Vamos aprender qué es un motor eléctrico, cómo funcionan los diferentes tipos de motores, de corriente continua y alterna, síncronos y asíncronos, y las partes de un motor eléctrico.
Transforman una energía eléctrica en energía mecánica de rotación en un eje.
Tienen múltiples ventajas, entre las que cabe citar su economía, limpieza, comodidad y seguridad de funcionamiento, el motor eléctrico a reemplazado en gran parte a otras fuentes de energia, tanto en la industria como en el transporte, las minas, el comercio, o el hogar.
Su funcionamiento se basa en las fuerzas de atracción y repulsión establecidas entre un imán y un hilo (bobina) por donde hacemos circular una corriente eléctrica.
Entonces solo seria necesario una bobina (espiras con un principio y un final) un imán y una pila (para hacer pasar la corriente eléctrica por las espiras) para construir un motor eléctrico.
Recuerda también se pueden llamar "motor electromagnético".
Pero expliquemos todo esto mucho mejor y desde el principio.
El
Electromagnetismo
Todo empezó gracias al científico Hans Christian Oersted que comprobó como
colocando un cable alrededor o cerca de una brújula, si hacia
pasar una corriente por el cable, la aguja de la brújula, que está unida a
un imán giratorio, se movía.
Lo que hacía el cable, al que le atravesada una corriente eléctrica, era mover el imán de la
brújula que estaba dentro de la espira.
De esta forma demostró la relación que había entre la electricidad y el magnetísmo.
Descubrió el electromagnetismo.
Recordamos que un campo magnético es una región del espacio donde existen fuerzas magnéticas (fuerzas que atraen o repelen metales).
Esta propiedad de atraer metales se llama magnetismo.
Un campo magnético lo puede generar un imán con dos polos, polo Norte (N) y polo sur (S).
Los polos se encuentran en los extremos del campo generado por el imán.
Antes del descubrimiento de Oersted, ya se sabía que un imán tiene un campo magnético y que cuando le atraviesa
(se junta) otro campo magnético, el de otro imán por ejemplo, los imanes se mueve por atracción o repulsión
(se atraen o repelen).
Si acercas dos imanes, cuando se juntan los campos magnéticos generados por cada uno de ellas, se mueven.
Imanes con polos iguales enfrentados se repelen, polos distintos se atraen.
Pero... ¿Qué demostró Oersted con su experimento?.
Pues algo importantísimo para poder posteriormente crear un motor eléctrico.
Oersted con su experimento dedujo que lo que pasaba era que
se creaba
un campo magnético alrededor del cable al hacer pasar por él una corriente eléctrica.
¡¡¡Por eso se movía la brújula al pasar corriente por el conductor,
porque había 2 campos magnéticos enfrentados!!!
No solo podemos crear un campo magnético con un imán, ahora según el descubrimiento de Oersted, podemos generar un campo magnético por medio de electricidad.
Imán ==> Campo Magnético
Electricidad ==> Campo Magnético
Las dos fuerzas magnéticas, una creada por la corriente por el conductor y la otra
por la del propio campo magnético del imán, interactúan haciendo que la aguja de la brújula,
que está fija a un imán, girase.
En definitiva había creado un pequeño motor eléctrico.
Metía corriente por el cable y hacía girar un eje, el de la brújula.
Electricidad ==> Campo Magnético ==> Rotación Mecánica
Podemos dejar fijo (estático) el imán y dentro del campo del imán meter un
conductor con corriente con posibilidad de moverse, en lugar del imán
movible.
De esta forma es como se construyen los motores eléctricos de corriente continua.
¿Qué sucede?
Que se moverá el conductor en lugar del imán.
¿Cómo será su movimiento?
La fuerza creada por los campos del imán y del conductor lo moverá perpendicular al campo
creado por el imán fijo (arriba o abajo).
Una corriente + campo magnético = movimiento.
La dirección de la corriente sobre el conductor hará que este suba o baje.
Recuerda dos imanen enfrentados = fuerza de atracción o repulsión.
Según el sentido de la corriente por el conductor, que entre o salga, la fuerza
de los campos hará que se mueva hacia arriba o hacia abajo el conductor.
