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Motores eléctricos

Movimiento utilizando el electromagnetismo

En otras páginas se han descrito los campos magnéticos que aparecen en torno a los imanes permanentes y a los conductores por los que pasa una corriente eléctrica. La interacción entre campos provenientes de diferentes fuentes puede producir fuerzas y, por tanto, movimiento, siempre que se utilicen de forma apropiada y se dispongan convenientemente para poder aprovechar estas propiedades.

El efecto motor básico resulta de los efectos combinados del campo de un imán y el de una corriente eléctrica.

Figura 1.-Experimento para comprobar la interacción entre el campo magnético de un imán y el de una corriente eléctrica.

En la figura 1 se representa un esquema mediante el cual se pueden comprobar experimentalmente los efectos que se producen cuando pasa una corriente eléctrica a través del campo magnético que hay entre los polos de un potente imán. La barra por la cual circula la corriente puede deslizarse por encima de unos carriles metálicos por los cuales también circula la corriente. Cuando se conecta el circuito, la barra se mueve debido a la fuerza generada por los campos magnéticos del imán y de la corriente eléctrica. En la figura 2 se representan los dos campos separados y el que resulta de la combinación de ambos.

Figura 2.-Resultado de la combinación del campo magnético de un imán y el de una corriente eléctrica.

La fuerza proviene de la distribución tan asimétrica del campo que existe y, tanto el imán como la barra por la que pasa la corriente, experimentan unas fuerzas que están en sentido opuesto y que intentan nivelar el campo. La dirección de la fuerza depende de las direcciones de los campos magnéticos del imán y de la corriente eléctrica. En la figura 3 se resumen las relaciones en tres dimensiones que existen entre estas direcciones y se muestra la fuerza que experimenta el conductor por el cual circula la corriente.

Figura 3.-Relación entre las direcciones del campo, de la corriente eléctrica y de la fuerza.

Para recordar cuál es cada dirección puede ser útil emplear la «regla de la mano izquierda», de Fleming (Fig. 4).

Figura 4.-Regla de la mano izquierda, de Fleming.

Fuerzas entre corrientes eléctricas. El amperio

Para ver cómo actúan las fuerzas que se generan al circular dos corrientes por sendos cables rectos que se encuentran próximos entre sí, se puede emplear la regla de la mano izquierda (Fig. 5). El curioso resultado es que si las corrientes van en la misma dirección (el mismo sentido) se atraen, mientras que si van en direcciones contrarias se repelen entre ellas.

Figura 5.-Fuerzas generadas entre dos corrientes paralelas.

Hay una definición importante del amperio que utiliza este efecto de generación de una fuerza entre dos conductores por los cuales circula una corriente eléctrica:

El amperio es la intensidad de una corriente que circula por dos conductores finos de longitud infinita y paralelos separados 1 m uno de otro y situados en el vacío, y que produce una fuerza entre ellos de 2 x 107 N por metro de longitud de los conductores.

Aunque se trata sólo de una definición teórica, se pueden medir corrientes utilizando métodos basados en esta definición, equilibrando fuerzas, y además esta definición se acepta internacionalmente como forma para comprender lo que es un amperio.

El efecto Hall

Si tenemos un imán y un conductor que no se pueden mover y el campo del imán y de la corriente eléctrica que pasa por el conductor están interaccionando, la fuerza que se crea afecta a los electrones que hay dentro del conductor, desplazándolos hacia un lado mientras se están moviendo. Como consecuencia de esto se genera una pequeña diferencia de potencial en dirección perpendicular a la corriente, fenómeno que se denomina efecto Hall.

En la figura 6 se representan los conceptos antes mencionados y la relación entre ellos. Los materiales semiconductores, como el germanio, presentan un efecto Hall muy acusado, pudiendo ser utilizados para medir la intensidad de campos magnéticos a partir de la intensidad de la corriente utilizada y de la diferencia de potencial que se genera.

Figura 6.-Efecto Hall.

Motor de corriente continua

En la figura 7 se puede ver la forma de fabricar un motor sencillo de corriente continua, cuyo diseño tiene bastante en común con el de los motores grandes que aparecen en el mercado. Se compone de una armadura (un trozo de madera) que sirve de soporte a una bobina de cable aislado compuesta por varias vueltas (espiras), y que puede girar libremente en el seno de un campo magnético.

Para que la corriente pueda entrar y salir de la bobina a través de los contactos, sin influir en ello el movimiento de la armadura, se utiliza el método que se representa en la figura 7.

Figura 7.-Fabricación de un motor de corriente continua.

El motor funciona debido a que las caras opuestas de la bobina soportan fuerzas en sentido contrario, provocando el giro de la armadura. En la figura 8 se representan las fuerzas que actúan:

a) cuando la bobina está en posición horizontal, y b) cuando se encuentra formando un ángulo con la dirección de los polos del imán.

