Motores de Corriente Continua

OSWALDO HEREDIA C.I 26.429.60 AÑO 1. Nº. 01 ~ FEBRERO 2019

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MÁQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA

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Editorial Los motores de corriente continua son de gran importancia y de mucha utilidad en la vida cotidiana, tanto en la industria como en los hogares, en los cuales se presentan en variados sistemas que van desde equipos audiovisuales hasta equipos de computación, batidoras, ventiladores, entre otros. Todo esto ha sido posible gracias a las características que poseen que los hace convenientes para esas aplicaciones, además de la tecnología utilizada a la hora de su diseño y construcción, obteniendo excelentes resultados en sus propiedades. Cada día se utilizan en gran medida en los procesos de automatización y control de procesos en el área industrial, obteniendo maximización en la producción, reducción de costos y optimización de los tiempos de trabajo.

Una de las particularidades principales es que pueden funcionar a la inversa, es decir, no solamente pueden ser usados para transformar la energía eléctrica en energía mecánica, sino que también pueden funcionar como generadores de energía eléctrica.

Esto sucede porque tienen la misma constitución física, de este modo, tenemos que un motor eléctrico de corriente continua puede funcionar como un generador y como un motor.

Su extendido uso se puede notar en equipos comunes como reproductores tanto de cintas como de discos compactos, bombas de combustibles, motores de aires acondicionados, incluso dentro de los celulares para el perfil de vibración, entre otros usos; lo que los hace viables es que tienen mucha potencia y pueden tener tamaños diferentes, desde muy pequeños hasta muy grandes.

CONTENIDO Editorial Tipos De Motores De Corriente Continua De Excitación Independiente: De Excitación En Derivación.

De Excitación En Serie De Excitación Compuesta.

Principios del Dinamo de Rotor Devanado Principio de funcionamiento Desempeño de los Motores de CD de Rotor Devanado Motores de CD no tradicionales Motores Convencionales de Imán Permanente Motores de Imán Permanente de sin Núcleo Motores Paso a Paso Motores por pasos de imán permanente (PM) Motores por pasos de reluctancia variable.

Motores por pasos híbridos.

Aplicación de los motores por pasos.

Actuadores lineales de corriente continua (DC).

Actuadores lineales basados en motores por pasos.

Motores CD sin Escobillas Conclusiones

TIPOS DE MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA De Excitación Independiente: Son aquellos que obtienen la alimentación del rotor y del estator de dos fuentes de tensión independientes. Con ello, el campo del estator es constante al no depender de la carga del motor, y el par de fuerza es entonces prácticamente constante. Las variaciones de velocidad al aumentar la carga se deberán sólo a la disminución de la fuerza electromotriz por aumentar la caída de tensión en el rotor. Este sistema de excitación no se suele utilizar debido al inconveniente que presenta el tener que utilizar una fuente exterior de corriente.

De Excitación En Derivación.

Los devanados inducido e inductor están conectados en paralelo y alimentados por una fuente común.

También se denominan máquinas shunt, y en ellas un aumento de la tensión en el inducido hace aumentar la velocidad de la máquina.

De Excitación En Serie Los devanados de inducido y el inductor están colocados en serie y alimentados por una misma fuente de tensión.

En este tipo de motores existe dependencia entre el par y la velocidad; son motores en los que, al aumentar la corriente de excitación, se hace disminuir la velocidad, con un aumento del par.

De Excitación Compuesta.

También llamados compound, en este caso el devanado de excitación tiene una parte de él en serie con el inducido y otra parte en paralelo. El arrollamiento en serie con el inducido está constituido por pocas espiras de gran sección, mientras que el otro está formado por un gran número de espiras de pequeña sección. Permite obtener por tanto un motor con las ventajas del motor serie, pero sin sus inconvenientes. Sus curvas características serán intermedias entre las que se obtienen con excitación serie y con excitación en derivación.

Existen dos tipos de excitación compuesta.

En la llamada compuesta adicional el sentido de la corriente que recorre los arrollamientos serie y paralelo es el mismo, por lo que sus efectos se suman, a diferencia de la compuesta diferencial, donde el sentido de la corriente que recorre los arrollamientos tiene sentido contrario y por lo tanto los efectos de ambos devanados se restan.

Principios del Dinamo de Rotor Devanado El motor de corriente continua (CC) o de corriente directa (DC), es una máquina que convierte energía eléctrica en mecánica, provocando un movimiento rotatorio, gracias a la acción de un campo magnético.

Los motores y los generadores de corriente continua están constituidos esencialmente por los mismos elementos, diferenciándose únicamente en la forma de utilización. Se componen principalmente de dos partes. El estator que da soporte mecánico al aparato y contiene los polos de la máquina, que pueden ser o bien devanados de hilo de cobre sobre un núcleo de hierro, o imanes permanentes. El rotor es generalmente de forma cilíndrica, también devanado y con núcleo, se alimenta o genera a través de delgas, que están en contacto alternante con escobillas fijas (también llamadas carbones).

