Motores

Física dinámica. Motor eléctrico, de combustión interna y asíncrono. Funcionamiento. Corriente directa. Magnetismo

  • Enviado por: Danita
  • Idioma: castellano
  • País: Chile Chile
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MOTOR

¿Cómo funciona un motor?

Un motor eléctrico está compuesto de imanes: un motor los usa para crear movimiento. Si conoce un imán conoce acerca de la ley fundamental de todos los imanes: Cargas opuestas se atraen e iguales se repelen. Así que si tiene dos imanes con sus extremos como norte y sur, entonces el extremo norte se atraerá con el sur. De otro lado, el extremo norte del imán repelerá el extremo norte del otro (y similarmente el sur repelerá el sur). Dentro de un motor eléctrico esas fuerzas atractoras y repulsoras crean movimiento rotacional.

Un imán es la base de un motor eléctrico. Puede entender cómo funciona un motor si se imagina el siguiente escenario. Digamos que usted creó un imán simple envolviendo 100 veces alambre alrededor de un tornillo y conectándolo a una batería. En tornillo se convertirá en un imán y tendrá un polo norte y sur mientras la batería esté conectada. Ahora digamos que usted toma el tornillo imán, coloca un eje en la mitad, y lo suspende en la mitad de la herradura del imán como se muestra en la figura siguiente. Si usted fuera a atar una batería al imán de tal forma que el extremo norte del tornillo que se muestra, la ley básica del magnetismo le dirá que pasará: el polo norte del imán será repelido del extremo norte de la herradura del imán y atraída al extremo sur de la herradura del imán. El extremo sur del imán será repelido de forma similar. El tornillo se movería una media vuelta y se colocaría en la posición mostrada.

El propósito de un motor de auto a gasolina es, convertir la gasolina en movimiento para que se pueda mover. Actualmente la manera más fácil de crear movimiento con la gasolina es quemarla dentro del motor. Entonces, un motor de auto está generalmente relacionado con una máquina de combustión interna. Hay dos cosas que resaltar:

* También existen los motores de combustión externa. Motores a vapor en los viejos trenes y botes son los mejores ejemplos de máquinas de combustión externas. El combustible (carbón, madera, aceite, lo que sea) en una máquina de vapor quema fuera de la máquina para crear vapor y el vapor genera movimiento dentro de la máquina. El resultado en combustión interna es mucho más eficiente (gasta menos combustible por milla) que la combustión externa, además de ello las máquinas de combustión interna son mucho más pequeñas que su equivalente en combustión externa. Esto explica porqué no vemos autos de Ford y GM utilizando motores a vapor.

* Existen también diferentes tipos de de combustión interna. El motor con turbina de gas es otro de combustión interna. Las turbinas de gas tienen interesantes ventajas y desventajas, pero su principal desventaja ahora mismo es su alto precio de fabricación (son más costosos que los motores de pistón usados en los autos de hoy).

Casi todos los autos de hoy utilizan combustión interna recíproca porque esas máquinas son relativamente eficientes (comparados con máquinas de combustión externa), relativamente baratas (comparadas a las turbinas de gas) y relativamente fácil de cargar (comparada a un auto eléctrico). Esas ventajas sobresalen para mover un auto.

Para entender el motor de un auto debe entender cómo funciona la combustión interna en un motor de pistones.

Combustión(interna):
Para entender la idea básica detrás de cómo funciona un motor de combustión interna recíproca, imagine el siguiente aparato. Digamos que se toma un pedazo de tubería de plástico, tal vez de 3 pulgadas de diámetro y 3 pies de largo. Digamos que se coloca una tapa en un extremo. En ese extremo se hizo un pequeño hueco, y a través de él se introdujo algo como una bujía o algo que pueda crear una chispa. Digamos entonces que se rocía un poco de gasolina. Por último colocamos una papa (o algo así) dentro del tubo.

Partes de un Motor
La figura de la izquierda indica todas las partes en un motor de 4 ciclos simple. He aquí una simple descripción de cada una, además de un vocabulario que le ayudará a entender de qué se habla cuando de autos se trata.

Cilindro: el pistón se mueve de arriba a abajo dentro del cilindro. El motor descrito aquí tiene un cilindro. Lo que es típico en las máquinas cortadoras de césped, pero los autos tienen más de un cilindro (4, 6 y 8 son los más comunes). En motores multi-cilindros estos están colocados en una de tres formas: en línea, en V u opuestos.


Diferentes configuraciones tienen diferentes efectos, costos de fabricación y características que las hacen más convenientes a algunos vehículos.

Productor de chispa: Este provee la chispa que enciende la mezcla de aire/combustible para que pueda ocurrir la combustión. La chispa debe suceder justo en el momento exacto.

