MOTOR ELECTRICO
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Hay muchos tipos de motores eléctricos, puedes verlos todos aquí: Tipos de Motores Eléctricos.
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.
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¿Qué es un Motor Eléctrico?
Los motores eléctricos son máquinas eléctricas rotatorias.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 BLos 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.
Hay muchos tipos de motores eléctricos, puedes verlos todos aquí: Tipos de Motores Eléctricos.
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.
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