Si el campo magnético es horizontal y el conductor está vertical, el conductor se desplazará saliendo o entrando del imán,
en lugar de subir o bajar.
La pregunta es...¿Cómo puedo saber cómo se moverá el conductor dentro del
campo magnético del imán fijo?
Es muy fácil averiguarlo con la regla de la mano izquierda.
Regla de la Mano Izquierda
Colocamos la mano izquierda con el dedo índice en dirección del campo magnético creado por el imán (de Norte a Sur).
Dirección del campo magnético B
Los otros 3 dedos, menos el pulgar, en la dirección de la corriente
eléctrica (I) por el conductor (ver en la imagen siguiente).
La posición del pulgar nos dice la dirección del movimiento del conductor (en la imagen F, hacia arriba).
F = Fuerza que mueve el conductor.
Fíjate en la imagen siguiente:
El funcionamiento de estos motores es por
inducción electromagnética, por
eso también se llaman motores de inducción.
Inducción Electromagnética = una corriente, induce (crea) un campo magnético
que a su vez crea un movimiento.
¿Cómo Funciona un Motor Eléctrico?
Tanto los motores de corriente continua (c.c) como los de corriente alterna (c.a) funcionan por inducción electromagnética, o lo que es lo mismo, un campo magnético induce o produce una fuerza rotatoria por un conductor que lleva corriente eléctrica.
Aunque el principio de funcionamiento sea el mismo, las causas que
producen la rotación en los de c.c y los de c.a no son las mismas, por eso los estudiaremos por separado.
Motor de Corriente Continua
Para crear nuestro primer motor de corriente continua, el cable
con corriente eléctrica que anteriormente se movía dentro de un campo lo
vamos a convertir en una espira (cable enrollado, ver imagen de más
abajo).
Al meter la corriente por la espira, es como si tenemos 2 conductores enfrentados (por uno entra la
corriente y por el otro sale), un lado de la espira subirá y el otro bajará, ya que por un lado la
corriente entra y por el otro lado de la espira la corriente sale.
¿Y esto que produce?.
Pues produce un giro de la espira, un par de fuerzas con sentido contrario. Hemos conseguido hacer girar una espira por medio de la corriente eléctrica.
¡¡¡Ya tenemos
nuestro motor!!!.
Hemos
convertido la energía eléctrica en energía mecánica
en el movimiento del eje.
Veamos el dibujo, fíjate que el sentido de la corriente
I a un lado y al otro de
la espira es contrario, esto hace que se produzcan
fuerzas opuestas a cada lado de la espira = Par de
Fuerzas = Giro.
La entrada y salida de la corriente, si es corriente continua
(motor de corriente continua), tiene siempre el mismo
sentido, es por eso que debemos colocar lo que se llama
el colector de delgas, un anillo cortado por el
medio que es
el encargado de recoger la corriente desde las escobillas y hacer que la corriente siempre
entre y salga por el mismo lado.
Si te fijas esta partido en dos y gira con la espira, por eso al girar
posibilita que siempre entre la corriente por el mismos sitio respecto a la
espira.
En el caso de la figura la corriente siempre entra por la parte de
la espira que está a la izquierda (frente el polo sur del imán fijo) y siempre sale por la parte que está a la
derecha (frente al polo Norte del imán fijo) independientemente de la
posición de la espira.
El par de fuerzas sobre la espira siempre hace que
gire hacia el mismo lado.
Este sería el motor más sencillo, pero lógicamente para que tenga más par
(fuerza) lo que haremos será colocar muchas espiras formando una bobina o
bobinado o también llamado devanado.
Si sobre el imán fijo enrollamos unas bobina de
cable eléctrico y hacemos pasar por la bobina una corriente eléctrica,
entonces tenemos un electroimán que es capaz de generar un campo magnético
mayor y por lo tanto mayor par en la espira o bobinado interior.
Lo más
común en los motores de c.c. es alimentar el electroimán con la misma
corriente de la espira o bobina interna que gira.
Según lo explicado tenemos dos partes principales en nuestro motor:
- Parte Fija: Es un electroimán que produce un campo
magnético que induce una fuerza sobre la espira o parte móvil. Se
llama Estator (estático) o Inductor (induce la
fuerza en la parte giratoria).
