PRINCIPIOS DEL FUNCIONAMIENTO DE LOS MOTORES Cuando se hace pasar una corriente a través del conductor, se producen líneas de fuerza circulares a su alrededor, tal como se muestra en la figura siguiente.
La dirección de estas líneas de flujo se determina mediante la REGLA DE LA MANO IZQUIERDA. Al interactuar las líneas de flujo principal y las líneas de campo producidas en el conductor se experimenta una fuerza sobre èl que lo moverá en cierta dirección. La dirección en que se moverá el conductor se determina mediante la REGLA DE LA MANO DERECHA a motores.
REGLA MANO IZQUIERDA PARA DETERMINAR LA DIRECCION DEL CAMPO MAGNETICO ALREDEDOR DE UN CONDUCTOR RECTO.
REGLA DE LA MANO DERECHA PARA DETERMINAR LA DIRECCION EN QUE SE MUEVE UN CONDUCTOR CON CORRIENTE DENTRO DE UN CAMPO MAGNETICO.
PAR Y MOVIMIENTO ROTATORIO MOTORES DE CC En el ejemplo anterior al colocar un conductor recto que transporta corriente dentro de un campo magnético éste solo experimenta una fuerza mientras permanezca dentro del campo y desaparece cuando sale de él aunque siga circulando corriente por el conductor. Un motor práctico debe producir un movimiento rotatorio continuo. Para esto es necesario desarrollar una fuerza de torsión básica llamada PAR. Si el conductor recto se dobla en forma de espira, se observara como se produce el PAR. Si la espira se conecta a una batería, la corriente fluye en una dirección en un lado de la espira y en la dirección opuesta en el otro. Por lo tanto, las líneas de fuerza concéntricas que se producen alrededor de la espira también siguen una dirección en un lado y la opuesta en el otro, entonces el campo de la espira interactuara con el campo producido por los imanes en ambos lados de la espira, haciendo que la espira funcione como una palanca con una fuerza que empuja sobre sus dos lados en direcciones opuestas (tal como se muestra en la figura siguiente).
Las fuerzas combinadas constituyen una fuerza de torsión o PAR, debido a que la espira está dispuesta para girar sobre su eje. En un motor, la espira que se mueve en el campo se llama armadura o rotor y la parte que produce el flujo principal se llama CAMPO. En los motores prácticos, el par determina la cantidad de energía que puede aprovecharse para producir trabajo útil. Cuanto mayor sea el par mayor será dicha energía.
PRODUCCION DE UNA ROTACION CONTINUA Cuando la espira esta perpendicular al campo, la interacción entre los campos produce fuerzas que están en equilibrio y no se desarrolla par. Esta posición se conoce como PLANO NEUTRO.
Sin embargo, la inercia hace que un objeto que se mueve conserve su movimiento, aun después de que la fuerza motriz ha sido retirada, por lo cual, la armadura sigue girando y pasa mas allá del plano neutro. Pero cuando la armadura continua girando los lados de la espira comienzan a entrar a las líneas de flujo comprimiéndolas nuevamente. Como resultado, las líneas de flujo ejercen una fuerza que empuja hacia atrás los lados de la espira y se produce un par en la rotación opuesta. Así en lugar de una rotación continua, se produce un movimiento oscilatorio hasta que la armadura se detiene en el plano neutro. Para obtener una rotación continua, es necesario que la armadura se mantenga girando en la misma dirección al pasar por el plano neutro lo cual se logra invirtiendo la dirección del campo polar o bien, LA DIRECCION DE FLUJO DE CORRIENTE QUE PASA A TRAVES DE LA ARMADURA en el instante que esta pasa por el plano neutro. El dispositivo interruptor práctico que puede cambiar la dirección del flujo de corriente en una armadura para mantener la rotación continua se llama CONMUTADOR. El conmutador consiste en un anillo conductor que se divide en segmentos (en este caso 2) cada uno de los cuales está conectado a un extremo de la espira de la armadura a su vez se conecta a través de escobillas (carbones) a una fuente externa de cc como una batería. FUNCIONAMIENTO DEL CONMUTADOR En la figura siguiente se muestra a un motor básico de una espira colocado en posición horizontal alimentado por una fuente de voltaje de la batería a través de las escobillas, cuando circula corriente por ambos lados de la espira en la dirección mostrada se produce un campo alrededor
de la espira en la dirección determinada por la regla de la mano izquierda para conductores que interactúa con el campo magnético de los polos y produciéndose un par que gira la espira en contra de las manecillas del reloj (ver figura siguiente) .
