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I. PRINCIPIO DE
FUNCIONAMIENTO DE UN
MOTOR
En las máquinas de corriente continua, el inductor
(campo) produce el campo magnético necesario
para que se produzcan corrientes inducidas.
En el inducido se desarrollan las corrientes
inducidas por medio campo magnético producido en
el inductor. Finalmente, el colector es el órgano que
recoge las corrientes producidas por el inducido,
obteniéndose corriente continua; esto, en el caso de
un generador. O, por el contrario, sirve para recoger
la corriente de la línea de alimentación para que, por
reacción sobre el campo magnético inductor se
produzca un movimiento rotatorio, en el caso de un
motor.
Representación de las partes esenciales de una máquina CC
A. Funcionamiento del inductor (campo)
El sistema inductor produce el campo magnético
necesario para crear las corrientes inducidas. Este
campo magnético puede ser producido por imanes
permanentes o por electroimanes.
Generalmente, el campo magnético inductor está
producido por electroimanes montados sobre la
carcasa de la máquina; estos se llaman polos
inductores y están constituidos por un núcleo
magnético de hierro o de acero y un arrollamiento
conductor que lo rodea (arrollamiento de excitación
ó devanados de campo)
Las bobinas que constituyen los arrollamientos de
excitación de los diferentes polos, están conectadas
entre sí de manera que formen, alternativamente, un
polo Norte y un polo Sur.
B. Funcionamiento del inducido
El inducido de una máquina de corriente continua,
consta de un núcleo formado por chapas magnéticas
de hierro, de la calidad denominada chapa de
dinamo o chapa de inducido, aisladas entre sí por
medio de papel o barniz; esto se hace así para
disminuir las corrientes de Foucault que se
producen en el núcleo magnético, hasta límites
admisibles.
El núcleo lleva en su parte periférica unas ranuras,
para alojar los conductores que constituyen el
arrollamiento del inducido ó devanados del
inducido; en este arrollamiento se produce la fuerza
electromotriz inducida a causa del flujo magnético
que lo atraviesa y que procede del sistema inductor.
Los conductores que forman el arrollamiento del
inducido van conectados entre sí, de forma que las
fuerzas electromotrices que se producen en cada
uno de ellos, se suman para producir la fuerza
electromotriz total.
C. Función del colector o conmutador en el
motor de C.D.
En la siguiente figura se representa, de forma
esquemática y simplificada, la vista frontal de un
colector seccionado en dos partes, perteneciente a
un motor de corriente directa (C.D.) muy simple.
Patricio Guaraca, Andrés Guzhñay, Pablo Zumba
[email protected], [email protected], [email protected]
Ing. Omar Álvarez
Universidad Politécnica Salesiana
MAQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA
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También se muestra el enrollado de la bobina del
electroimán que gira a modo de rotor, diferenciada
por un color diferente en cada una de sus mitades.
Una de las mitades se representa por un círculo rojo
y la otra por un círculo azul, identificados
como “1” y “2”. Como se puede ver, uno de los
terminales de dicha bobina se encuentra conectado a
la sección “a” del colector y el otro terminal a la
sección “b”.
En el motor de corriente directa el colector o
conmutador sirve para conmutar o cambiar
constantemente. El sentido de circulación de la
corriente eléctrica a través del enrollado de la
bobina del rotor cada vez. Que completa media
vuelta. De esa forma el polo norte del electroimán
coincidirá siempre con el también. Polo. Norte del
imán permanente y el polo sur con el polo sur del
propio imán. Al coincidir siempre dos. Polos
magnéticos, que en todo momento van a ser iguales,
se produce un rechazo constante entre. Ambos, lo
que permite al rotor mantenerse girando
ininterrumpidamente sobre su eje durante. Todo el.
Tiempo que se encuentre conectado a la corriente
eléctrica.
Tal como vemos, en “A” de la figura, la bobina del
electroimán se encuentra colocada entre los polos
norte “N” y sur “S” del campo magnético del imán
permanente. A su vez, el polo positivo (+) de la
batería se encuentra conectado siguiendo el sentido
convencional de la corriente (del signo positivo al
negativo) en la mitad “a” del colector a través de la
escobilla identificada también con el signo (+). De
esa forma la mitad de la bobina de color rojo (1) se
energiza positivamente para formar el polo
norte “N”, mientras que la otra mitad, la de color
azul (2) se energiza negativamente para formar el
polo sur “S”.
