cómo funciona un motor eléctrico-en teoría
foto: un electricista repara un motor eléctrico a bordo de un portaaviones.El metal brillante que está usando puede parecer oro,pero en realidad es cobre, un buen conductor que es mucho menos costoso. Foto de Jason Jacobowitz cortesía de US Navy.
el vínculo entre electricidad, magnetismo y movimiento fue descubierto originalmente en 1820 por el físico francés André-MarieAmpère(1775-1867) y es la ciencia básica detrás de un motor eléctrico., Pero si queremos convertir este increíble descubrimiento científico en una tecnología más práctica para alimentar nuestras segadoras eléctricas y cepillos de dientes, tenemos que llevarlo un poco más lejos. Los inventores que hicieron eso fueron los ingleses Michael Faraday (1791-1867) y William Sturgeon (1783-1850) y Americananjoseph Henry (1797-1878). Así es como llegaron a su brillante invento.
supongamos que doblamos nuestro cable en un bucle cuadrado en forma de U para que haya dos cables paralelos que corren a través del campo magnético., Uno de ellos toma la corriente eléctrica lejos de nosotros a través del cable y el otro Trae la corriente de nuevo. Debido a que la corriente fluye en direcciones opuestas en los cables, La regla de la izquierda de Fleming nos dice que los dos cables se moverán en direcciones opuestas. En otras palabras, cuando activamos la electricidad, uno de los cables se moverá hacia arriba y el otro hacia abajo.
si la bobina de alambre pudiera seguir moviéndose así, rotaría continuamente, y estaríamos en el camino de hacer un motor eléctrico. Pero eso no puede suceder con nuestra configuración actual: los cables se enredarán rápidamente., No solo eso, sino que si la bobina pudiera girar lo suficiente, algo más pasaría. Una vez que la bobina alcanzó la posición vertical, se voltearía, por lo que la corriente eléctrica fluiría a través de ella de la manera opuesta. Ahora las fuerzas en cada lado de la bobina se revertirían. ¡En lugar de girar continuamente en la misma dirección, se movería hacia atrás en la dirección en la que acababa de llegar!Imagine un tren eléctrico con un motor como este: se mantendría arrastrando los pies hacia atrás y hacia adelante en el lugar sin ir realmente a ninguna parte.,
cómo funciona un motor eléctrico—en la práctica
Hay dos maneras de superar este problema. Una de ellas es utilizar un tipo de corriente eléctrica que periódicamente invierte la dirección, que se conoce como una corriente alterna (CA).en el tipo de pequeños motores alimentados por batería que usamos en el hogar, una mejor solución es agregar un componente llamado conmutador a los extremos de la bobina. (No se preocupe por el nombre técnico sin sentido: esta palabra un poco anticuada » conmutación «es un poco como la palabra»conmutar»., Simplemente significa cambiar de ida y vuelta en el mismo camino que el viaje significa viajar de ida y vuelta.) En su forma más simple, el conmutador es un anillo de metal dividido en dos mitades separadas y su trabajo es revertir la corriente eléctrica en la bobina cada vez que la bobina gira a través de media vuelta. Un extremo de la bobina está unido a cada mitad del conmutador. La corriente eléctrica de la bateríaconecta a los terminales eléctricos del motor.,Estos alimentan la energía eléctrica en el conmutador a través de un par de conectores sueltos llamados cepillos,hechos ya sea de piezas de grafito (carbono blando similar al lápiz»plomo») o longitudes delgadas de metal elástico,que (como su nombre indica) «cepillan» contra el conmutador. Con el conmutador en su lugar, cuando la electricidad fluye a través del circuito, el aceite girará continuamente en la misma dirección.
obras de Arte: Un diagrama simplificado de las partes en un electricmotor. Animación: cómo funciona en la práctica., Observe cómo el conmutador invierte la corriente cada vez que la bobina gira. Esto significa que la fuerza en cada lado de la bobina siempre está empujando en la misma dirección, lo que mantiene la bobina girando en el sentido de las agujas del reloj.
un motor simple y experimental como este no es capaz de generar mucha potencia. Podemos aumentar la fuerza de giro (o torque) que el motor puede crear de tres maneras: o podemos tener un imán permanente más potente, o podemos aumentar el flujo de corriente eléctrica a través del cable, o podemos hacer que la bobina tenga muchos»giros» (bucles) de alambre muy delgado en lugar de un «giro» de alambre grueso.,En la práctica, un motor también tiene el imán permanente curvado en forma circular por lo que casi toca la bobina de alambre que gira dentro de él. Cuanto más cerca esté el imán y la bobina, mayor será la fuerza que el motor puede producir.
aunque hemos descrito una serie de partes diferentes, se puede pensar en un motor como teniendo solo dos componentes esenciales:
- hay un imán permanente (o imanes) alrededor del borde de la caja del motor que permanece estático, por lo que se llama el estator de un motor.,
- dentro del estator, está la bobina, montada en un eje que gira a alta velocidad, y esto se llama rotor. El rotor también incluye el conmutador.