- Parte Móvil: Compuesto por muchas espiras de cable
enrolladas o bobina. Se llama Rotor (rotación) o
Inducido (se induce sobre el una fuerza).
Más adelante veremos todas las partes de un motor eléctrico.
Si ahora por el rotor la corriente que introducimos es corriente
alterna, no será necesario poner colector de delgas ya que la
corriente cambia de sentido cada ciclo o vuelta a la vez que gira
el motor.
Este tipo de motor no se utiliza en la vida real,
aunque si se utiliza con el efecto contrario, como alternador eléctrico para
obtener corriente alterna, como puedes ver
si te interesa en el siguiente enlace:
Generadores Eléctricos.
Los motores eléctricos de corriente alterna que se utilizan en la vida
real son los
asíncronos que estudiaremos a continuación. Si quieres puedes ver antes:
corriente alterna.
Motores de Corriente Alterna
El principio de funcionamiento de estos motores se basa en
el campo magnético giratorio que crea una corriente alterna
trifásica (3 fases) descubierto por Tesla y en el descubrimiento de las
corrientes inducida de Faraday.
Michael Faraday descubrió que un conductor eléctrico moviéndose dentro de
un campo magnético (imán) generaba una tensión o diferencial de potencial
(d.d.p) entre sus dos extremos (igual que la pila tiene tensión entre sus
dos extremos).
También ocurre lo mismo si el imán se mueve y el conductor
está fijo.
En cualquier caso, si el conductor corta las líneas del campo magnético del
imán se crea en el una tensión. Si unimos los extremos, por
ejemplo en cortocircuito o con una bombilla, circulará una corriente por el
conductor.
Si la que se mueve dentro del campo es una espira, si esa
espira (los 2 conductores) cortan las líneas del campo magnético, es decir,
se mueve dentro del campo, en los extremos de la espira se produce
(induce) una tensión o diferencia de potencial inducida, de tal
forma que si cuando está en movimiento conectamos un receptor en los
extremos de la bobina, por ejemplo una bombilla, al cerrar el
circuito con la bombilla, comenzará a circular por la espira
una corriente eléctrica (intensidad) inducida y debido a esa
tensión inducida, la bombilla luce.
Esta tensión generada en la espira al ser inducida se conoce como fuerza
electromotriz inducida (fem), pero simplemente es una tensión entre dos punto.
Si
cortocircuitamos las espiras, se generará por la espira una corriente
inducida (corriente de cortocircuito).
Nikola
Tesla descubrió que una corriente alterna trifásica
genera un campo magnético giratorio al circular la corriente de
cada una de las 3 fases por una bobina de un electroimán diferente (imán con bobina
enrollada = electroimán). Fíjate en la siguiente animación:
Cuando la corriente es de valor 0 no hay campo en esa fase, luego va
aumentando y cada medio ciclo de la onda el campo cambia de sentido.
Además, si tenemos un campo magnético estático dentro de otro campo
magnético giratorio, el campo estático girará siguiendo al campo giratorio.
Imagina 2 imanes enfrentados, uno de ellos sujetándolo en nuestras manos y
el otro con un eje que lo atraviese y que pueda girar.
Al enfrentarlos con
polos opuestos el del eje gira. Si movemos el que tenemos en nuestras manos
(el giratorio), podemos seguir moviendo el del eje (estático), es decir
podemos hacer que siga girando.
Si los campos enfrentados son opuestos se
repelen y por eso se mueve el campo estático. También si los polos
enfrentados fueran distintos el que gira seguiría al giratorio externo
girando por atracción.
Veamos esto con un ejemplo muy sencillo y un campo giratorio manual como
el de la siguiente figura.
En la imagen puedes ver un campo giratorio manualmente externo, y un imán
estático en su interior.
El movimiento giratorio del externo provocará que
gire el interno ya que intentará seguirle por la atracción de los polos
diferentes que están enfrentados.
La velocidad de giro del campo
externo giratorio será la misma que la de rotación del imán interno.
Velocidad de sincronismo se llama, y así son y giran los Motores Síncronos
de Corriente Alterna.
El campo giratorio del estator
(inductor) gira a la misma velocidad que el rotor.