Válvulas: Las válvulas de succión y descarga se abren en el instante en que la mezcla entra y cuando sale. Note que las válvulas están cerradas durante la compresión y la combustión mientras que la cámara de combustión está sellada.

Pistón: un pistón es una pieza de metal cilíndrica que se mueve de arriba a abajo dentro del cilindro.

Anillos del Pistón: proveen un sello movible entre los bordes exterior e interior del cilindro. Los anillos sirven para dos propósitos 1) Previenen que la mezcla de aire/combustible en la cámara de combustión se filtre durante la compresión y combustión, y 2) Mantienen al aceite lejos del área de combustión, donde sería quemado. La mayoría de autos "queman aceite" y se les debe añadir un cuarto por cada 1000 millas.

Cámara de combustión: esta es el área donde la compresión y la combustión tienen lugar. Mientras el pistón se mueve de arriba a abajo, puede ver que el tamaño de la cámara de combustión cambia. Tiene un volumen máximo y un mínimo. La diferencia entre el máximo y el mínimo es llamada desplazamiento, y es medida en litros o en centímetros cúbicos (CC's) donde 1000 cc equivalen a un litro. Así que si tiene un motor de cuatro cilindros y cada cilindro se desplaza medio litro, entonces el motor es "un motor de 2.0 litros". Si cada cilindro se desplaza medio litro y hay 6 cilindros colocados en V tiene un "3.0 litros V6". Generalmente el desplazamiento le dice algo acerca de cuánto poder tiene un motor. Un cilindro que desplace medio litro puede almacenar el doble de aire/combustible que desplaza un cuarto de litro, y por ello se esperará cerca del doble de poder del cilindro más grande (si todo lo demás es igual). Así que un motor 2.0 litros es la mitad de poderoso que uno 4.0 litros. Puede obtener mayor desplazamiento incrementando el número de cilindros o agrandando la cámara de combustión (o los dos).

Conector: conecta el pistón a la polea. Puede rotar y moverse para que la polea ruede.

Polea: hace que el movimiento de arriba a abajo de pistón se transforme en un movimiento circular.

¿Sabes como funciona el motor de un juguete?

Concepto físico involucrado: Fuerza sobre un conductor en un campo magnético.

Muchos de los juguetes pequeños que tienen movimiento y usan baterías utilizan un motor eléctrico que funciona de manera similar a los motores de aparatos domésticos tales como lavadoras, ventiladores etc. Y esto es debido a que cuando una alambre que lleva una corriente eléctrica y se encuentra entre los polo de un imán, dicho alambre experimenta una fuerza, la que al ser dirigida de manera correcta ocasiona la rotación del alambre y por lo tanto del motor. La dirección de la fuerza puede ser adivinada por medio de la regla de la mano derecha en donde todos los dedos excepto el pulgar apuntan en el mismo sentido que el campo magnético producido por el imán, el pulgar apunta en el mismo sentido que la corriente y la palma de la mano indica el sentido de la fuerza.

De acuerdo a la 1º ley, dentro del motor las cargas opuestas generan un movimiento de partículas rotacional. (Dentro de un motor eléctrico esas fuerzas atractoras y repulsoras crean movimiento rotacional).

Cuando una alambre que lleva una corriente eléctrica y se encuentra entre los polo de un imán, dicho alambre experimenta una fuerza, la que al ser dirigida de manera correcta ocasiona la rotación del alambre y por lo tanto del motor. La dirección de la fuerza puede ser adivinada por medio de la regla de la mano derecha en donde todos los dedos excepto el pulgar apuntan en el mismo sentido que el campo magnético producido por el imán, el pulgar apunta en el mismo sentido que la corriente y la palma de la mano indica el sentido de la fuerza.

Hay dos principios de física relacionados entre sí que explican la operación de los motores eléctricos. El primero es el principio de la inducción electromagnética, descubierto en 1831 por el científico e inventor británico Michael Lardy. El principio establece que cuando un circuito eléctrico se mueve en un campo magnético o cuando se hace variar la intensidad del campo magnético que pasa a través de un circuito eléctrico inmóvil, se inicia o "induce" una corriente eléctrica en el circuito. El segundo principio es el inverso al primero, o sea, el de la reacción electromagnética, observado por el físico francés André Marie Ampère en 1820.

De esta forma, cuando se tiene una corriente eléctrica que se transporta por un conductor, tal como un alambre de cobre situado en un campo magnético, este alambre experimentará una fuerza. Si el conductor se arrolla en una bobina con muchas vueltas en posiciones precisas y con conexiones eléctricas, la fuerza creada hará que la bobina gire sobre su propio eje. Cuando la bobina gira, hace girar al eje del motor.