Si se hace girar el rotor, se produce en el devanado inducido una fuerza electromotriz capaz de transformarse en energía eléctrica. En cambio, si se aplica una tensión continua al devanado inducido del generador a través del colector delga, el comportamiento de la máquina ahora es de motor, capaz de transformar la fuerza contraelectromotriz en energía mecánica.

En ambos casos el inducido está sometido a la acción del campo magnético del inductor principal en el estator.

Es posible controlar la velocidad y el par de estos motores utilizando técnicas de control de motores de corriente continua.

Principio de funcionamiento Cuando un conductor, por el que pasa una corriente eléctrica, se sumerge en un campo magnético, el conductor sufre una fuerza perpendicular al plano formado por el campo magnético y la corriente. Un motor de corriente directa produce un par gracias a la conmutación mecánica de la corriente. Existe un campo magnético permanente producido por imanes en el estator. El flujo de corriente en el devanado del rotor produce una fuerza sobre el devanado. En un motor de dos polos, la conmutación se hace por medio de un anillo partido a la mitad, donde el flujo de corriente se invierte cada media vuelta (180 grados).

Desempeño de los Motores de CD de Rotor Devanado El principio de funcionamiento de los motores eléctricos de corriente directa se basa en la repulsión que ejercen los polos magnéticos de un imán permanente cuando, de acuerdo con la Ley de Lorentz, interactúan con los polos magnéticos de un electroimán que se encuentra montado en un eje. Este electroimán se denomina "rotor" y su eje le permite girar libremente entre los polos magnéticos norte y sur del imán permanente situado dentro de la carcasa o cuerpo del motor.

Cuando la corriente eléctrica circula por la bobina de este electroimán giratorio, el campo electromagnético que se genera interactúa con el campo magnético del imán permanente. Si los polos del imán permanente y del electroimán giratorio coinciden, se produce un rechazo y un torque magnético o par de fuerza que provoca que el rotor rompa la inercia y comience a girar sobre su eje en el mismo sentido de las manecillas del reloj en unos casos, o en sentido contrario, de acuerdo con la forma que se encuentre conectada al circuito la pila o la batería.

MOTORES DE CD NO TRADICIONALES

Estructura básica de la máquina DC de imán permanente

Motores Convencionales de Imán Permanente Los motores de imán permanente tienen pocas ventajas de rendimiento frente a los motores síncronos de corriente continua de tipo excitado y han llegado a ser el predominante en las aplicaciones de potencia fraccionaria. Son más pequeños, más ligeros, más eficaces y fiables que otras máquinas eléctricas alimentadas individualmente.

En un motor DC de campo generado por imán permanente la estructura de la máquina produce automáticamente la relación óptima deseada entre el campo del imán del estator y el generado por la corriente de armadura en el bobinado energizado del rotor.

El alineamiento deseado entre los dos campos está definido por la posición de las escobillas que alimentan a los circuitos del rotor (circuitos de armadura) en relación con los contactos del conmutador y queda fijo en el momento en que se ensambla la máquina.

La posición de las escobillas asegura que cada bobina de armadura quede energizada solo cuando llega a una posición angular donde producirá un campo de armadura ortogonal al del estator.

El motor DC con imán permanente en el estator y conmutador mecánico es relativamente fácil de controlar tanto en par como en velocidad y ofrece características de operación casi ideales como actuador en un servomecanismo.

El uso de un sistema mecánico de conmutación empleado para alimentar en secuencia a las bobinas de armadura tiene las siguientes desventajas: 1.- La fricción entre las escobillas y las delgas del conmutador produce desgaste; esas piezas (especialmente las escobillas) deben ser inspeccionadas regularmente y reemplazadas periódicamente.

2.- El contacto eléctrico entre las escobillas y las delgas del conmutador no es ideal y se pueden producir chispas.

3.- La velocidad de giro del rotor está limitada por la necesidad de mantener un contacto adecuado entre las escobillas y las delgas del conmutador.

Adicionalmente, en una máquina DC convencional ("con escobillas") las pérdidas eléctricas se producen en el circuito de armadura, que está colocado en el rotor, la parte más interna y, por lo tanto, la menos ventilada de la máquina, lo que dificulta la disipación del calor generado durante la operación de la máquina DC convencional.

Motores de Imán Permanente de sin Núcleo También llamado motores tipo copa.

Ofrecen características de baja inercia y baja inductancia así como alta aceleración, haciéndolos útiles en muchas servo aplicaciones. Disponen de armaduras huecas hechas de bobinados de aluminio o cobre pegados por resina de polímeros y fibra de vidrio para formar una rígida “copa sin hierro”, que es fijada a un eje axial.