Estos motores
tienen el rotor compuestos por imanes permanentes, por ese
motívo son asíncronos.
El estator es un bobinado de imanes formando
electroimanes.
Estos motores no estudiaremos mucho más porque no se utilizan
prácticamente, salvo en raras excepciones y sobre todo, como ya dijimos
antes, como alternadores, pero no como motores.
Pero...¿Y si el imán interno fuera un campo magnético inducido en
lugar de un imán?
Pues también girará siguiendo el campo giratorio, pero a menor velocidad.
Veamos por qué.
Si el imán interno fuera una espira que está en movimiento, según Faraday
al moverse el campo giratorio, en la espira se produciría una tensión en sus
extremos.
Recuerda que una espira moviéndose dentro de un campo genera
tensión en sus extremos.
Este caso es al revés pero lo mismo, se mueve el
campo sobre la espira, pero la espira corta las líneas del campo giratorio
igualmente y se genera en ella una tensión.
Si ahora esta espira la ponemos en cortocircuito, se produce una
corriente inducida en la espira, y como ya sabemos por Oersted, al
circular esta corriente inducida por la espira, en la espira se crea
un campo magnético.
Ya tenemos nuestros dos campos magnéticos, uno
giratorio (en este caso manual) y otro estático e inducido por la corriente
inducida en la espira.
En este caso la espira girará un poco más lento que el campo
giratorio, ya que si girasen a la misma velocidad la espira no
cortaría las líneas del campo giratorio y no se produciría corriente
inducida.
Conclusión, si girase a la misma velocidad el motor se pararía.
Estos motores son los Motores Asíncronos de Corriente Alterna.
Ya sabemos el principio de funcionamiento de los motores de corriente
alterna, pero el problema ahora es como crear un campo giratorio con
corriente alterna y no manual para crear nuestro motor eléctrico. Eso será
lo que veremos a continuación.
Motores de Corriente Alterna Asíncronos
Todos los motores de corriente alterna asíncronos, ya sean monofásicos o
trifásicos, tienen dos partes diferenciadas:
- El estator: Es la parte fija del motor. Está
constituido por una carcasa en la que está fijada una corona de chapas de
acero al silicio provistas de unas ranuras.
Los bobinados están dispuestos
en dichas ranuras formando las bobinas que se dispondrán en tantos circuitos
como fases tenga la red a la que se conectará la máquina.
En los motores
trifásicos 3 bobinas y circuitos diferentes (un circuito por bobina), pero
en lo monofásicos necesitamos 2 en lugar de uno por el problema del arranque
del motor como luego veremos.
Esta parte es la que creará el campo magnético
giratorio, por eso se llama Inductor, ya que inducirá una corriente en la
otra parte, o lo que es lo mismo inducirá el movimiento.
- El rotor: Es la parte móvil del motor. Esta situado en
el interior del estator y consiste en un núcleo de chapas de acero al
silicio apiladas que forman un cilindro, en el interior del cual se dispone
un bobinado eléctrico.
Los tipos más utilizados son: Rotor de jaula de
ardilla y Rotor bobinado.
También se llama inducido porque es donde se inducirá las
tensiones, corrientes y por lo tanto el movimiento de nuestro motor.
El rotor en jaula de ardilla es rotor con una serie de barras de aluminio
o cobre (conductores) a su alrededor y unidas en cortocircuito por dos
anillos en sus extremos.
El de rotor bobinado es un rotor con bobinas a su
alrededor. Fíjate en la imagen.
Motor Trifásico
Son motores eléctricos alimentados por un sistema trifásico de corrientes
(3 fases). Son los motores más usados, ya que en estos
motores no tenemos el problema del arranque como en los monofásicos.
Según lo estudiado al principio para los motores en alterna, si creamos un
campo giratorio en el estator, y en el rotor creamos otro campo magnético,
el campo magnético del rotor seguirá al campo giratorio del estator, girando
el rotor y por lo tanto el motor.
Si tuviéramos un motor con un estator con solo 3 espiras y cada espira la
alimentamos con una fase diferente, resulta que tendremos 3 campos generados
diferentes en cada momento y variables con el tiempo.
