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MOTORES ELÉCTRICOS GENERALIDADES Y USOS EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA

Elaborado por: Yadiela Mosquera Palacios Valeria Castaño Hoyos Juan Pablo Cortés Jaramillo

Ingeniería de Alimentos

RESUMEN Los motores eléctricos consisten es transformar la energía eléctrica en energía mecánica por medio de campos magnéticos, estos se componen de dos partes una llamada rotor y otra estator; existen motores eléctricos de las más variadas dimensiones, desde los pequeños motores fraccionarios empleados en pequeños instrumentos hasta potentes sistemas que generan miles de caballos de fuerza, desde la creación del motor, esté siempre ha estado en todos los ámbitos de la vida. En este trabajo se presenta la reseña histórica de un motor eléctrico, sus conceptos básicos y algunas aplicaciones en la industria de alimentos.

INTRODUCCIÓN

Los motores eléctricos son dispositivos o aparatos que transforman la energía eléctrica en energía mecánica y se utilizan en infinidad de sectores industriales y la cotidianidad. Los motores hacen parte fundamental de los procesos de manufactura de las empresas y del diario vivir de las personas. Siempre el ser humano ha buscado con sus creaciones o inventos el mejorar la calidad de vida y facilitar los procesos de trabajo. Desde la creación del motor, esté siempre ha estado en todos los ámbitos de la vida; podemos encontrar actualmente muchos dispositivos o equipos que emplean motores eléctricos de varios modelos, tamaños y capacidades para realizar un trabajo específico; ventiladores, taladros, secadores de cabellos, vehículos e incluso cargamos uno diario en nuestros relojes de mano. El uso doméstico de motores eléctricos redujo la mano de obra pesada en el hogar y posibilitó estándares más altos de comodidad, confort y seguridad. Los motores eléctricos se componen de: el estator, la carcasa, la base, el rotor, la caja de conexiones, las tapas y los cojinetes, de igual manera, un motor puede funcionar solo con el estator y el rotor. Los motores eléctricos funcionan desde para propulsar trenes, compresores y aplicaciones de bombeo, hasta el mover las manecillas del reloj. Los motores se clasifican por el tipo de fuente de energía eléctrica, construcción interna, aplicación, tipo de salida de movimiento, entre otras. La fuente de energía fundamental de un motor es la corriente, esta puede ser o corriente alterna AC o corriente directa DC. Dependiendo de la funcionalidad o la capacidad, en modelos, usos y tamaños.

Con el pasar del tiempo se han presentado avances significativos que han permitido que los motores desarrollen procesos más sostenibles. Uno de los mayores beneficios que trajo el motor eléctrico es que cada máquina puede estar equipada con su propia fuente de energía, lo que trae un control fácil en el punto de uso y mejora la eficiencia de la transmisión de energía. Actualmente, los motores eléctricos tienen ciertas características, el tamaño y peso son menores, también tienen diversas formas para adaptarse a la máquina que lo requiera, la capacidad y el rendimiento sigue siendo elevado, algunos no necesitan de refrigeración ni ventilación externa y no emiten contaminantes Los motores eléctricos revolucionaron la industria, los procesos industriales no están limitados por la transmisión de potencia mediante ejes de línea, correas, aire comprimido o presión hidráulica.

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Reseña histórica (1)

Michael Faraday, científico británico en 1821 fue quién creó el primer principio de la conversión de la energía eléctrica en energía mecánica por medio de electroimanes. Antonio Pacinotti, inventó el inducido en forma de anillo en una máquina que transforma el movimiento mecánico en corriente eléctrica continua con una pulsación. Ésta es la idea del motor eléctrico de corriente continua. Los primeros motores eléctricos técnicamente utilizables fueron creados por el ingeniero Moritz Von Jacobi, quién los presentó por primera vez al mundo en 1834. En el año 1866 Werner Von Siemens inventó el dínamo que es la base del motor eléctrico, además fue el instaurador del concepto de Ingeniería Eléctrica y en los años 80, gracias a él y a Nikola Tesla, se estableció como disciplina en las universidades. La construcción de las primeras máquinas eléctricas fue a mediados de la década de 1880. Karl Marx dijo: “la electricidad causaría una revolución de mayores alcances que la que se vivía en la época con las máquinas de vapor”

CONCEPTOS GENERALES (2)(3) El principio de funcionamiento de los motores eléctricos de DC o AC se basa en la repulsión que ejerce los polos magnéticos de un imán. Los imanes tienen la propiedad de atraer y ser atraídos, y cuando se colocan uno dentro del campo magnético de otro este se ve sometido a fuerzas de atracción o repulsión, de manera que se cumple que polos iguales se repelen y polos distintos se atraen.

Imagen 1. Principio de funcionamiento.

