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Características de construcción de generadores de corriente continua

Figura 1. Generador típico de 24 voltios de aeronave

Los generadores usados en los aviones puede ser algo diferente en el diseño, ya que están  hecho por varios fabricantes. Todos, sin embargo, son de la misma construcción general y funcionan de manera similar. Las partes principales, o de ensamblajes de un generador de CC son una carcasa de campo, un inducido giratorio y un conjunto de escobillas. Las partes de un generador de avión típico se muestran en la figura 1.

a. Carcasa de campo

La carcasa de campo (también llamado el armazón del inductor, armazón del generador, bastidor, etc.) constituye la base para el generador. Estos son los nombres que se dan indistintamente a la  parte inmóvil de la maquina en la cual están fijados los polos principales y de conmutación y por medio de la cual esta empernada la maquina a la placa de solera. La carcasa tiene dos funciones: la misma completa el circuito magnético entre los polos y actúa como un soporte mecánico para las otras partes del generador.

Figura 2: Polo principal.

Polos principales de campo. En el proceso evolutivo de la  máquina de corriente continua, el diseño del sistema magnético ha experimentado muchos cambios. En la figura 2 están representadas las secciones axiales y transversales de una máquina moderna.

El campo principal está representado en la figura.  Se compone del polo laminado o de palastro 1 con chapas de grado eléctrico, de 1 mm de espesor, ensambladas con pasadores. En el extremo dirigido hacia el inducido, el núcleo del polo se ensancha en la expansion polar 2 que facilita el paso del flujo magnético por el entrehierro. La bobina de campo o inductor 3 está montada en el núcleo y es activada o energizada por la corriente continua que pasa por ella. La bobina está devanada sobre la carcasa 4, constituida por chapa de acero de 1-2 mm forrada con cartón encolado, de 2 a 3 mm de espesor, o plástico o papel baquelizado.

Para reducir la hidroscopia y aumentar la capacidad de conducción del calor de las bobinas, son tratadas con una composición y sometidas a una serie de impregnaciones en barniz caliente con los subsiguientes secados en horno. Para favorecer la refrigeración de la bobina de campo, ésta puede ser subdividida en el sentido de la altura en dos o más partes con canales de ventilación de suficiente anchura entre dichas partes. Los polos están fijados a la culata por medio de los pernos especiales 6.

En A de la figura 3, se muestra la carcasa para un generador de dos polos en sección transversal. La carcasa del generador de cuatro polos se muestra en B de la misma figura.

Figura 3: Carcasa de dos polos y de cuatro polos

 

En pequeños generadores, la carcasa está hecha de una sola pieza de hierro, pero en generadores más grandes, por lo general se compone de dos partes atornilladas entre sí. La carcasa tiene altas propiedades magnéticas y, junto con las piezas polares, forma la mayor parte del circuito magnético. Los polos de campo (piezas polares), que se muestra en la figura 3, están atornillados a la parte interior del marco y de cuatro bases en la que los devanados de la bobina de campo se montan. Los polos son generalmente laminados para reducir las pérdidas por corrientes de Foucault y servir al mismo propósito que el núcleo de hierro de un electroimán, es decir, concentran las líneas de fuerza producidas por las bobinas de campo. El marco completo, incluyendo los polos de campo está hecho de hierro de alta calidad magnética o chapa de acero.

Un generador práctico de corriente continua utiliza electroimanes en vez de imanes permanentes. Para producir un campo magnético de la fuerza necesaria con imanes permanentes se aumentaría en gran medida el tamaño físico del generador.

Figura 4. Bobina de campo separada del núcleo del polo de conmutación.

Las bobinas de campo se componen de muchas vueltas de alambre aislado y generalmente se enrolla en una forma que se ajuste sobre el núcleo de hierro de la pieza polar a la que está firmemente sujeta (figura  ). La corriente de excitación, que se utiliza para producir el campo magnético y que fluye a través de las bobinas de campo se obtiene de una fuente externa o de la corriente generada por la propia unidad. No existe conexión eléctrica entre los devanados de las bobinas de campo y las piezas polares.

 

La mayoría de las bobinas de campo están conectados de tal manera que los polos muestren polaridad alterna. Ya que siempre hay un polo norte para cada polo sur, siempre debe haber un número par de polos en cualquier generador.

Tenga en cuenta que las piezas de polo en la figura se proyectan desde la carcasa. Dado que el aire ofrece una gran cantidad de resistencia al campo magnético, este diseño reduce la longitud del espacio de aire entre los polos y el inducido giratorio y aumenta la eficiencia del generador. Cuando las piezas polares están hechas proyectandose como se muestra en la figura, se llaman polos salientes.

b. El inducido

El conjunto de inducido (llamado también armadura del generador) se compone de bobinas (devanado o arrollamiento ) de inducido enrolladas sobre un núcleo de hierro, un colector y sus partes mecánicas. Montado sobre un eje que gira sobre cojinetes situados en los extremos de carcasa del generador, el mismo gira a través del campo magnético producido por las bobinas de campo. El núcleo del inducido actúa como un conductor de hierro en el campo magnético y, por esta razón es laminado para evitar la circulación de corrientes de Foucault.