Recuerda que las
fases están desfasadas 120º, como muestra la imagen de más abajo. La
interacción de los 3 campos que producen las 3 fases crea un campo magnético giratorio
en el estator del motor.
Ver Animación del Campo Giratorio.
En el momento o punto 1, habrá 3 campos creados, dos negativos creados por
L2 y L3 y uno positivo creado por L1 y que al tener la corriente el valor
máximo será el campo máximo que puede crear L1.
La suma vectorial de los 3
campos nos da el vector de color negro dentro del motor.
En el punto 2 ahora será L2 la que crea el campo máximo y los otros dos
serán negativos. La suma de los 3 dan como resultado el vector en esa
posición. Se puede comprobar como ha girado.
En la posición 3 el máximo campo lo crea L3 y los otros dos son negativos.
El vector del campo y el campo sigue girando.
Ya tenemos nuestro campo giratorio creado por las corrientes trifásicas.
Este campo giratorio, además cortará las bobinas del rotor produciendo en ellas una
corriente inducida ya que están en cortocircuito y esta corriente a su vez generarán
otro campo magnético en el rotor.
El campo magnético
creado en el rotor seguirá al campo giratorio del estator. El campo del rotor es contrario al del estator, ya que según un
físico llamado "Lenz" en su ley dice:
Ley de Lenz: las fuerzas electromotrices (tensiones) inducidas, como las
que se inducen en el rotor y luego producen corrientes, tienen un sentido
tal que sus efectos tienden a oponerse a la causa que las produce, es decir
se oponen a que les corte el campo giratorio, por eso le siguen, para
intentar que no le corten líneas de este campo.
Además serán el campo
giratorio externo tendrá los polos opuestos que el interno del rotor, por lo
que se verá rechazado "empujado" y girará.
Gira el rotor porque es algo parecido a como anteriormente explicamos con dos imanes, uno en nuestras manos y otro con un eje
que puede girar.
Recuerda que son 2 campos magnéticos, uno dentro de otro,
uno giratorio y el otro creado fijo pero sobre un rotor que puede girar.
Ahora sería bueno que vieras el siguiente video, es de un motor
monofásico, pero te servirá para comprender el efecto de inducción
electromagnética y por qué giran los motores.
Luego veremos el motor monofásico explicado.
De hecho si el rotor solo fuera una chapa magnética o un imán con campo
fijo, esta se vería atraída por el campo giratorio y también giraría, pero
recuerda, en este caso sería un motor síncrono trifásico, como el de la
figura de abajo.
Es mejor tener el rotor bobinado (espiras) para que se creen en el unas
corrientes inducidas al cortar las líneas de campo del estator y el campo
producido sea mayor y el motor tenga más fuerza. Este sería el motor
asíncrono trifásico.
Se llaman Motores Asíncronos porque la velocidad de giro
del campo del estator es un poco mayor que la del campo generado en el
rotor, tienen lo que se conoce por deslizamiento, debido a las pérdidas por
rozamiento y que además, si las velocidades fueran iguales no se
produciría corrientes induicidas en el rotor, ya que las líneas de campo magnético
generadas en el estator no cortarían las bobinas del rotor.
Estos motores asíncronos arrancan sin ayuda, pero es necesario
controlar la corriente y tensiones producidas en el rotor en el arranque ya
que pueden ser muy elevadas.
Recuerda que están en cortocircuito, por eso suele hacerse el arranque con
las conexiones estrella-triángulo.
El arranque de los motores se explicará en otro
capítulo. Si te interesa, puedes ver el arranque estrella triángulo
explicado en el siguiente enlace: Contactor.
Para saber más sobre los motores trifásicos te recomendamos:
Motor Trifasico.
Motor Monofásico
Los motores monofásicos son alimentados por una corriente alterna senoidal
de una sola fase y el neutro, lo que provoca que el campo creado por la
bobina del estator sea variable pero de una solo dirección.
Al no ser
un campo giratorio el creado por una sola fase, el motor no gira al intentarlo arrancar.
Fíjate en la curva Par-Velocidad de un motor monofásico.
Resulta evidente que el motor no tiene par de arranque y por tanto no
podría vencer en vacío ni sus propios rozamientos.
