MOTORES ELÉCTRICOS - DC Y AC

El motor eléctrico es un dispositivo que transforma la energía eléctrica en energía mecánica por medio de la acción de los campos magnéticos generados en sus bobinas. Son máquinas eléctricas rotatorias compuestas por un estator y un rotor.

Algunos de los motores eléctricos son reversibles, ya que pueden transformar energía mecánica en energía eléctrica funcionando como generadores o dinamo. Los motores eléctricos de tracción usados en locomotoras o en automóviles híbridos realizan a menudo ambas tareas, si se diseñan adecuadamente.

Son utilizados en infinidad de sectores tales como instalaciones industriales, comerciales y particulares. Su uso está generalizado en ventiladores, vibradores para teléfonos móviles, bombas, medios de transporte eléctricos, electrodomésticos, esmeriles angulares y otras herramientas eléctricas, unidades de disco, etc. Los motores eléctricos pueden ser impulsados por fuentes de corriente continua (CC), y por fuentes de corriente alterna (AC).

La corriente directa o corriente continua proviene de las baterías, los paneles solares, dínamos, fuentes de alimentación instaladas en el interior de los aparatos que operan con estos motores y con rectificadores. La corriente alterna puede tomarse para su uso en motores eléctricos bien sea directamente de la red eléctrica, alternadores de las plantas eléctricas de emergencia y otras fuentes de corriente alterna bifásica o trifásica como los inversores de potencia.

Campo magnético que rota como suma de vectores magnéticos a partir de 3 bobinas de la fase.


Rotor, estátor y ventilador de un motor eléctrico.

Principio de funcionamiento

Los motores eléctricos son dispositivos que transforman energía eléctrica en energía mecánica. El medio de esta transformación de energía en los motores eléctricos es el campo magnético. Existen diferentes tipos de motores eléctricos y cada tipo tiene distintos componentes cuya estructura determina la interacción de los flujos eléctricos y magnéticos que originan la fuerza o par de torsión del motor.

El principio fundamental que describe cómo es que se origina una fuerza por la interacción de una carga eléctrica puntual q en campos eléctricos y magnéticos es la Ley de Lorentz:¹

${\displaystyle \mathbf {F} =q(\mathbf {E} +\mathbf {v} \times \mathbf {B} )}$

donde:

q : carga eléctrica puntual

${\displaystyle \mathbf {E} }$ : Campo eléctrico

${\displaystyle \mathbf {v} }$ : velocidad de la partícula

${\displaystyle \mathbf {B} }$ : densidad de campo magnético

En el caso de un campo puramente eléctrico la expresión de la ecuación se reduce a:

${\displaystyle \mathbf {F} =q\mathbf {E} }$

La fuerza en este caso está determinada solamente por la carga q y por el campo eléctrico ${\displaystyle \mathbf {E} }$. Es la fuerza de Coulomb que actúa a lo largo del conductor originando el flujo eléctrico, por ejemplo en las bobinas del estátor de las máquinas de inducción o en el rotor de los motores de corriente continua.

En el caso de un campo puramente magnético:

${\displaystyle \mathbf {F} =q(\mathbf {v} \times \mathbf {B} )}$

La fuerza está determinada por la carga, la densidad del campo magnético ${\displaystyle \mathbf {B} }$ y la velocidad de la carga ${\displaystyle \mathbf {v} }$. Esta fuerza es perpendicular al campo magnético y a la dirección de la velocidad de la carga. Normalmente hay muchísimas cargas en movimiento por lo que conviene reescribir la expresión en términos de densidad de carga ${\displaystyle \rho }$ y se obtiene entonces densidad de fuerza ${\displaystyle \mathbf {Fv} }$ (fuerza por unidad de volumen):

${\displaystyle \mathbf {Fv} =\rho (\mathbf {E} +\mathbf {v} \times \mathbf {B} )}$

Al producto ${\displaystyle \rho \mathbf {v} }$ se le conoce como densidad de corriente ${\displaystyle \mathbf {J} }$ (amperes por metro cuadrado):

${\displaystyle \mathbf {J} =\rho \mathbf {v} \,\!}$

Entonces la expresión resultante describe la fuerza producida por la interacción de la corriente con un campo magnético:

${\displaystyle \mathbf {Fv} =\mathbf {J} \times \mathbf {B} }$

Este es un principio básico que explica cómo se originan las fuerzas en sistemas electromecánicos como los motores eléctricos. Sin embargo, la completa descripción para cada tipo de motor eléctrico depende de sus componentes y de su construcción.

Motores de corriente continua

Los motores de corriente continua se clasifican según la forma como estén conectados, en:

• Motor de excitación independiente
• Motor serie
• Motor compound
• Motor shunt
• Motor eléctrico sin escobillas

Además de los anteriores, existen otros tipos que son utilizados en electrónica:

• Motor paso a paso
• Servomotor
• Motor sin núcleo

Motores de corriente alterna

Existen tres tipos, siendo el primero y el último los más utilizados:

• Motor asíncrono
• Motor síncrono
• Motor universal, puede trabajar tanto en CA como en CC.

1 Fitzgerald, A.E., Kinglsley, C., Umans, S., Electric Machinery, sexta Edición, Mc.Graw Hill, International Edition 2003