Si la bobina gira por efecto de las fuerzas, como se ve en las figuras, se pondrá rápidamente en posición vertical, quedándose así en equilibrio, y las fuerzas que se aplican a los lados AB y CD se mantendrán fijas. Para mantener la rotación se necesita que la corriente cambie de sentido en la bobina, saliendo ésta de la posición vertical, como se ve en la figura 8c, produciéndose unas fuerzas que son las que hacen que continúe girando la bobina. Si se puede invertir el sentido de la corriente cada media vuelta cuando la bobina pasa por la posición vertical (es decir, cuando la espira representada se pone paralela a las caras de los polos del imán), las fuerzas también se invierten y la bobina mantiene su rotación.

Figura 8.-Efectos producidos en un motor de corriente continua.

El dispositivo que se utiliza para invertir el sentido de la corriente se denomina colector conmutador. En la figura 9 se representa un colector sencillo; tiene dos escobillas de carbón que rozan con dos semicilindros aislados entre sí, a los cuales se conectan los extremos de la bobina. Con esto se introduce una mejora al método utilizado en la figura 7, puesto que se pueden mantener los contactos eléctricos durante el giro completo de la bobina en vez de tener que hacerlo de forma intermitente, únicamente conectando los extremos de la bobina a los contactos metálicos (en la figura 9,  las escobillas de carbón estarían fijas a la carcasa del motor y los anillos de cobre girarían entre ellas al mismo tiempo que la bobina).

Algunos detalles de diseño de motores de corriente continua reales

Figura 9.-Detalle del colector.

Los motores reales se construyen de forma más robusta y elaborada que el modelo descrito anteriormente. Se necesitan, por ejemplo, diseños apropiados de las piezas mecanizadas y de la carcasa protectora, pero sobre todo se puede mejorar el diseño si se utilizan varias bobinas de cable separadas una cierta distancia conectadas en serie y arrolladas en una armadura cilíndrica. Para ello se necesita un colector múltiple con escobillas de carbón, con el fin de proporcionar las conexiones necesarias y producir la inversión de la corriente. La armadura se fabrica en hierro dulce laminado y los polos del imán son curvados para adaptarse a la armadura (también llamada inducido). Los motores pequeños utilizados para juguetes tienen imanes permanentes, pero los motores grandes llevan electroimanes que necesitan bobinados separados para funcionar. En la figura 10 se pueden observar las distintas partes mencionadas de un motor de corriente continua.

Cuando se utilizan electroimanes en los motores, hay tres formas de realizar las conexiones para utilizar la misma fuente en el electroimán y en el inducido (Fig. 11). Cada tipo de bobinado da al motor unas propiedades distintas y, por tanto, se utiliza para distintas aplicaciones.

Una propiedad de todos los motores, es que necesitan una intensidad de corriente muy grande para arrancar, pero cuando está en régimen es mucho más  baja. Esto hace pensar que el motor tiene una resistencia cuyo valor depende de la velocidad a la que está girando.

Figura 10.-Partes de un motor de corriente continua real.

Figura 11.-Tres tipos de bobinados en motores de corriente continua.

Es importante incluir una resistencia variable (cuyo valor se puede reducir progresivamente) en el circuito que contenga un motor, para prevenir un calentamiento indebido de los bobinados.

Motores de corriente alterna

La parte más complicada de un motor de corriente continua es el colector conmutador, que invierte el sentido de la corriente en las bobinas del inducido o armadura cada media vuelta, como ya hemos visto. Si se utiliza corriente alterna en vez de continua, no se necesita el colector, puesto que la corriente invierte su sentido automáticamente. Sin embargo, sigue teniéndose el problema de que los contactos permanezcan al girar el motor. En la figura 12 se representa una adaptación del diseño de motor básico en el cual los terminales de la bobina permanecen siempre en contacto con los mismos contactos, en lugar de estar alternativamente cambiando de uno a otro, como en el caso del motor de continua de la figura 7.

Figura 12. Detalle de los contactos en un motor básico de corriente alterna.

Puesto que el giro del inducido depende del cambio de sentido de la corriente en el momento apropiado, existirá una cierta velocidad a la cual el motor de corriente alterna funcione sincronizado con la frecuencia de la corriente alterna. Este tipo de motores síncronos tiene una aplicación obvia en relojes eléctricos diseñados para funcionar dependiendo de la frecuencia de 50 Hz de la tensión de red. En la figura 13 aparecen algunos detalles de la construcción de un motor de este tipo. Los polos interiores y los exteriores cambian el sentido de su magnetización cada vez que se invierte la corriente. Si el rotor (parte del motor que gira) gira a la velocidad adecuada, sus polos permanentes son atraídos continuamente por el siguiente par de polos fijos y se puede mantener una velocidad de rotación constante, que depende del número de polos fijos y de la frecuencia de la corriente alterna de alimentación.

Normalmente este tipo de motor necesita un pequeño giro inicial para empezar a funcionar. Los motores de corriente alterna grandes se diseñan de diferente forma.

Figura 13.- Motor sincrono de corriente alterna.

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