Partes de un motor eléctrico

Los motores constan de dos unidades básicas: el campo, que es el electroimán con su bobinado; y la armadura, que es la estructura que soporta los conductores que cortan el campo magnético y llevan la corriente excitatriz en el motor.

Motores de Corriente Directa (DC)

Se utilizan en casos en los que es de importancia el poder regular continuamente la velocidad del eje y en aquellos casos en los que se necesita de un toque de arranque elevado.

Además, utilizan en aquellos casos en los que es imprescindible utilizar corriente continua, como es el caso de trenes y automóviles eléctricos, motores para utilizar en el arranque y en los controles de automóviles, motores accionados a pilas o baterías, etc.

Para funcionar, el motor de corriente continua o directa precisa de dos circuitos eléctricos distintos: el circuito de campo magnético y el circuito de la armadura.

El campo (básicamente un imán o un electroimán) permite la transformación de energía eléctrica recibida por la armadura en energía mecánica entregada a través del eje. La energía eléctrica que recibe el campo se consume totalmente en la resistencia externa con la cual se regula la corriente del campo magnético. Es decir ninguna parte de la energía eléctrica recibida por el circuito del campo, es transformada en energía mecánica. El campo magnético actúa como una especie de catalizador que permite la transformación de energía en la armadura..

La armadura consiste en un grupo de bobinados alojados en el rotor y en un ingenioso dispositivo denominado colector mediante el cual se recibe corriente continua desde una fuente exterior y se convierte la correspondiente energía eléctrica en energía mecánica que se entrega a través del eje del motor. En la transformación se pierde un pequeño porcentaje de energía en los carbones del colector, en el cobre de los bobinados, en el hierro (por corriente parásitas e histéresis), en los rodamientos del eje y la fricción del rotor por el aire.

Motores de Corriente Alterna (AC)

Bajo el título de motores de corriente alterna podemos reunir a los siguientes tipos de motor.

*Motor Síncrono

*El Motor Asíncrono o de Inducción

 El Motor Síncrono

Este motor tiene la característica de que su velocidad de giro es directamente proporcional a la frecuencia de la red de corriente alterna que lo alimenta. Por ejemplo si la fuente es de 60Hz, si el motor es de dos polos, gira a 3600 RPM; si es de cuatro polos gira a 1800 RPM y así sucesivamente. Este motor o gira a la velocidad constante dada por la fuente o, si la carga es excesiva, se detiene.

El motor síncrono es utilizado en aquellos casos en que los que se desea velocidad constante. En nuestro medio sus aplicaciones son mínimas y casi siempre están en relacionadas con sistemas de regulación y control mas no con la transmisión de potencias elevadas.

Como curiosidad vale la pena mencionar que el motor síncrono, al igual que el motor de corriente directa, precisa de un campo magnético que posibilite la transformación de enegía eléctrica recibida por su correspondiente armadura en energía mecánica entregada a través del eje.

A pesar de su uso reducido como motor, la maquina síncronica es la mas utilizada en la generación de energía eléctrica. Por ejemplo, en nuestro país, todas las centrales hidroeléctricas y termoeléctricas mediante generadores sincrónicos trifásicos. Además , la única fabrica de generadores eléctricos con la que contamos (ALGESA), fabrica solo generadores síncronicos , ya sea monofásicos o trifásicos.

 El Motor Asincrónico o de Inducción

Si se realizara a nivel industrial una encuesta de consumo de la energía eléctrica utilizada en alimentar motores, se vería que casi la totalidad del consumo estaría dedicado a los motores asíncronicos.

Estos motores tienen la peculiaridad de que no precisan de un campo magnético alimentado con corriente continua como en los casos del motor de corriente directa o del motor síncronico.

Una fuente de corriente alterna (trifásica o monofásica) alimenta a un estator. La corriente en las bobinas del estator induce corriente alterna en el circuito eléctrico del rotor (de manera algo similar a un transformador) y el rotor es obligado a girar.

De acuerdo a la forma de construcción del rotor, los motores asíncronicos se clasifican en:

*Motor Asincrónico de Rotor Bobinado

*Motor Asincrónico tipo Jaula de Ardilla

Motor Asincrónico de Rotor Bobinado

Se utiliza en aquellos casos en los que la transmisión de potencia es demasiado elevada (a partir de 200 kW) y es necesario reducir las corrientes de arranque. También se utiliza en aquellos casos en los que se desea regular la velocidad del eje.

Su característica principal es que el rotor se aloja un conjunto de bobinas que además se pueden conectar al exterior a través de anillos rozantes. Colocando resistencias variables en serie a los bobinados del rotor se consigue suavizar las corrientes de arranque . De la misma manera, gracias a un conjunto de resistencias conectadas a los bobinados del rotor, se consigue regular la velocidad del eje. Un detalle interesante es que la velocidad del eje nunca podrá ser superior que la velocidad correspondiente si el motor fuera síncrono.