Debido a que la armadura no dispone de núcleo de hierro, la misma, como el motor de disco, tiene inercia extremadamente baja y elevada relación de torque a inercia. Esto permite al motor acelerar rápidamente con rápida respuesta requerida en muchas aplicaciones de control de movimiento. La armadura rota en un entrehierro de aire dentro de una elevada densidad de flujo magnético. El circuito del campo magnético de los magnetos estacionarios es completado a través de la armadura tipo copa y un núcleo cilíndrico ferroso estacionario conectado al gabinete del motor. El eje rota dentro del núcleo, que se extiende dentro de la copa rotativa. Escobillas a resorte conmutan estos motores.

La principal desventaja de este motor es además la dificultad de su armadura pegada, de disipar la acumulación de calentamiento interno en forma rápida debido a su baja conductividad térmica. Sin el correspondiente enfriamiento y circuito sensitivo electrónico, la armadura podría calentarse hasta temperaturas destructivas en segundos.

Motores Paso a Paso Un motor paso a paso o por pasos es un motor cuyo eje es indexado en parte de una revolución o ángulo de paso por cada pulso de corriente continua enviado al mismo. Los trenes de pulsos proporcionan la corriente de entrada al motor en incrementos que pueden “dar un paso” al motor a través de los 360°, y la rotación angular real del eje está directamente relacionada con el número de pulsos introducidos.

La posición de la carga puede ser determinada con precisión razonable contando los pulsos ingresados.

El motor por pasos adecuado para la mayor parte de las aplicaciones de control de movimiento de lazo abierto son con bobinado de campo de estator (espiras electromagnéticas) y de rotores de hierro o imán permanente.

Los motores por pasos dependen de controladores externos para el suministro de pulsos para la conmutación. La operación está basada en los principios electromagnéticos de atracción y repulsión, pero su conmutación proporciona sólo el torque requerido para girar sus rotores.

Los pulsos del controlador externo determina la amplitud y dirección del flujo de corriente en los bobinados de campo del estator, y los mismos pueden girar el rotor del motor y mantenerlo en la posición deseada. La velocidad rotacional del rotor depende de la frecuencia de los pulsos. Debido a que los controladores pueden dar pasos a la mayoría de los motores a frecuencias de audio, sus rotores pueden girar rápidamente.

Entre la aplicación de los pulsos, cuando el motor está detenido, su armadura no se moverá de su posición estacionaria debido a la habilidad de ubicación en una posición. Estos motores generan muy poco calor mientras están estacionarios, haciéndolos adecuados para muchas aplicaciones de instrumentos impulsados a motor en los cuales la potencia está limitada.

Los tres tipos básicos de motores por pasos son de imán permanente, reluctancia variable e híbridos. El mismo circuito controlador puede comandar tanto los motores híbridos como los motores de imanes permanentes.

Motores Paso a Paso

Motores por pasos de imán permanente (PM) Los motores por pasos de imán permanente tienen armaduras que incluyen un núcleo de imán permanente que es magnetizado a los ancho o en forma perpendicular a su eje de rotación. Estos motores usualmente tienen dos bobinados independientes, con o sin derivación central.

La rotación de armadura ocurre cuando los polos del estator son alternativamente energizados y desenergizados para crear el torque.

Un motor por pasos de 90° tiene cuatro polos y un motor de 45° tiene ocho polos, producir elevados torques y tiene características de amortiguación elevadas. y estos polos deben ser energizados en forma secuencial. Los motores por pasos de imán permanente dan pasos a regímenes relativamente bajos, pero pueden

Motores por pasos de reluctancia variable .

Los motores por pasos de reluctancia variable (VR) tienen armaduras de múltiples dientes, constituyendo cada diente un imán individual. En estado estacionario estos magnetos se alinean entre sí en una posición estable natural, para proporcionar un elevado torque de mantenimiento. Los motores VR típicos tienen ángulos de 15° y 30° por paso. El ángulo de 30° es obtenido con un rotor de 4 dientes y un estator de 6 polos, y el ángulo de 15° es alcanzado con un rotor de 8 dientes y un estator de 12 polos. Estos motores típicamente tienen 3 bobinados con un retorno común, pero están disponibles con cuatro o cinco bobinados. Para obtener una rotación continua, se debe aplicar alimentación a los bobinados en una secuencia coordinada de desenergizar y energizar alternativamente los polos.

Motores por pasos híbridos.

El motor por pasos híbrido combina las mejores características de los motores por pasos VR y PM. La armadura es construida en dos secciones, con los dientes en la segunda sección desplazados de aquellos en la primera.

Estos motores tienen además polos estatores de dientes múltiples. Los motores por pasos híbridos pueden alcanzar altos regímenes de pasos, y ofrecen elevado torque estacionario y excelente torque dinámico y estático.

