Introducción

Presentamos a continuación conceptos y definiciones fundamentales sobre motores y generadores eléctricos, su funcionamiento, componentes y tipos, con especial énfasis en máquinas de corriente continua (CC).

Conceptos básicos

• Espiras: cuantas más espiras, se transforman en bobinas.
• El movimiento de electrones provoca iluminación.
• Si hay una resistencia, se produce calor.
• Si no hay movimiento del campo magnético o de la espira, no hay iluminación.
• Mayor velocidad implica mayor frecuencia.

Para aumentar la luminosidad

1. Aumentamos la fuerza del imán.
2. Aumentamos la velocidad de movimiento del imán.
3. Aumentamos el diámetro de las espiras.
4. Aumentamos el número de espiras.

Bobina es un conjunto de espiras.

Mayor voltaje → mayor número de electrones (mayor energía eléctrica).

«100 veces corta la corriente alterna en 1 segundo» (nota: aclarar contexto o unidad si se refiere a frecuencia: por ejemplo 100 Hz significa 100 ciclos por segundo).

Diferencia esencial: el generador produce energía y el motor la consume.

Leyes fundamentales

Ley de Faraday

La ley de inducción electromagnética de Faraday establece que la tensión inducida en un circuito cerrado es directamente proporcional a la rapidez con que cambia en el tiempo el flujo magnético que atraviesa una superficie cualquiera cuyo borde sea el circuito.

Fuerza de Lorentz

En física, la fuerza de Lorentz es la fuerza ejercida por el campo electromagnético sobre una partícula cargada o sobre una corriente eléctrica.

Comportamiento de bobinas y campos

• Cuando la bobina está en paralelo hay más campo magnético.
• Si está en cierta configuración (I), no hay campo magnético (contextualizar según conexión).
• La delga cambia el sentido de la corriente (delga = segmento del colector).
• Par motor: fuerza que tiene el eje (máximo cuando es paralelo al campo magnético).

Permeabilidad y materiales

Permeable: se afirma que un material es permeable si deja pasar a través de él una cantidad apreciable de fluido en un tiempo dado (definición general).

Permeabilidad magnética

En física, la permeabilidad magnética es la capacidad de una sustancia o medio para atraer y hacer pasar a través de ella campos magnéticos. Se define por la relación entre la inducción magnética existente y la intensidad de campo magnético que aparece en el interior de dicho material.

La magnitud así definida, el grado de magnetización de un material en respuesta a un campo magnético (magnetización no permanente), se denomina permeabilidad absoluta.

Corrientes parasitas

Corrientes parásitas (o corrientes de Foucault): se producen cuando un conductor atraviesa un campo magnético variable, o viceversa. El movimiento relativo causa una circulación de electrones, o corriente inducida, dentro del conductor. Estas corrientes circulares crean campos magnéticos que se oponen al campo aplicado (ver Ley de Lenz).

Cuanto más fuerte sea el campo magnético aplicado, mayor la conductividad del conductor o mayor la velocidad relativa de movimiento, mayores serán las corrientes de Foucault y los campos opuestos generados.

Componentes y definiciones

• Inductor: es el que produce el campo magnético principal (estátor).
• Corriente autoexcitada: es la misma corriente que entra en la fuente de potencia (máquina autoexcitable).
• Par de arranque: es el par que desarrolla el motor para vencer la inercia inicial y comenzar a operar.

Máquinas eléctricas: definición

Los motores y generadores eléctricos son aparatos que convierten la energía mecánica en eléctrica o viceversa mediante medios electromagnéticos. A una máquina que convierte energía mecánica en eléctrica se le denomina generador, alternador o dínamo. A una máquina que convierte energía eléctrica en mecánica se le denomina motor.

Generadores de CC (Dinamos)

Los generadores de corriente continua son máquinas que producen tensión. Su funcionamiento se reduce al principio de una bobina giratoria dentro de un campo magnético. Si una armadura gira entre dos polos magnéticos fijos, la corriente en la armadura circula en un sentido durante la mitad de cada revolución y en el sentido opuesto durante la otra mitad.

Para producir una corriente continua (un flujo constante en un sentido) es necesario invertir el sentido de la corriente en el exterior del generador una vez durante cada revolución mediante un colector.