Motor Asincrónico tipo Jaula de Ardilla

Finalmente aquí llegamos al motor eléctrico por excelencia. Es el motor relativamente más barato, eficiente, compacto y de fácil construcción y mantenimiento.

Siempre que sea necesario utilizar un motor eléctrico, se debe procurar seleccionar un motor asíncronico tipo jaula de ardilla y si es trifásico mejor.

Por otro lado, la única razón para utilizar un motor monofásico tipo jaula de ardilla en lugar de uno trifásico será porque la fuente de tensión a utilizar sea también monofásica. Esto sucede en aplicaciones de baja potencia. Es poco común encontrar motores monofásicos de más de 3 kW.

La diferencia con el motor de rotor bobinado consiste en que el rotor esta formado por un grupo de barras de aluminio o de cobre en formas similar al de una jaula de ardilla.

Otros Motores

Hemos mencionado los motores eléctricos de mayor uso en nuestro medio. Existen otros que son utilizados en casos especializados o domésticos. Entre ellos conviene destacar los siguientes:

*El motor universal

*El motor de pasos

Motor universal

Tiene la forma de un motor de corriente continua en conexión serie. La principal diferencia es que es diseñado para funcionar con corriente alterna. Se utiliza en los taladros, aspiradoras, licuadoras, lustradoras, etc. su eficiencia es baja (de orden del 51%), pero como se utilizan en maquinas de pequeña potencia esta ineficiencia no se considera importante.

Motor del paso

Básicamente consiste en un motor con por lo menos cuatro bobinas que al ser energizadas con corriente continua de acuerdo a una secuencia, origina el avance del eje de acuerdo a ángulos exactos (submultiplos de 360). Estos motores son muy utilizados en impresoras de microcompuatdoras, en disketeras en general, el sistema de control de posición accionado digitalmente.

Aplicaciones Generales de los diferentes tipos de Motores eléctricos

Como ya se ha comentado, a nivel industrial los motores que usualmente se utilizan son los síncronicos trifásicos tipo jaula de ardilla y su uso es tan generalizado que al referirse a los motores eléctricos, muchas personas piensan en el motor tipo jaula de ardilla, suponiendo que este es el único que existe.

Son muchos los factores que deben tenerse en cuenta al elegir un motor. La solución por lo general no es única, pudiendo existir diversas opiniones respecto al cual es el motor adecuado. Sin embargo, puede resumirse que el motor apropiado es aquel que e ajusta a los requerimientos técnicos solicitados con un costo mínimo. Este ultimo requisito no es factor difícil de calcular. Deben incluirse, no solo el costo de adquisición, sino también los gastos de explotación. El costo de adquisición incluye la provisión de cualquiera de los equipos de alimentación y control necesarios para hacer funcionar al motor.

Los gastos de explotación incluyen asimismo los intereses del equipo principal y edificios y los gasto por la energía consumida en los circuitos de la maquina y en su control.

Los valores del factor de potencia y el rendimiento son importantes. El mantenimiento es también un gasto corriente que explotación y normalmente es mas elevado cuanto mas complicado es el equipo de control, o cuando las maquinas son de anillos rozantes o tienen colectores.

Los gastos de instalación también pueden ser decisivos. Por ejemplo: se necesitan cimentaciones especiales para los equipos motor- generador, pero no para los equipos convertidores estáticos. Estos últimos equipos requieren además de menos espacio y son menos ruidosos que las maquinas rotativas. Por ello contrario en que estos equipos existe una considerable generación de armónicos, lo cual plantea el problema de su supresión.

Algunos motores se excluyen de una aplicación determinada debido a que el ambiente de trabajo es hostil, tal como las condiciones de elevada temperatura., elevado vacío, elevada velocidad o debido a la presencia de líquidos o ambientes corrosivos. En este caso es esencial el empleo de un tipo de maquina si escobillas.

Los motores de inducción son generalmente el tipo de maquinas mas barata. Particularmente en el caso de un rotor de simple jaula. Su precio aumenta a medida que se exige mas por parte del control de la velocidad o del torque o de las corrientes de arranque y lo cual podría requerir el empleo de una maquina síncrona podría llegar a ser competitiva.

Si se necesita un control de velocidad ajustable a cualquier valor dentro de un rango determinado, entonces se requieren motores de corriente continua, a menos que este justificado el empleo de un equipo de alimentación podría compensarse en parte con la de los aparatos de corriente continua o corriente alterna alimentados con tensión variable.

 

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