Cuando la espira llega al plano neutro se interrumpe el paso de la corriente por la espira porque el conmutador deja de hacer contacto con las escobillas, y por lo tanto no habrá par pero la espira por la inercia tiende a cruzar esa posición llamada PLANO NEUTRO (ver figura siguiente)
Cuando la armadura rebasa el plano neutro observamos que los lados de la espira han cambiado de posición y que su corriente en ese lado también ha cambiado (en el lado claro la corriente circulaba hacia la izquierda pero ahora cambio y circula hacia la derecha), pero debido a esas inversiones del conmutador la dirección de la corriente en la armadura se mantiene siempre igual
es decir la corriente sigue entrando por el lado de la armadura que ahora está más cercano al polo sur (ver siguiente figura).
Como la dirección del campo del imán permanece invariable, la interacción de los campos después de la conmutación mantiene el par en la dirección original; de ese modo, la rotación continua en la misma dirección. Cuando la espira se vuelve a acercar al plano neutro y cruza por él ocurre otra vez la conmutación y el cambio de dirección de corriente en cada lado de la espira permitiendo así que se mantenga el par en la misma dirección y continúe el giro del motor. Este tipo de motor elemental de una sola espira tiene el inconveniente de que si la espira esta en la posición del plano neutro no podría arrancar además de que el par producido por este motor es irregular ya que solo tendría su par máximo cuando el plano de la armadura sea paralelo a las líneas de campo principal, en cualquier otra posición el par producido es menor. Lo anterior no hace posible que este tipo de motor elemental tenga aplicaciones prácticas. MOTOR C.C. CON ARMADURA DE DOS ESPIRAS Una solución para que el anterior motor pueda arrancar por si solo es colocar 2 espiras en ángulo recto como se muestra en la figura de más adelante, pero sigue presentando el problema de par irregular además que que una sola espira es la que contribuye con el par ya que es la que está conectada a las escobillas a través del colector y la otra constituye un peso muerto que contrarresta ese aumento de par.
MOTOR DE CC CON ARMADURA DE DOS ESPIRAS
. Para aumentar la eficiencia de la armadura hay que aumentar el número de espiras en ella y conectar todas las espiras en serie de tal forma que circule corriente por cada una de ellas y así contribuyan al mismo tiempo con su par favoreciendo el funcionamiento del motor. MOTOR DE CC CON ARMADURA DE 4 ESPIRAS En las siguientes figuras se muestra el diagrama de un motor práctico de 4 espiras donde las espiras están conectadas con segmentos adyacentes del conmutador; la combinación de espiras y segmentos del conmutador constituyen un gran circuito en serie.
FIG. 1 Con las escobillas colocadas asi, la corriente pasa a través de todas las espiras al mismo tiempo y trabajan juntas para producir un par máximo
FIG. 2 Las escobillas conectan en corto circuito los segmentos del conmutador que alimentan las espiras en el plano neutro
En la figura 1 se observa que al colocar las escobillas en la posición mostrada la armadura queda dividida en dos circuitos en serie, que están en paralelo entre sí: un circuito en serie formado por el segmento A, la espira 1, el segmento B, la espira 2, y el segmento C; este cto. esta en paralelo con el cto. en serie que forma el segmento C, la espira 3, el segmento D, la espira 4, y el segmento A. Así los 4 devanados llevaran la corriente y cooperaran para facilitar el funcionamiento del motor.