Magneto: es un generador pequeño de corriente continua con campo magnético permanente.

Dinamo: es una máquina eléctrica que produce energía eléctrica en forma de corriente continua aprovechando el fenómeno de inducción electromagnética. Está dotada de un armazón fijo (estátor) encargado de crear el campo magnético en cuyo interior gira un cilindro (rotor) donde se crean las fuerzas electromotrices inducidas.

Estator y rotor

Estator: consta de un electroimán encargado de crear el campo magnético fijo, conocido por el nombre de inductor.

Rotor: es un cilindro donde se enrollan bobinas de cobre; se hace girar a cierta velocidad y corta el flujo inductor. Se conoce como inducido.

Principio de funcionamiento

Haciendo girar una espira en un campo magnético se produce una f.e.m. inducida en sus conductores. La tensión obtenida en el exterior a través de un anillo colector y una escobilla en cada extremo de la espira tiene carácter senoidal.

Conectando los extremos de la espira a semianillos conductores aislados entre sí, conseguimos que cada escobilla esté siempre en contacto con la parte del inducido que presenta una determinada polaridad.

Durante un semiperíodo se obtiene la misma tensión alterna pero, en el semiperíodo siguiente, se invierte la conexión convirtiendo el semiciclo negativo en positivo.

El inducido suele tener muchas más espiras y el anillo colector está dividido en un mayor número de partes o delgas, aisladas entre sí, formando lo que se denomina el colector.

Las escobillas son de grafito o carbón puro montadas sobre portaescobillas que, mediante un resorte, aseguran un buen contacto.

Al aumentar el número de delgas, la tensión obtenida tiene menor ondulación, aproximándose más a la tensión continua deseada.

Dinamo de excitación en serie

El devanado inductor se conecta en serie con el inducido, de tal forma que toda la corriente que el generador suministra a la carga fluye por igual por ambos devanados.

Dinamo de excitación compuesta (compound)

En la dinamo con excitación mixta o compuesta, el circuito inductor se divide en dos partes: una conectada en serie con el inducido y otra en derivación. Existen dos modalidades:

• Compuesta corta (EAC): el devanado de derivación se pone directamente en paralelo con el inducido.
• Compuesta larga (FC): el devanado de derivación se pone en paralelo con el grupo formado por el inducido en serie con el otro devanado.

Generador en derivación (shunt)

Generador shunt: siendo una máquina autoexcitada, empieza a desarrollar su voltaje a partir del magnetismo residual tan pronto como el inducido empiece a girar. A medida que el inducido desarrolla voltaje, envía corriente a través del inductor, aumentando el número de líneas de fuerza y desarrollando voltaje hasta su valor normal.

Conclusión

En términos generales, los generadores y motores son máquinas eléctricas utilizadas para convertir energía mecánica en eléctrica o viceversa mediante medios electromagnéticos. Una máquina que convierte energía mecánica en eléctrica se denomina generador, alternador o dínamo; una que convierte energía eléctrica en mecánica se denomina motor.

Tipos de autoexcitación

Los de autoexcitación se dividen en tres:

1. Generador con excitación en derivación (shunt).
2. Generador con excitación en serie.
3. Generador con excitación compuesta (compound).

Clasificación de los motores de corriente continua

Los motores de corriente continua se clasifican según la forma de conexión de las bobinas inductoras e inducidas:

• Motor de excitación independiente.
• Motor en serie.
• Motor en derivación o motor shunt.
• Motor compound.

• Motor de excitación independiente: el inductor y el inducido se alimentan de dos fuentes de energía independientes.
• Motor serie: los devanados del inductor y del inducido se encuentran en serie.
• Motor shunt: dispone los devanados inductor e inducido en paralelo.
• Motor Compound: consta de dos devanados inductores; uno está en serie con el devanado inducido y el otro en paralelo.

Motor serie

Como se comentó antes, en este tipo de motores las bobinas inductoras y las inducidas están conectadas en serie.

La conexión forma un circuito en serie en el que la intensidad absorbida por el motor al conectarlo a la red (también llamada corriente de carga) es la misma tanto para la bobina conductora (del estator) como para la bobina inducida (del rotor).