En la siguiente figura se presenta un imán N-S, dentro de un campo magnético uniforme de otro imán N-S en forma de “u”, las fuerzas (F) que genera este imán hacen que el otro imán gire dentro de su punto de giro (0) en el sentido de las agujas del reloj hasta quedar en posición horizontal, en ese instante la fuerza del par de fuerza (F) es nulo quedando el imán en equilibrio , esta propiedad de los imanes es usada para obtener el giro en los motores eléctricos.

Imagen 2. Magnetismo.

Cuando a un conductor se induce energía eléctrica mientras está dentro de un campo magnético éste tiende a ser expulsado, de esta manera la energía eléctrica se transforma en energía mecánica de movimiento. La razón para esta fuerza de expulsión es porque la corriente que atraviesa por el conductor crea un campo magnético que se deforma, de esta manera las líneas del campo magnético del conductor se suman a las líneas del imán por la parte inferior, las mismas que llevan la misma polaridad, como consecuencia el campo magnético creado por el imán se deforma también, a esto se lo conoce como elasticidad de líneas de fuerzas es lo que empuja al conductor tendiendo a sacarlo del campo magnético del imán. Cabe mencionar que para que se produzca el desplazamiento del conductor es necesario que el mismo esté situado perpendicularmente a las líneas de fuerza del campo del imán, caso contrario el efecto es nulo y no se produce la repulsión como se observa en el siguiente gráfico.

Imagen 3. Efecto de repulsión.

En un motor, el proceso de conversión de la energía puede pensarse en términos simples. En “estado estacionario”, la entrada de energía o potencia eléctrica la máquina es simplemente la suma de las entradas de potencia eléctrica a las diferentes terminales. (H.Wayne, 2000). (revisar bibliografía) -

Partes del motor

Los motores eléctricos como ya mencionamos son elementos que funcionan con corriente alterna o corriente directa, transformando la energía eléctrica en mecánica, su uso o aplicaciones son diversas ya puede ir desde un pequeño componente de nuestra computadora como el ventilador hasta grandes motores propulsores de barcos o buques. Pero todos con ciertas modificaciones poseen los mismos componentes o elementos como los siguientes: Motor eléctrico

Imagen 4. Motor eléctrico.

Los motores de corriente continua y los síncronos de corriente alterna, tienen una utilización específica, por lo que se sabe que, para que un motor eléctrico funcione requiere de los siguientes aspectos:

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Del magnetismo que produce una fuerza física que mueve los objetos. En dependencia de cómo uno alinee los polos de un imán, así podrá atraer o rechazar otro imán. En los motores se utiliza la electricidad para crear campos magnéticos que se opongan entre sí, de tal modo que hagan moverse su parte giratoria, llamado rotor. En el rotor se encuentra un cableado, llamado bobina, cuyo campo magnético es opuesto al de la parte estática del motor. El campo magnético de esta parte lo generan imanes permanentes, precisamente la acción repelente a dichos polos opuestos es la que hace que el rotor comience a girar dentro del estator. Si el mecanismo terminara allí, cuando los polos se alinearan el motor se detendría por ello, para que el rotor continúe moviéndose es necesario invertir la polaridad del electroimán.

El armazón: Es la parte externa o carcasa que envuelve todo el conjunto de elementos que se encuentran en el interior del motor, el material empleado depende del uso o el tipo de motor puedes ser: Totalmente cerrada, abierta, a prueba de G goteos, a prueba de explosiones, sumergibles.

Imagen 5. Partes de un motor eléctrico.

El Inductor o Estator: Es el elemento que opera como base y está conformado por una serie de láminas de acero y silicio permitiendo que desde ese punto se lleve a cabo la rotación del motor dejando pasar un flujo magnético. El estator no se mueve mecánicamente, pero si magnéticamente, los devanados proveen los polos magnéticos. Los polos de un motor siempre son pares (pueden ser 2, 4, 6, 8, 10, etc.,), por ello el mínimo de polos que puede tener un motor para funcionar es dos (un norte y un sur) existen dos tipos de estatores: - Estator de polos salientes. - Estator ranurado

Imagen 6. Partes de un motor eléctrico.

El rotor: Es el elemento de transferencia mecánica, ya que de él depende la conversión de energía eléctrica a mecánica. Los rotores, son un conjunto de láminas de acero al silicio que forman un paquete, y pueden ser básicamente de tres tipos: - Rotor ranurado. - Rotor de polos salientes. - Rotor jaula de ardilla.

Imagen 7. Partes de un motor eléctrico.

Cojinetes: Son rodamientos que ayudan a la óptima operación de cada elemento giratorio del motor, son los encargados de fijar y sostener los ejes mecánicos, disminuir la fricción, reduciendo así el consumo de potencia. Tipos de cojinetes; - Cojinetes de Rodamiento. - Cojinetes de deslizamiento

Imagen 8. Partes de un motor eléctrico.