En este tipo de armadura, las escobillas son más anchas que las separaciones entre los segmentos del conmutador, de manera que el circuito nunca se abre cuando las escobillas pasan de un segmento al siguiente. CONMUTACION EN LA ARMADURA DE 4 ESPIRAS La conmutación en este tipo de motor se lleva a cabo haciendo que las escobillas conecten en corto segmentos contiguos del conmutador para interrumpir el flujo de corriente en una espira de armadura asociada, cuando esto pase por el plano neutro. Cuando la conmutación se hace correctamente el motor funciona a la máxima velocidad posible y con un mínimo de chisporroteo. En la fig. 2 se muestra que la espira 1 y la espira 3 llegan al plano neutro y entonces estas se conectan en corto de manera que dejan de transmitir corriente. Al mismo tiempo, las otras dos espiras 2 y 4, siguen conectadas en este circuito y siguen llevando corriente. En la práctica, las armaduras se devanan intencionalmente, de manera que los pares de devanados afectados por la acción de las escobillas lleguen al plano neutro simultáneamente. PLANO NEUTRO Como lo indica la figura A que representa un motor de dos polos, el plano neutro debe encontrarse en el eje que forme ángulo recto con las líneas de flujo del campo y debe estar a la mitad de las piezas polares. A veces a este eje se le llama plano neutro geométrico del motor. El plano neutro en un motor es el mismo para todas las espiras de la armadura. En la practica la posición del plano neutro real tiende a desplazarse del eje geométrico neutro cuando el motor funciona. El desplazamiento depende de la velocidad y dirección del funcionamiento del motor. Por lo tanto, el eje de escobillas se moverá hacia la nueva posición del plano neutro, o bien, tendrán que tomarse medidas para evitar que el plano neutro se desplace. La causa principal de este desplazamiento del plano neutro cuando el motor funciona es un efecto que se conoce como REACCION DE ARMADURA.
FIG. “A” UBICACIÓN DEL PLANO NEUTRO
FIG. “B” DESPLAZAMIENTO DEL PLANO NEUTRO DEBIDO A LA REACCION DE ARMADURA.
REACCION DE ARMADURA Cuando la armadura de un motor lleva corriente, se establece un flujo magnético alrededor de los conductores del devanado de armadura. Así pues se tienen dos campos magnéticos en el espacio que hay entre las piezas polares del campo: El campo magnético principal y el campo producido por la armadura. Estos dos campos se combinan para producir un nuevo campo magnético resultante. Este campo magnético resultante se distorsiona de tal manera que se desplaza en sentido opuesto a la dirección de rotación de la armadura. Esta distorsión del campo original se llama REACCION DE ARMADURA. Como el plano neutro del motor esta en ángulo recto con el flujo del campo, éste también se desplaza en dirección opuesta a la de rotación de la armadura tal como se muestra en la parte inferior de la FIG. “B”. La reacción de armadura varía según la cantidad de corriente que circula por ella. Cuando mayor sea la corriente, mayor será el desplazamiento del plano neutro con respecto al plano neutro geométrico. Si el motor ha de funcionar a diferentes velocidades, direcciones y con cargas variables, la corriente en la armadura variara considerablemente y en consecuencia la reacción de armadura también variara y con ello la posición del plano neutro. Es decir que para una conmutación efectiva, las escobillas deben cambiar de posición cada vez que cambie el plano neutro lo cual es un procedimiento que resultaría muy complicado realizarlo. INTERPOLOS Para que un motor funcione con conmutación eficiente se requeriría un cambio en la posición de las escobillas para cada desplazamiento del plano neutro. Una forma de mantener el plano neutro en una posición y que no se desplace como resultado de la reacción de armadura es usar devanados especiales llamados polos de conmutación o interpolos.
Los interpolos son piezas polares de electroimanes especiales colocados en el eje del plano neutro, entre las piezas polares principales que se conectan en serie con el devanado de armadura de tal manera que la corriente de armadura establece campos magnéticos en ellos con dirección tal que anulan los campos magnéticos producidos alrededor de las bobinas de armadura y contrarrestan la tendencia de la reacción de armadura a desplazar el plano neutro. Como resultado, el plano neutro se mantiene lo suficientemente cerca del plano neutro geométrico para todas las modalidades en que funcione el motor.