El motor serie es tal que:

1. Puede desarrollar un elevado par motor de arranque; es decir, justo al arrancar, el par motor es elevado.
2. Si disminuye la carga del motor, disminuye la intensidad de corriente absorbida y el motor aumenta su velocidad. Esto puede ser peligroso: en vacío el motor es inestable, pues la velocidad aumenta bruscamente.
3. Sus bobinas tienen pocas espiras, pero de gran sección.

Usos: aplicaciones que requieren un elevado par de arranque a bajas velocidades y un par reducido a altas velocidades. El motor debe tener carga si está en marcha. Ejemplos: tranvías, locomotoras, trolebuses.

Motor Shunt o de derivación en paralelo

Las bobinas inductoras van conectadas en paralelo (derivación) con las inducidas. De este modo, de toda la corriente absorbida (I absorbida) por el motor, una parte (Ii) circula por las bobinas inducidas y la otra (Iexc) por las inductoras. El circuito de excitación (inductor) está a la misma tensión que el inducido.

Las características de este motor son:

1. En el arranque, el par motor es menor que en el motor serie.
2. Si la intensidad de corriente absorbida disminuye y el motor está en vacío, la velocidad de giro nominal apenas varía. Es más estable que el serie.
3. Cuando el par motor aumenta, la velocidad de giro apenas disminuye.

Aplicaciones: se usan cuando no se requiere un par elevado a bajas velocidades y no se esperan grandes cargas. Si la carga desaparece (funcionamiento en vacío), la velocidad varía muy poco. Se emplea para máquinas herramientas, por ejemplo, taladros.

Motor Compound

En este caso, el motor es una combinación del motor serie y del motor shunt, puesto que una de las bobinas inductoras está en serie con el inducido, mientras que la otra está en paralelo con él.

Una parte de la intensidad de corriente absorbida circula por las bobinas inducidas (Ii) y, por ende, por una de las inductoras; mientras que el resto de la corriente (Iexc) recorre la otra bobina inductora.

Se caracteriza por tener un elevado par de arranque, pero no corre el peligro de ser inestable cuando trabaja en vacío, como ocurre con el motor serie, aunque puede llegar a alcanzar un número de revoluciones muy alto.

Resumen

• El devanado del rotor está conectado a una fuente de corriente continua a través del conector de la delga; cada semianillo del colector es una delga.
• La corriente fluye a través del devanado.
• Los devanados se alojan en ranuras de acero laminado que tienen una permeabilidad magnética para aumentar el flujo magnético.
• Las escobillas de grafito mantienen el contacto eléctrico de la fuente de alimentación con el colector gracias a la acción de los muelles que mantienen la presión sobre las delgas.
• El inductor produce el campo magnético principal.
• En el inducido de un generador se induce una corriente.
• ¿Cómo distinguimos un inductor de un inducido en un generador?
  R: En el generador, se produce el campo magnético principal en el inductor, mientras que la corriente se genera en el inducido.
• ¿Cuál es el inductor en un generador?
  R: El inductor es el rotor y el inducido es el estator (contexto: según la construcción específica de la máquina; en muchas máquinas el estator es el inductor y el rotor el inducido, pero en otras configuraciones puede invertirse—es importante verificar la definición según el equipo).

Resumen (repetido en el documento original, corregido)

• El devanado del rotor conectado a una fuente de corriente continua a través del conector de la delga; cada semianillo del colector es una delga.
• La corriente fluye a través del devanado.
• Los devanados se alojan en ranuras de acero laminado que tienen una permeabilidad magnética para aumentar el flujo magnético.
• Las escobillas de grafito mantienen el contacto eléctrico de la fuente de alimentación con el colector gracias a la acción de los muelles que mantienen la presión sobre las delgas.
• El inductor produce el campo magnético principal.
• En el inducido de un generador se induce una corriente.
• ¿Cómo distinguimos un inductor de un generador?
  R: En el generador se produce el campo magnético principal en el inductor, mientras que la corriente se genera en el inducido.
• ¿Cuál es el inductor en un generador?
  R: El inductor es el rotor y el inducido es el estator.
• ¿En un motor, cuál es el inducido y cuál es el inductor?
  R: El inducido es el rotor donde se produce el par motor; el inductor es el estator, el campo magnético se genera con la corriente de excitación.