuerza contraelectromotriz producida por el devanado de campo es débil, por lo que la armadura debe girar más rápido para producir suficiente contra-EMF para equilibrar el voltaje de suministro. El motor puede dañarse por exceso de velocidad. A esto se le llama una condición de fuga.
Los motores en serie denominados motores universales se pueden utilizar con corriente alterna . Dado que la tensión del inducido y la dirección del campo se invierten al mismo tiempo, el par se sigue produciendo en la misma dirección. Sin embargo, funcionan a una velocidad más baja con un par de torsión más bajo 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 la 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 potencia mecánica nominal. Esta es una característica valiosa para las herramientas eléctricas portátiles. Los motores universales para servicios comerciales suelen tener una capacidad pequeña, no más de aproximadamente 1 kW de salida. Sin embargo, se utilizaron motores universales mucho más grandes para locomotoras eléctricas, alimentados por redes especiales de tracción de baja frecuencia para evitar problemas con la conmutación bajo cargas pesadas y variables.
Conexión de derivación
Un motor de CC en derivación conecta el inducido y los devanados de campo en paralelo o en derivación con una fuente de alimentación de CC común. Este tipo de motor tiene una buena regulación de velocidad incluso cuando la carga varía, pero no tiene el par de arranque de un motor de CC en serie. [4] Se utiliza normalmente para aplicaciones industriales de velocidad ajustable, como máquinas herramienta, máquinas de bobinado / desenrollado y tensores.
Conexión compuesta
Un motor de CC compuesto conecta el inducido y los devanados de campo en una combinación de derivación y en serie para darle las características de un motor de CC en derivación y en serie. [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 diferencialmente. Los motores compuestos acumulativos conectan el campo en serie para ayudar al campo de derivación, lo que proporciona un par de arranque más alto pero una menor regulación de la velocidad. Los motores de CC de compuesto diferencial tienen una buena regulación de velocidad y normalmente funcionan a velocidad constante.
Ver también
- Torque dentado
- Control de Ward Leonard
- Par y velocidad de un motor de CC
- Motor de CC controlado por armadura
enlaces externos
- Haga un modelo funcional de motor de corriente continua en sci-toys.com
- Cómo seleccionar un motor de CC en MICROMO
- Modelo de motor de CC en Simulink en File Exchange - MATLAB Central
Referencias
- ^ Herman, Stephen. Control de motores industriales. 6ª ed. Delmar, Cengage Learning, 2010. Página 251.
- ^ Motores eléctricos de Ohio. Motores de la serie de CC: Par de arranque alto pero no se recomienda la operación sin carga. Ohio Electric Motors, 2011. Archivado el 31 de octubre de 2011 en Wayback Machine.
- ^ "Motor universal" , Características de construcción y funcionamiento, obtenido el 27 de abril de 2015.
- ^ Laughton MA y Warne DF, Editores. Libro de referencia del ingeniero eléctrico. 16ª ed. Newnes, 2003. Página 19-4.
- ^ William H. Yeadon, Alan W. Yeadon. Manual de pequeños motores eléctricos. McGraw-Hill Professional, 2001. Página 4-134.