Como resultado, cuando en el electroimán se forma
el polo norte, de inmediato el también polo norte del
imán permanente lo rechaza. Al mismo tiempo el
polo sur que se forma en el extremo opuesto, es
rechazado igualmente por el polo sur del propio
imán; por tanto se produce una fuerza de repulsión
en ambos extremos del rotor al enfrentarse y
coincidir con dos polos iguales en el imán
permanente. Si bajo esas condiciones aplicamos la
“Regla de la mano izquierda” y tomamos como
referencia, por ejemplo, la parte de la bobina donde
se ha formado el polo norte en el electroimán,
comprobaremos que al romper la inercia inicial,
comenzará a girar en dirección contraria a las
manecillas del reloj, como indica la flecha de color
verde.
Una vez que la bobina del electroimán gira y asume
una posición vertical (como se muestra en la parte
“B” de la ilustración), las escobillas dejan de hacer
contacto con ambos segmentos del colector. En esa
posición neutra la corriente que suministra la batería
deja de circular y la bobina se des energiza, por lo
que ambos extremos del electroimán pierden
momentáneamente sus polos magnéticos. No
obstante, debido a la fuerza de inercia o impulso de
giro que mantiene el electroimán, esa posición la
rebasa de inmediato y sus extremos pasan a ocupar
la posición opuesta a la que tenían, tal como se
muestra en la parte “C” de la misma ilustración.
Ahora en “C” se puede ver que la mitad de la
bobina que anteriormente tenía color azul (2) con
polaridad sur cuando se encontraba situada a la
derecha del eje del rotor pasa a ocupar la parte
izquierda junto con la mitad (b) del colector al que
se encuentra conectado. Esa parte de la bobina que
ha girado, al ocupar ahora la posición opuesta, se
convierte en el polo norte (2) del electroimán por lo
que es rechazado de nuevo por el polo norte del
imán permanente, que como ya se explicó se
encuentra fijo al cuerpo del motor. Seguidamente el
electroimán, al continuar girando y dar otra media
vuelta, pasa de nuevo por la zona neutra (como
en “B”) repitiéndose de nuevo el mismo ciclo. Esos
cambios continuos en los polos del electroimán del
rotor que proporciona el colector, son los que
permiten que se mantenga girando de forma
ininterrumpida mientras se mantenga energizado.
En resumen, la función del colector es permitir el
cambio constante de polaridad de la corriente en la
bobina del electroimán del rotor para que sus polos
cambien constantemente. Este cambio ocurre cada
vez que el electroimán gira media vuelta y pasa por
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la zona neutra, momento en que sus polos cambian
para que se pueda mantener el rechazo que
proporciona el imán permanente. Esto permitirá que
el electroimán del rotor se mantenga girando
constantemente durante todo el tiempo que la
batería o fuente de fuerza electromotriz (F.E.M.) se
mantenga conectada al circuito del motor,
suministrándole corriente eléctrica.
La combinación de esas dos fuerzas o vectores
actuando de forma opuesta y al unísono (de acuerdo
con la Fuerza de Lorenz), provocará que el
electroimán del rotor, formado aquí por esa simple
espira, comience a girar en torno a su eje imaginario
(representado por una línea de puntos en la figura)
en dirección contraria a las manecillas de reloj en
este ejemplo. Ese movimiento de rotación se
encuentra señalado por la flecha negra en forma de
semicírculo, que se encuentra dibujada al fondo de
la espira.
II. EL COLECTOR DE DELGAS:
El colector de delgas, que es un conjunto de
láminas de cobre, llamadas delgas, aisladas entre sí
por una capa de mica y que giran solidariamente
con el rotor. Las delgas están conectadas
eléctricamente a las bobinas del devanado inducido
y por medio de ellas dicho devanado se puede
conectar con el exterior. Cada delga está unida
eléctricamente al punto de conexión de dos bobinas
del devanado inducido, de tal forma que habrá
tantas delgas como bobinas simples posea el
devanado.
