COMO TRABAJA UN MOTOR ELECTRICO

por Herle Henkenius

Ilustraciones: Eugene Thompson

El típico motor de inducción de una fase se usa para convertir energía eléctrica en energía mecánica, en los equipos de uso domésticos, como son las lavadoras, secadoras, refrigeradores y calentadores.

Muchos dispositivos que ahorran tiempo de trabajo y que usamos a diario están activados por motores eléctricos. Los más obvios (taladros, procesado res de alimentos, ventiladores y aspiradoras) no nos sorprenden, porque podemos oír el motor tan pronto como se conecta el interruptor o se presiona el gatillo. Otras aplicaciones, como un refrigerador, lavadora de platos y hornillos para la calefacción, son menos evidentes. En éstos, el motor asume un papel de respaldo, proporcionando la energía necesaria para mantener funcionando un equipo complejo. En ambos casos, el motor suministra energía mecánica. Pero algo único sobre un motor eléctrico es que genera su energía mecánica de la corriente eléctrica.
Aunque hay muchos tipos de motores eléctricos, todos ellos utilizan un fenómeno común que enlaza la energía eléctrica con la mecánica: el magnetismo.

Magnetos y electricidad
Cada magneto está rodeado por un campo o fuerza que se mueve a través y alrededor de él, para crear una polaridad de norte a sur. Y, como nos enseñaron en física, los polos similares de dos magnetos se repelen mutuamente y los polos opuestos se atraen el uno al otro. La esencia de un motor eléctrico consiste en usar un magneto para mover a otro.
Toda corriente eléctrica siempre está acompañada por un campo magnético. Un alambre de cobre, el que normalmente no se ve afectado por un campo magnético, se vuelve magnético cuando se envía una corriente a través del mismo. Al enrollar el alambre en una bobina, se consigue concentrar el campo magnético. Y al colocar una barra de hierro dentro de la bobina, se amplifica el efecto. El resultado es que se obtiene un magneto eléctrico. Un extremo de la barra es el polo positivo y el otro extremo el polo negativo. Al cambiar la dirección de la corriente, también se cambia la polaridad.

1 El motor simplificado de CA (arriba a la derecha) se compone de un magneto eléctrico colocado sobre un magneto permanente, montado en un pivote. Cuando la corriente es enviada a través del enrollado, el magneto permanente gira para que los polos opuestos se alineen. A medida que la CA cambia de dirección, el magneto permanente continúa girando para alinear los polos opuestos. El motor de inducción de dos polos (abajo a la derecha) tiene un estator que genera un campo magnético a través del rotor. La corriente eléctrica inducida en el rotor crea un campo magnética que hace girar el rotor para alinearlo con los polos del estator. Con cada ciclo de la CA, el rotor gira 360°. La velocidad es determinada por el número de ciclos por segundo.

Un motor simple
Si se monta un magneto permanente en un pivote, junto a un magneto eléctrico, y se conecta la corriente, el magneto permanente se alineará a sí mismo con el magneto eléctrico, a medida que su polo positivo es atraído por el polo negativo del magneto eléctrico (Fig. 1 ). Si se cambia la dirección de la corriente en el momento correcto, se consigue que el magneto dé una rotación de 180°. Si se continúa haciendo cambiar la dirección de la corriente a los intervalos apropiados, el magneto permanente girará.
     Aunque hay varias maneras de hacer que la corriente cambie de dirección, la corriente alterna (CA) realiza esta labor de una forma automática. En esta corriente el voltaje pasa por un ciclo desde cero hasta una cúspide positiva, y de allí nuevamente desciende a cero, y entonces repite este proceso mientras la corriente fluye en la dirección opuesta. La corriente normal de uso doméstico repite este proceso de cambio 60 veces cada segundo.

