Máquinas Eléctricas de Corriente Continua: Fundamentos

Las máquinas eléctricas pueden considerarse circuitos eléctricos sujetos a fenómenos electromagnéticos. Por ello, resumiremos a continuación algunos conceptos fundamentales sobre electricidad y magnetismo.

Magnetismo

Las fuerzas magnéticas se observaron por primera vez en la antigüedad, en un mineral que se denominó magnetita (Fe₃O₄). El magnetismo es la rama de la física que estudia las fuerzas de atracción y propulsión de los materiales ferrosos o magnetizados, habitualmente denominados imanes. El campo magnético se representa por el vector B y su unidad es el tesla (T). A B también se le llama inducción magnética.

Relación entre el Campo Magnético y el Eléctrico

Hasta el siglo XIX, el campo eléctrico y el magnético se estudiaron de forma independiente. En 1820, el físico danés Hans Christian Ørsted descubrió la relación entre la electricidad y el magnetismo, al comprobar que la aguja imantada de una brújula se desviaba al acercarla o alejarla de la corriente eléctrica que circula por un conductor.

Para entender el funcionamiento de los motores, deberemos tener en cuenta el siguiente fenómeno:

Un conductor recorrido por una corriente eléctrica es capaz de ejercer fuerzas sobre imanes, del mismo tipo que las que unos imanes ejercen sobre otros. Existen fenómenos de interacción magnética entre imanes, entre corrientes y entre corrientes e imanes.

Fuerza Electromotriz Inducida (f.e.m. inducida)

Se pueden producir fuerzas electromotrices e intensidades de corriente eléctrica en un circuito sin más que influir magnéticamente en él.

Fuerza Contraelectromotriz (f.c.e.m.)

La fuerza contraelectromotriz (f.c.e.m. o, más sencillamente, ε) es una característica que define a un motor y se define como la energía eléctrica transformada en energía mecánica por unidad de carga.

La causa de que aparezca ε cuando a un motor eléctrico se le aplica una corriente es que aparece en este una diferencia de potencial que se opone al campo aplicado, como veremos en el apartado siguiente. Podemos considerar, entonces, que la fuerza contraelectromotriz es un tipo de fuerza electromotriz inducida.

Máquinas Eléctricas: Tipos y Clasificación

Las máquinas son dispositivos creados para transformar la energía. Las máquinas eléctricas lo hacen de la siguiente manera: los generadores transforman la energía mecánica en electricidad; los motores, la energía eléctrica en mecánica; y los transformadores, la energía eléctrica en otra energía eléctrica.

La Dinamo: Generador de Corriente Continua

Una dinamo es un generador eléctrico de corriente continua que obtiene energía eléctrica a partir de energía mecánica de rotación.

Motores de Corriente Continua (CC)

Un motor de corriente continua (o motor CC) obtiene la energía de una fuente de corriente continua y la transforma en energía mecánica.

Debido a la dificultad de obtener corriente continua (la energía eléctrica se suministra como corriente alterna, es decir, para obtener corriente continua se requiere equipo adicional para su generación) y al elevado desgaste de estas máquinas, los motores de corriente continua no se usan de forma generalizada, sino principalmente cuando se necesite alguna de las siguientes características:

• Un par de arranque elevado
• Regular la velocidad del eje
• Cambiar el sentido de giro

Los motores de corriente continua están compuestos por dos partes fundamentales: el estátor (que contiene al inductor) y el rotor (que contiene al inducido). El hueco entre ambos se llama entrehierro.

Aplicaciones de los Motores de Corriente Continua

Estos motores se usan especialmente cuando se necesita tracción. Pueden alcanzar potencias de miles de kilovatios y resultan muy útiles en diversas aplicaciones industriales:

• Trenes, tranvías, máquinas herramienta…
• Tornos, bobinadoras, fresadoras…
• Prensas, grúas, cintas transportadoras…
• Perforación de pozos petrolíferos
• Robótica

Cuando no se necesita par de arranque pero sí cambio de sentido o regulación de la velocidad, pueden usarse motores de menor potencia:

• En medicina: robots quirúrgicos, bombas implantables, terapia respiratoria…
• Obturadores de cámaras, ventiladores de ordenadores, lectores de DVD…
• Sistemas de control de climatización
• Máquinas de tatuar
• Robots autónomos

Funcionamiento y Componentes Clave de un Motor de CC

El funcionamiento de un motor de corriente continua es el siguiente:

1. Aplicamos una tensión al motor, que, al mismo tiempo:
   • Hace circular la corriente por las bobinas del inductor, con lo cual se crea un campo magnético que atraviesa las bobinas del inducido.
   • Hace circular la corriente por las bobinas del inducido.
2. La interacción entre el campo y la corriente eléctrica produce un par de fuerzas (par motor) que provoca el giro del rotor. Este irá aumentando su velocidad según vaya venciendo la resistencia a moverse y los rozamientos.
3. Aparece una fuerza contraelectromotriz (ε) que produce una disminución de la corriente que circula. Desde este momento acaba el arranque o régimen transitorio del motor. La intensidad y la velocidad de giro se mantendrán estables y comienza el llamado régimen nominal (o permanente) del motor.

La energía eléctrica recibida se transforma en energía mecánica de rotación. El motor puede funcionar con carga cuando realiza un determinado trabajo (por ejemplo, una grúa cuando eleva un objeto); en caso contrario, se dice que el motor funciona en vacío.

Componentes Detallados de un Motor de CC

Estátor

Es la parte fija del motor. Su misión es crear un campo magnético uniforme. Para ello, alberga el inductor, que puede ser un imán permanente (solo se usa en motores pequeños) o unas bobinas de cobre arrolladas alrededor de núcleos metálicos para formar un electroimán (por ellas circulará una corriente eléctrica y así crearán el campo magnético necesario).

Rotor

Es la parte móvil del motor. Está montado sobre el eje del motor y está formado por un núcleo de metal ranurado en cuyas ranuras se alojan, arrolladas, una serie de bobinas (también llamadas devanados). Su misión es crear un campo magnético opuesto al del inductor, para generar el par de fuerzas que hace que se produzca el giro del conjunto. El conjunto del núcleo con las bobinas se llama inducido.

Delgas

Son unas láminas de cobre que se encuentran en los extremos de cada bobina. Están aisladas entre sí y forman el colector. Están hechas de cobre de elevada pureza y están aisladas unas de otras por una película de mica.

Colector

Va montado sobre el eje de giro y dispone de tantas delgas como bobinas tiene el devanado inducido. Conecta el interior del motor con el circuito externo mediante las escobillas.

Escobillas

Son de grafito y transmiten la corriente. Están permanentemente rozando el colector, por lo que se van desgastando.

Entrehierro

Es el espacio que hay entre el estátor y el rotor, necesario para que no haya rozamiento entre ambos.

Fórmulas Fundamentales en Motores de CC

Fuerza Contraelectromotriz

ε = V – I · (R + rᵢ)

Motor de Excitación en Serie

En Arranque:

ε = 0

I = I_arranque

V = I_arranque · (R_arranque + R + rᵢ)

En Régimen Nominal:

R_arranque = 0

V – ε = I · (R + rᵢ)

Motor de Excitación en Derivación

En Arranque:

ε = 0

V = I_arranque · (R_arranque + R + rᵢ)

En Régimen Nominal:

V – ε = I_inducido · rᵢ

V = I_inductor · R

Motor de Excitación Independiente

En Arranque:

ε = 0

I = I_arranque

V = I_arranque · (R_arranque + R + rᵢ)

En Régimen Nominal:

Vᵢ = ε = I_inducido · rᵢ

V₂ = I_inductor · R