La porta escobillas y las escobillas, fabricados los
primeros con un material estructural metálico,
mientras que las segundas son generalmente de
grafito. Las escobillas permanecen fijas, sin realizar
movimiento alguno, y al deslizar sobre ellas el
colector de delgas se efectúa el contacto eléctrico
entre el devanado inducido y los bornes de conexión
de la máquina al exterior.
Al mismo tiempo el colector permite rectificar las
tensiones alternas que se generan en los conductores
del inducido de tal forma que merced a la presencia
del mismo se obtiene una tensión continua.
Colector de delgas
A. Número de polos de las dinamos
Las máquinas grandes exigen para su
funcionamiento un flujo magnético de considerable
valor. Si dichas máquinas fueran bipolares, la
culata, polos y demás partes del conjunto magnético
tendrían que ser de secciones excesivamente
grandes para que la inducción se mantuviera dentro
de límites aceptables, lo que daría, como
consecuencia, máquinas pesadas y caras.
Se evita este inconveniente construyendo máquinas
con más de dos polos, con el fin de que el flujo total
de la máquina se subdivida en varios flujos
parciales.
Circuito magnético de las dinamos
a) Bipolar, b) tetrapolar
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Número de líneas de escobillas: La f.e.m. inducida
en cada conductor del inducido cambia de sentido
cuando éste pasa por la línea neutra.
Ahora bien, en una máquina multipolar habrá tantas
líneas neutras como polos, ya que entre cada dos
polos existirá una zona en la que se compensen las
acciones de ambos polos.
Según lo dicho en los dos párrafos anteriores, las
escobillas deben ser colocadas sobre delgas
conectadas con conductores situados sobre una línea
neutra, luego podremos colocar tantas líneas de
escobillas como número de polos tiene la máquina.
Como estas líneas de escobillas deben ser
equidistantes, ya que también lo están las líneas
neutras, se deduce que el ángulo geométrico de
separación entre líneas de escobillas "aesc" debe ser
igual a
Por otra parte, en los dibujos de esquemas se suelen
representar las líneas de escobillas, por lo que
conviene calcular su distancia en delgas.
Siendo “D” el número total de delgas del colector,
la distancia en delgas entre dos líneas de escobillas
consecutivas o “paso de escobillas (Yesc)”, será
igual a
III. PROBLEMAS CON LAS
MÁQUINAS DE CORRIENTE
CONTINUA:
A. Reacción de Inducido
Cuando el dinamo está en carga el flujo del inductor
se distorsiona debido al flujo magnético creado por
la corriente del inducido, el cual es perpendicular al
flujo magnético principal creado por los polos
inductores FP.
Aunque aparentemente el flujo principal FP no
varía, pues se reduce en los cuernos de entrada pero
aumenta en los cuernos de salida, en realidad el
flujo principal disminuye pues la distorsión del
mismo aumenta su recorrido, es decir su reluctancia
magnética, se crea saturación de los cuernos polares
y además aumentan las fugas magnéticas,
provocando todo lo anterior la disminución de FP y
disminuyendo por tanto la fem en carga EC respecto
a la fem en vacío EV. Este fenómeno se conoce con
el nombre de reacción magnética del inducido.
A consecuencia de la reacción del inducido la línea
neutra (línea que une los conductores que no
producen fem) en carga, adelanta respecto del
sentido de giro un ángulo ?, tomada como
referencia la línea neutra en vacío:
B. Inconvenientes de la reacción de inducido
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Disminuye la fem en la carga EC.
Disminuye indirectamente el rendimiento (pues
se ha de aumentar la corriente de excitación para
compensar el efecto anterior, aumenta las PJ del
estator).
Crea peligro de chispas en el colector.
Aumenta las dificultades para realizar una buena
conmutación.
C. Disminución de la Reacción del Inducido
Por todo lo anterior es conveniente minimizar la
reacción del inducido, a través de:
D. Reducir la deformación de la curva
de inducción en el entrehierro. Mediante,
por ejemplo:
E. Combatir la reacción transversal
mediante flujos opuestos (arrollamientos
de compensación).