Actuador lineal de baja exigencia basado en un motor por pasos de imán permanente, tiene un eje motriz que avanza o retrocede.

Motores CD sin Escobillas Los motores de corriente directa sin escobillas están diseñados para conmutar la tensión en sus devanados, sin sufrir desgaste mecánico. Para este efecto utilizan controladores digitales y sensores de posición. Estos motores son frecuentemente utilizados en aplicaciones de baja potencia, por ejemplo en los ventiladores de computadoras.

Un motor eléctrico sin escobillas es un motor eléctrico que no emplea escobillas para realizar el cambio de polaridad en el rotor.

Otros motores sin escobillas, que sólo funcionan con corriente continua son los que se usan en pequeños aparatos eléctricos de baja potencia, como lectores de CD-ROM, ventiladores de ordenador, casetes, etc. Su mecanismo se basa en sustituir la conmutación (cambio de polaridad) mecánica por otra electrónica sin contacto. En este caso, la espira sólo es impulsada cuando el polo es el correcto, y cuando no lo es, el sistema electrónico corta el suministro de corriente. Para detectar la posición de la espira del rotor se utiliza la detección de un campo magnético. Este sistema electrónico, además, puede informar de la velocidad de giro, o si está parado, e incluso cortar la corriente si se detiene para que no se queme. Tienen la desventaja de que no giran al revés al cambiarles la polaridad (+ y -). Para hacer el cambio se deberían cruzar dos conductores del sistema electrónico.

Los motores sin escobillas, también conocidos como motores conmutados electrónicamente, son motores eléctricos alimentados por corriente directa y con sistemas de conmutación electrónica, en lugar de utilizar conmutadores mecánicos y escobillas. Los motores sin escobillas podrían describirse como motores de avance gradual, con imanes permanentes en el rotor, y posiblemente más polos en el rotor que en el estator o motores de reluctancia.

Ventajas No hay necesidad de reemplazar las escobillas o quitar residuos de resinosos causados por el desgaste de las escobillas del motor.

Sin escobillas que causen chisporroteo eléctrico, no presentan riesgo de fuego o explosión en un medio ambiente donde vapores inflamables o explosivos, polvo, presentes.

La interferencia electromagnética (EMI) es minimizada al reemplazar la conmutación mecánica, fuente de radiofrecuencias no deseadas, por la conmutación electrónica.

Pueden funcionar más rápida y eficientemente con conmutación electrónica. Velocidades de hasta 50.000 rpm pueden ser alcanzadas, en contraste con el límite cerca de 5000 rpm para motores DC a escobillas.

Desventajas No pueden ser invertidos simplemente invirtiendo la polaridad de la fuente de alimentación. El orden en el cual la corriente es alimentada a la bobina de campo debe ser invertido.

Son más caros que los de igual régimen con escobillas.

Un cableado adicional de sistema es requerido para alimentar el circuito de conmutación electrónica.

El controlador de movimiento y la electrónica de comando necesaria para operarlo son más complejos y caros.

Consecuentemente, la selección de un motor sin escobillas es generalmente justificada sobre la base de requerimientos de aplicación específicos o el riesgo de su ambiente operativo.

Conclusiones Un motor eléctrico de corriente continua es esencialmente una máquina que convierte energía eléctrica en movimiento o trabajo mecánico, a través de medios electromagnéticos, que para funcionar se vale de las fuerzas de atracción y repulsión que existen entre los polos.

El motor de corriente continua está compuesto de 2 piezas fundamentales: el rotor y el estator. Además dentro de las mismas se encuentran otros componentes tales como las escobillas y porta escobillas, el colector, eje, núcleo y devanado del rotor, imán permanente, armazón y tapas.

Existen diversos tipos de motores de corriente continua, teniendo en cuenta un concepto básico como lo es el funcionamiento del motor, el cual puede ser con carga o en vacío. Así se conoce que existen, según la forma de conexión de las bobinas inductoras e inducidas entre sí, cuatro tipos de motores: de excitación independiente, en serie, en derivación o motor shunt y compuesta o compoud.

El motor de corriente continua puede funcionar como generador, haciendo girar el rotor para producir en el devanado inducido una fuerza electromotriz que se transforma en energía eléctrica, este es el principio del dinamo.

También existen motores de este tipo pero considerados no tradicionales que son utilizados en algunas aplicaciones especiales como son los motores lineales, cuando ejercen tracción sobre un riel, servomotores y motores paso a paso. Además existen motores sin escobillas muy utilizados en aeromodelismo por su bajo par motor y su gran velocidad.

El principal inconveniente que presentan estos motores es su mantenimiento, el cual resulta muy costoso y laborioso, principalmente ocasionado por el desgaste que sufren las escobillas cuando hacen contacto con las delgas.