Motores universales
Los motores de corriente continua como este son ideales para juguetes alimentados con baterías (cosas como trenes en miniatura, coches controlados por radio o máquinas de afeitar eléctricas), pero no los encuentras en muchos electrodomésticos. Los pequeños electrodomésticos (cosas como molinillos de café o licuadoras eléctricas de alimentos) tienden a usar lo que se llaman motores universales, que pueden ser alimentados por CA o CC., A diferencia de un simple motor de CC, un motor universal tiene un electroimán, en lugar de un imán permanente, y toma su potencia de la corriente continua o CA que alimenta:
- cuando se alimenta en CC, el electroimán funciona como un imán permanente convencional y produce un campo magnético que siempre apunta en la misma dirección. El conmutador invierte la corriente de la bobina cada vez que la bobina se voltea, al igual que en un simple motor de CC, por lo que la bobina siempre gira en la misma dirección.,
- cuando se alimenta en CA, sin embargo, la corriente que fluye a través del electroimán y la corriente que fluye a través de la bobina se invierten, exactamente en el paso, por lo que la fuerza en la bobina siempre está en la misma dirección y el motor siempre gira en sentido horario o antihorario. ¿Y el conmutador? La frecuencia de la corriente cambia mucho más rápido que el motor gira y, debido a que el campo y la corriente están siempre en paso, en realidad no importa en qué posición se encuentra el conmutador en un momento dado.,
animación: cómo funciona un motor universal: el suministro de electricidad alimenta tanto el campo magnético como la bobina giratoria. Con un suministro de CC, un motor universal funciona igual que un motor de CC convencional, como el anterior. Con un suministro de CA, tanto el campo magnético como la corriente de la bobina cambian de dirección cada vez que la corriente de suministro se invierte. Eso significa que la fuerza en la bobina siempre apunta de la misma manera.,
foto: dentro de un motor universal típico: las partes principales dentro de un motor de tamaño mediano de un molinillo de café, que puede funcionar con CC o CA. El electroimán gris alrededor del borde es el estator (parte estática) y es alimentado por las bobinas de color naranja. Tenga en cuenta también las ranuras en el conmutador y las escobillas de carbón que empujan contra él, que proporcionan energía al rotor (parte giratoria)., Los motores de inducción en cosas tales como trenes ferroviarios eléctricos son muchas veces más grandes y más potentes que esto, y siempre funcionan usando corriente alterna de alto voltaje (CA), en lugar de corriente continua de bajo voltaje (CC), o la corriente alterna doméstica de bajo voltaje que alimenta los motores universales.
otros tipos de motores eléctricos
en motores simples de CC y universales, el rotor gira dentro del estator. El rotor es una bobina conectada a la fuente de alimentación eléctrica y el estator es un imán permanente o electroimán., Los grandes motores de CA (utilizados en cosas como las máquinas de fábrica) funcionan de una manera ligeramente diferente: pasan corriente alterna a través de pares opuestos de imanes para crear un campo magnético giratorio, que «induce» (crea) un campo magnético en el rotor del motor, haciendo que gire alrededor. Puede leer más sobre esto en nuestro artículo sobre motores de inducción de CA. Si toma uno de estos motores de inducción y lo «desenvuelve», de modo que el estator se distribuya efectivamente en una larga pista continua, el rotor puede rodar a lo largo de él en línea recta., Este ingenioso diseño se conoce como un motor lineal, y lo encontrará en cosas tales como máquinas de fábrica y ferrocarriles flotantes de «levitación magnética» (levitación magnética).
Otro diseño interesante es el motor brushless DC (BLDC). El estator y el rotor se intercambian efectivamente, con múltiples bobinas de hierro estáticas en el centro y el imán permanente girando alrededor de ellas, y el conmutador y los cepillos se reemplazan por un circuito electrónico. Puede leer más en nuestro artículo principal sobre motores de cubo.Los motores paso a paso, que giran a través de ángulos controlados con precisión, son una variación de los motores de CC sin escobillas.,