Se emplean arrollamientos de compensación
dispuestos en ranuras colocadas en las piezas
polares, y conectados en serie con el arrollamiento
del inducido.
F. Commutation
La conmutación es el conjunto de fenómenos que acompañan a la inversión del sentido de la corriente
en la sección cortocircuitada por una escobilla.
Durante el tiempo t en que la sección está corto
circuitada, es decir, mientras sus
conductores activos franquean la línea neutra, en
dicha sección se crean dos fem:
a) Una fem de autoinducción ea=L di/dt
variando la corriente i en el tiempo t, del valor I
a –I.
b) Una fem de inducción ei=dFa/dt dónde Fa es
el flujo transversal del inducido cortado por laso
conductores activos en el tiempo t. Esta fem se
suma a la anterior pues el sentido del flujo
transversal es el mismo que el del polo del que
procede el conductor como hemos visto
anteriormente.
Estas dos fem tienen un efecto desfavorable. Sin
ellas, el reparto de las corrientes ia e ib que circulan
entre las delgas correspondientes y las escobillas, se
resaltaría según las conductancias de las
derivaciones, de forma lineal, pero debido a estas
dos fem, el reparto no es lineal, generando chispas.
G. Medidas para Mejorar la Conmutación
La conmutación se aproximará tanto más a la ideal (reparto lineal de las corrientes en a-escobilla y b-
escobilla según las conductancias) cuanto más
reducida sea la corriente j producida por las fem ea
y ei. Para ello se aplican los principios siguientes:
Hacer las fem ea y ei lo más pequeña posible:
Aumentando el número de delgas del colector.
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Aumentando el número de escobillas.
Disminuyendo el flujo transversal, por
los métodos vistos para disminuir la reacción del
inducido.
Aumentar la resistencia que se opone a la
corriente j:
La resistencia del circuito de la corriente j consta
de la resistencia de la sección en conmutación,
de la resistencia de las escobillas y de las
resistencias de contacto a-escobilla y b-escobilla.
Crear, en la sección de conmutación, una fem
opuesta a ea y ei:
Desplazamiento de las escobillas un adelanto
suplementario (en el sentido de rotación) al
correspondiente al de la línea neutra en carga, tal
que, se produzca en la sección en conmutación
una fem de sentido opuesto a la suma de eay ei.
Polos de conmutación o auxiliares que: anulan el
flujo transversal sobre la línea neutra y además
producen en la sección de conmutación una fem
opuesta a ea
De estos dos métodos, excepto para tensiones
y potencia muy bajas (<= 3 kW) se emplea
exclusivamente los polos de conmutación.
Si bien con unos polos auxiliares bien calculados se
alcanza una conmutación correcta en todo el campo
de funcionamiento normal de la máquina, ellos sin
embargo no evitan la distorsión de la curva de
inducción bajo los polos principales con su secuela
de los inconvenientes, el más grave de los cuales
puede ser arco entre escobilla cuando la máquina
está sujeta a bruscas sobrecargas o trabajos muy
duros. En estos casos es obligado recurrir, además
de los polos auxiliares, al devanado de
compensación.
VI. BIBLIOGRAFÍA
[1]
http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_de_corriente_co
ntinua
[2]
http://www.tuveras.com/maquinascc/estructura.htm
Generadores y motores de corriente continúa
[3] http://html.rincondelvago.com/generadores-y-
motores-de-corriente-continua.html
Máquinas Eléctricas
[4] http://html.rincondelvago.com/maquinas-
electricas_3.html
Bobinados de máquinas de c_ c
[5]
http://endrino.pntic.mec.es/rpel0016/Bobinados.htm
Inducido
[6] http://joseluisojer.iespana.es/inducido.htm
[7] “Maquinas corriente continua” disponible en:
http://www.monografias.com/trabajos79/maquinas-
corriente-continua/maquinas-corriente-
continua2.shtml
[8] “Maquinas DC” disponible en:
http://www.taringa.net/posts/ciencia-
educacion/9194603/Maquinas-DC.html
[9]”Partes de una maquina DC” disponible en:
http://www.buenastareas.com/ensayos/Partes-De-
Una-Maquina-De-c-d/1860051.html