Figura 5. Inducido tipo tambor

Lo mismo que otros elementos de la maquina, el devanado del inducido de corriente continua está sometido a una serie de cambios. Todas las máquinas modernas de corriente continua emplean el inducido de devanado en tambor; es decir, el arrollamiento está colocado completamente fuera del núcleo o periferia del tambor. El devanado  o arrollamiento se compone de secciones bobinadas en moldes especiales y colocadas en ranuras dispuestas en el núcleo o armadura del inducido.

Un inducido de tipo tambor (figura 5) tiene bobinas colocadas en las ranuras del núcleo, pero no hay ninguna conexión eléctrica entre las bobinas y el núcleo. El uso de las ranuras aumenta la seguridad mecánica de la armadura. Por lo general, las bobinas se mantienen en su lugar en las ranuras por medio de cuñas de madera o de fibra. Los extremos de la bobina son llevados hasta  segmentos individuales (delgas) del inducido.

c. Conmutador

 

La figura muestra una vista en sección transversal de un conmutador o colector típico. Los extremos de todas las bobinas del inducido estan unidos al colector, cuyo diseño depende principalmente de la potencia de salida de la maquina y la velocidad. El colector está situado en el extremo del inducido y se compone de segmentos en forma de cuña de cobre firmemente colocados. Aislados entre sí por finas láminas de mica. Los segmentos se mantienen en su lugar por los anillos de acero en V o bridas de sujeción provistos de pernos. Los anillos de mica aíslan los segmentos de las bridas. La porción elevada de cada segmento se llama conductor vertical, y los extremos de las bobinas de armadura están soldados a las delgas. Cuando los segmentos no tienen conductores verticales, los cables se sueldan a hendiduras cortas en los extremos de los segmentos.

Figura 6. Sección transversal de un colector.

1, delga; 2. cuñas de fijación; 3, tazas aislantes: 4, funda aislante; 5. conductor vertical.

Los extremos de todas las bobinas del inducido están unidos al colector, cuyo diseño depende principalmente de la potencia de salida de la máquina y la velocidad. En la figura 6 está  representado un colector sencillo del tipo cilíndrico. Se compone de varias delgas pequeñas en forma de cuña, 1, de cobre duro estirado o forjado. Las barras de cobre están separadas entre sí por hojas de mica y aisladas de los anillos que las soportan por medio de conos o manguitos de mica. Las delgas están ensambladas por cola de milano y, después de un tratamiento a presión en caliente, el colector es torneado para que su superficie quede perfectamente cilíndrica. El devanado del inducido es conectado al colector de varias maneras. Si los diámetros del inducido y del colector no difieren considerablemente, los extremos del devanado se sueldan directamente a las delgas del colector.

Figura 7. Colector con porción quitada para ver su construcción.

Un extremo de una bobina se conecta a una delga y el otro extremo está soldado a la delga adyacente. Cada bobina da vueltas sobre la precedente. Este método se denomina devanado de vuelta y se ilustra en la figura 8.

Las escobillas se montan sobre la superficie del colector formando el contacto eléctrico entre las bobinas de la armadura y el circuito externo. Un conductor flexible, trenzado de cobre, comúnmente llamado cola de cerdo, conecta cada escobilla con el circuito externo. Las escobillas, generalmente hechas de carbono de alto grado y mantenidas en su lugar mediante soportes de escobillas aisladas del bastidor, están libres para deslizarse hacia arriba y hacia abajo en sus soportes con el fin de seguir las irregularidades en la superficie del colector. Las escobillas son generalmente ajustables de modo que la presión de las mismas sobre el colector se pueda variar y se pueda ajustar su posición con respecto a los segmentos (delgas).

 

Figura 8. Vuelta de devanado que conecta un extremo de dos bobinas a cada segmento del colector y los otros extremos de cada bobina a los segmentos adyacentes.

 

El constante cierre y apertura de las conexiones a las bobinas en el que el voltaje está siendo inducido requiere el uso de materiales para escobillas que tengan una buena resistencia de contacto.

Figura 9. Escobilla de carbón

 

Además, este material debe ser tal que la fricción sea baja, para evitar un desgaste excesivo. El carbón de alto grado utilizado en la fabricación de escobillas tienen que ser lo suficientemente suave para evitar el desgaste excesivo del colector y sin a la vez lo suficientemente duro para proporcionar una vida de escobilla razonable, y puesto que la resistencia de contacto del carbón es bastante alta, la escobilla debe ser bastante grande para proporcionar una gran superficie de contacto. La superficie del colector está altamente pulida para reducir la fricción tanto como sea posible. Aceite o grasa nunca deben ser usados en un colector, y el cuidado extremo debe ser utilizado en la limpieza para evitar estropear o rayar la superficie.

 

Figura. Portaescobillas.  1, caja del portaescobillas; 2, escobilla; 3, resorte de presión; 4, shunt de corriente (cable flexible de conexión de la escobilla).

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