Los motores de inducción
Los motores más comunes hallados en los equipos electrodomésticos, como un refrigerador o una estufa de calefacción, son motores de inducción. La inducción electromagnética ocurre cuando un conductor corta a través de un campo magnético. El campo magnético genera un flujo de corriente en el conductor sin que exista un contacto físico. Un motor de inducción tiene un centro rotatorio, o rotor, el que está hecho de un anillo de conductores no magnéticos, conectados en los extremos, y contenidos en un cilindro laminado en acero. El rotor está rodeado por un enrollado con un campo estacionario, el que es llamado estator (que significa circuito fijo). En su forma más simple, el estator tiene dos polos (norte y sur) que crean un campo electromagnético a través del propio estator. Este campo induce una corriente en el rotor que, a su vez, genera un campo magnético. La interacción entre el campo magnético inducido en el rotor y el campo magnético del estator, que varía con la corriente alterna (CA), fuerza al rotor a girar.
     El número de polos en el estator, conjuntamente con la frecuencia de la corriente alterna (60 ciclos por segundo), determina la velocidad a la cual el campo magnético trata de hacer girar el rotor (la velocidad sincrónica). En teoría, un motor de dos polos gira una revolución completa en cada ciclo de la corriente alterna, o sea: 3.600 revoluciones por minuto. Si se cambia aun motor de cuatro polos, entonces el campo magnético solamente gira 1802 durante cada ciclo, a una velocidad de 1.800 rpm. Sin embargo, la velocidad real de un motor típico de inducción se retrasa con respecto a la velocidad sincrónica. Esta pérdida, llamada de deslizamiento, hace que las velocidades usuales reales sean de 3.450 y 1.725 rpm respectivamente .
     Desde luego, este motor teórico solamente funcionará si es conducido a su velocidad de operación por alguna otra fuente. En la práctica, hay varias formas de hacer que las cosas se muevan. En un sistema de tres fases, la corriente está compuesta de tres ciclos de voltajes iguales funcionando de forma concurrente. Cuando cada uno de esos ciclos alimenta su respectivo enrollado en el estator, un campo magnético rotatorio es producido, al que inmediatamente sigue el rotor (Fig. 2). Los motores de una fase única a menudo utilizan en el estator un alambrado separado de arranque. Conjuntamente con el capacitador, este enrollado de arranque genera un campo magnético que está fuera de fase con el enrollado del campo primario. Esto trae como resultado un campo rotatorio que hace girar el rotor. Cuando el rotor alcanza velocidad, entonces un interruptor centrífugo desconecta el alambrado de arranque de la fuente de energía.
     Los motores que usan inducción están hechos de una variedad de diseños con características de funcionamiento hechas a la medida del trabajo a realizar. Los motores de fase dividida vienen en tamaños de potencias con caballajes fraccionales, para activar accesorios de servicio ligero y herramientas motrices. Los motores con capacitadores de arranque comúnmente son usados en maquinarias y tienen potencia de hasta 10 caballos.

2 Un motor de varias fases usa tres corrientes alternas con ciclos de voltaje espaciados uniformemente. Las fases consecutivas se conectan a los polos del estator y crean campos magnéticos rotatorios.

Motores universales de CD
El taladro eléctrico común utiliza una clase diferente de motor. En donde un motor de inducción genera corriente (y también su campo magnético acompañante) en el rotor, la corriente directa (CD) y los motores universales le envían corriente al rotor, a través de un contacto físico directo, el que usualmente es llamado la armadura. La corriente es enviada a la armadura a través de bloques de carbón, o escobillas, que sostienen un componente que es comúnmente llamado conmutador. El conmutador dirige la corriente a través del enrollado de la armadura, donde su campo magnético tiene una interacción con el propio campo magnético del enrollado estacionario.
En su forma básica de corriente directa (CD), un conmutador de dos segmentos es simplemente un interruptor que invierte la polaridad del flujo de corriente a través de la armadura (Fig. 3). Como tal, el conmutador convierte la corriente directa a una forma de corriente alterna, y la armadura es forzada a girar como se explicó en los motores de corriente alterna.
En la práctica, el conmutador tiene muchos segmentos aislados (cada uno de ellos está conectado a un enrollado en la armadura) para generar un campo magnético rotatorio que haga girar la armadura. Los motores universales son similares a los motores de corriente directa, pero a los mismos se le hacen ciertas modificaciones, de manera que puedan funcionar tanto con corriente alterna como con corriente directa.

3 El motor de CD simple envía corriente a la armadura a través de un contacto entre las escobillas y el conmutador. El conmutador giratorio actúa como interruptor para alternar el campo magnético.

Fuente: Revista Mecánica Popular - Volumen 45 - Marzo 1992 - Número 3