Esto es lógico porque un
devanado monofásico recorrido por una corriente alterna monofásica, no
produce el campo giratorio necesario.
Para provocar un campo giratorio se crean unas corrientes bifásicas en el
estator (dos fases) desfasadas 90º. Esto se consigue
añadiendo un devanado
(bobinado) auxiliar alimentado con la misma fase, pero con un condensador en
serie. El condensador desfasa la fase 90º en el devanado auxiliar.
El devanado auxiliar se coloca en otro par de polos, con lo estos motores
suelen tener 4 polos.
Ahora imagina que el motor esté ya
girando a sus revoluciones por minuto (rpm) nominales, por ejemplo 1.000rpm.
Si desconectamos el devanado auxiliar y el condensador el motor sigue
girando sin problemas a sus 1.000rpm y no se para.
Esto es porque el rotor,
como está girando y por inercia, el campo creado le ayuda a seguir girando
si pararse.
La desconexión del devanado auxiliar u el condensador se hace
con un interruptor centrífugo.
Conclusión: los motores monofásicos de corriente alterna necesitan
una ayuda para arrancar, pero una vez arrancado ya no necesita la ayuda
inicial.
Fíjate en la curva par velocidad como aumenta el par en el motor
cuando ponemos el devanado auxiliar con el condensador. Este tipo de motores
se llaman "Motores de Fase Partida".
Hay otro tipo de motores monofásicos llamados de Espira en Cortocircuito,
Espira de Sombra o Espira de arranque.
Son motores para potencias inferiores
a 300w y puede arrancarse directamente por si mismo, lo que se consigue por
el efecto que producen las llamadas espiras en cortocircuito.
El sistema
consiste en dividir los polos en dos partes desiguales y en una de ellas
colocar una espira en cortocircuito.
Fíjate en la siguiente imagen en la que
puedes ver los 2 tipos de motores monofásicos.
Nota: Si quieres saber mucho más sobre los motores monofásicos visita: Motores Monofasicos.
Un motor eléctrico también se puede llamar motor electromagnético, ya que mezcla la electricidad con el magnetismo y también motores de inducción electromagnética, ya que un campo electromagnético produce o induce un movimiento del rotor.
Faraday descubrió el efecto contrario y construyó el primer
generador de corriente. Si quieres saber como funciona el generador de
corriente visita el siguiente enlace:
Dinamo.
Partes de un Motor
Eléctrico
Lógicamente cuantas más espiras y más imanes tenga nuestro motor,
mayor será su fuerza, ya que se sumarían todas las
fuerzas de todas las espiras e imanes.
Su colocamos las espiras sobre (enganchadas) a un eje, las espiras
al girar harán que gire el eje. Esta parte móvil, el eje
con las espiras, es lo que se llama el
Rotor del motor.
Estas
espiras se llaman bobinado del
motor, tiene un principio, en la primera espira,
y un final en la última espira. En definitiva es un solo
cable que lo enrollamos en muchas espiras.
Por el
principio de este bobinado será por donde entre
(metamos) la corriente eléctrica y saldrá por el final.
Si ahora colocamos varios imanes fijos alrededor de este rotor,
tendremos una parte fija que se llama el
Estator.
Todo este bloque, rotor y estator, irá colocado sobre una base para
que pueda girar el rotor (sobre rodamientos) y que
además cubrirá todo el bloque para que no se vea.
Este
bloque es lo que se llama la
Carcasa del motor.
Además todos los motores eléctricos tienen escobillas por donde entra y sale la corriente al bobinado y además los de c.c. (corriente continua) tienen delgas.
Fíjate en la imagen siguiente, puedes ver todas las piezas de un motor eléctrico:
Los motores eléctricos que se utilizan hoy en día tiene muchas espiras llamadas bobinado (de bobinas) en
el rotor (parte giratoria) y un
imán grande llamado estator colocado en la parte fija del motor alrededor del rotor.
También hay motores que su bobinado lo tienen en el estator y el rotor sería el imán como podemos ver en la figura del estator bobinado de abajo.
Vamos a ver como se podría construir un motor eléctrico muy sencillo en el siguiente video. Si te fijas es de rotor bobinado, ya que la parte que gira es donde están las espiras y el estator es el imán.