Máquina de Corriente Directa
Motor de Corriente
Directa
Un motor común de corriente directa o continua se compone de las siguientes partes o piezas:
Carcasa metálica o cuerpo del motor: Aloja en su interior, de forma fija, dos imanes
permanentes con forma de semicírculo, con sus correspondientes polos norte y
sur.
Rotor o parte giratoria del motor: Se compone de una estructura metálica formada por un
conjunto de chapas o láminas de acero al silicio, troqueladas con forma
circular y montadas en un mismo eje con sus correspondientes bobinas de alambre
de cobre, que lo convierten en un electroimán giratorio. Por norma general el
rotor de la mayoría de los pequeños motores de C.D. se compone de tres
enrollados o bobinas que crean tres polos magnéticos. Los extremos de cada una
de esas bobinas se encuentran conectados a diferentes segmentos del colector.
Colector o conmutador: Situado
en uno de los extremos del eje del rotor, se compone de un anillo deslizante
seccionado en dos o más segmentos. Generalmente el colector de los pequeños
motores comunes de C.D. se divide en tres segmentos.
Escobillas:
Representan dos contactos que pueden ser metálicos en unos casos, o compuesto
por dos piezas de carbón en otros. Las escobillas constituyen contactos
eléctricos que se deslizan por encima de los segmentos del colector mientras
estos giran. Su misión es suministrar a la bobina o bobinas del rotor a través
del colector, la corriente eléctrica directa necesaria para energizar el
electroimán. En los pequeños motores las escobillas normalmente se componen de
dos piezas o flejes metálicos que se encuentran fijos en la tapa que cierra la
carcasa o cuerpo del motor.
Tapa de la carcasa (izquierda en la foto): Es la tapa que se emplea para cerrar uno de los extremos
del cuerpo o carcasa del motor. En su cara interna se encuentran situadas las
escobillas de forma fija. El motor de esta foto utiliza en función de
escobillas dos flejes metálicos.
Principio de
funcionamiento de un motor de corriente directa
El principio de funcionamiento de los motores
eléctricos de corriente directa o continua se basa en la repulsión que ejercen
los polos magnéticos de un imán permanente cuando, de acuerdo con la Ley de
Lorentz, interactúan con los polos magnéticos de un electroimán que se
encuentra montado en un eje. Este electroimán se denomina “rotor” y su eje le
permite girar libremente entre los polos magnéticos norte y sur del imán
permanente situado dentro de la carcasa o cuerpo del motor.
Cuando la corriente eléctrica circula por la bobina de este electroimán
giratorio, el campo electromagnético que se genera interactúa con el campo
magnético del imán permanente. Si los polos del imán permanente y del
electroimán giratorio coinciden, se produce un rechazo y un torque magnético o
par de fuerza que provoca que el rotor rompa la inercia y comience a girar
sobre su eje en el mismo sentido de las manecillas del reloj en unos casos, o
en sentido contrario, de acuerdo con la forma que se encuentre conectada al circuito
la pila o la batería.
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.
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 qué 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 desenergiza, 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 conectada. 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 la zona neutral, 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 Lorentz),
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.
Generadores de
Corriente Directa
Los generadores de corriente continua son máquinas que
producen tensión su funcionamiento se reduce siempre al principio de la bobina
giratorio dentro de un campo magnético. Si una armadura gira entre dos polos
magnéticos fijos, la corriente en la armadura circula en un sentido durante la
mitad de cada revolución, y en el otro sentido durante la otra mitad. Para
producir un flujo constante de corriente en un sentido, o corriente continua,
en un aparato determinado, es necesario disponer de un medio para invertir el
flujo de corriente fuera del generador una vez durante cada revolución. En las
máquinas antiguas esta inversión se llevaba a cabo mediante un conmutador, un
anillo de metal partido montado sobre el eje de una armadura. Las dos mitades
del anillo se aislaban entre sí y servían como bornes de la bobina. Las
escobillas fijas de metal o de carbón se mantenían en contacto con el
conmutador, que al girar conectaba eléctricamente la bobina a los cables
externos. Cuando la armadura giraba, cada escobilla estaba en contacto de forma
alternativa con las mitades del conmutador, cambiando la posición en el momento
en el que la corriente invertía su sentido dentro de la bobina de la armadura.
Así se producía un flujo de corriente de un sentido en el circuito exterior al
que el generador estaba conectado. Los generadores de corriente continua
funcionan normalmente a voltajes bastante bajos para evitar las chispas que se
producen entre las escobillas y el conmutador a voltajes altos. El potencial
más alto desarrollado para este tipo de generadores suele ser de 1.500 voltios.
En algunas máquinas más modernas esta inversión se realiza usando aparatos de
potencia electrónica, como por ejemplo rectificadores de diodo.
Los generadores modernos de corriente continua utilizan
armaduras de tambor, que suelen estar formadas por un gran número de bobinas
agrupadas en hendiduras longitudinales dentro del núcleo de la armadura y
conectadas a los segmentos adecuados de un conmutador múltiple. Si una armadura
tiene un solo circuito de cable, la corriente que se produce aumentará y
disminuirá dependiendo de la parte del campo magnético a través del cual se
esté moviendo el circuito. Un conmutador de varios segmentos usado con una
armadura de tambor conecta siempre el circuito externo a uno de cable que se
mueve a través de un área de alta intensidad del campo, y como resultado
la corriente que suministran las bobinas de la armadura es prácticamente constante.
Los campos de los generadores modernos se equipan con cuatro o más polos
electromagnéticos que aumentan el tamaño y la resistencia del campo magnético.
En algunos casos, se añaden interpolos más pequeños para compensar las
distorsiones que causa el efecto magnético de la armadura en el flujo eléctrico
del campo.
El campo inductor de un generador se puede obtener mediante
un imán permanente (magneto) o por medio de un electroimán (dinamo). En este
último caso, el electroimán se excita por una corriente independiente o por
autoexcitación, es decir, la propia corriente producida en la dinamo sirve para
crear el campo magnético en las bobinas del inductor. Existen tres tipos de
dinamo según sea la forma en que estén acoplados el inductor y el inducido: en
serie, en derivación y en combinación.
Los generadores de corriente continua se clasifican según
el método que usan para proporcionar corriente de campo que excite los imanes
del mismo. Un generador de excitado en serie tiene su campo en serie respecto a
la armadura. Un generador de excitado en derivación, tiene su campo conectado
en paralelo a la armadura. Un generador de excitado combinado tiene parte de
sus campos conectados en serie y parte en paralelo. Los dos últimos tipos de
generadores tienen la ventaja de suministrar un voltaje relativamente
constante, bajo cargas eléctricas variables. El de excitado en serie se usa
sobre todo para suministrar una corriente constante a voltaje variable. Un
magneto es un generador pequeño de corriente continua con un campo magnético
permanente.
Una dinamo es una máquina eléctrica que produce energía
eléctrica en forma de corriente continua aprovechando el fenómeno de inducción
electromagnética. Para ello está dotada de un armazón fijo (estator) encargado
de crear el campo magnético en cuyo interior gira un cilindro (rotor) donde se
crearán las fuerzas electromotrices inducidas.
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