Escobilla: Es el elemento que ejerce de conexión eléctrica entre la parte fija y la giratoria dentro de un motor eléctrico, cuya finalidad es realizar la presión necesaria sobre los colectores o anillos rotatorios, y que de esta manera se pueda realizar el contacto para el paso de la electricidad.

Imagen 9. Partes de un motor eléctrico.

MONTAJE EXPERIMENTAL (4) Se desarrollará Materiales. - 1 metro de alambre de Cobre para bobinados de 0,6 a 0,7 mm de Diámetro. - 2 alfileres de gancho grandes o 2 clips sujetapapeles grandes - Fuente de alimentación o 2 pilas grandes - 2 cables con pinzas cocodrilo y conectores para la fuente - Si usa pilas, portapilas - Un imán de buena intensidad por ejemplo imanes de tierras raras (campo de la zona cercana de más de 200 Gauss ) Procedimiento. Para armar el motor comenzamos generando una bobina para lo cual utilizamos un cilindro de plástico, o una porción de caño o una pila tipo D ( grande) , (diámetro aproximado 4 cm ) en el cilindro bobinamos el alambre haciendo entre 10 y 15 vueltas del mismo, dejando unos 4 cm en cada extremo, que serán nuestros ejes como indica (ver imagen 10).

Imagen 10.

Como se observa en (ver imagen 11) será conveniente realizar algunas vueltas tipo lazo al finalizar el bobinado para evitar que este se desarme, también será conveniente que ambos extremos se encuentren en una misma línea imaginaria que

pasa por en centro (diametralmente) de la bobina. Esto facilitara el equilibrado final de la bobina y lograremos mejores y más rápidos resultados.

Imagen 11.

Es importante que el rotor esté bien balanceado. Esto se logra moviendo los extremos de la bobina y observando que ella rote libremente. Posteriormente se procederá a eliminar el esmalte de los extremos libres, esto se puede hacer con una lija fina, o con un instrumento cortante tipo cutter o trincheta por raspado. Existen dos formas de contacto que sería bueno realizar así se corrobora cual les da mejores resultados. Una de ellas consiste en eliminar la totalidad del esmalte en ambos extremos y el otro consiste en eliminar la totalidad del esmalte sólo en uno y remover sólo la mitad del mismo en el otro como indica (ver imagen 12) con este tipo de bobina aseguramos que la corriente circule en un dado sentido sólo cuando 1 solo lado de la bobina está cerca del imán. De este modo logramos que el motor solo rote en un sentido determinado

Imagen 12.

Debemos realizar el sistema de sustento de la bobina que además deberá permitir una conexión eléctrica a la bobina. Para ello utilizaremos una base de madera o cartón duro sobre el que podamos “ clavar” los soportes. Los soportes contarán con un anillo metálico donde se colocaran los extremos de la bobina y deberán permitir que esta rote con facilidad. Ver (ver imagen 13), Los soportes pueden ser realizados con cualquier material metálico, nosotros sugerimos alfileres de gancho grandes o clips sujetapapeles. entre ambos soportes colocaremos la bobina, asegurándonos que está equilibrada y puede girar sin dificultad ,y debajo de esta ubicamos al imán.

Imagen 13.

Para que nuestro motor funcione solo bastará con cerrar el circuito y darle el impulso inicial a la bobina acomodando el imán o equilibrando la bobina si esta no gira, también debemos asegurarnos que circula corriente por el circuito, esto lo podemos hacer por medio de un multímetro o tester utilizado en modo amperímetro, cuidado que la corriente puede ser de algunos amperios

Imagen 14.

En la imagen anterior (imagen 14) podemos observar el montaje experimental del motor eléctrico finalizado.

APLICACIONES EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA (5)

En la cotidianidad, la lista cosas que tienen un motor eléctrico es interminable, nos referimos a relojes, automóviles, lavadoras, computadores, secadores de cabello, ventiladores; muchos de los aparatos eléctricos a nuestro alrededor tienen motor eléctrico dentro de ellos. El uso de los motores eléctricos se ha generalizado a todos los campos de la actividad humana desde que sustituyeran en la mayoría de las aplicaciones a las máquinas de vapor; existen motores eléctricos de las más variadas dimensiones, desde los pequeños motores fraccionarios empleados en pequeños instrumentos hasta potentes sistemas que generan miles de caballos de fuerza.

Como toda industria, el sector alimentario requiere que las máquinas operen sin fallos, durante más tiempo y al nivel más alto posible de eficiencia energética a lo largo de su vida útil, todos estos estándares los proporciona el motor eléctrico. Hoy en día, para que un producto llegue al consumidor debe pasar por innumerables procesos y máquinas. En la elaboración y perfeccionamiento de los alimentos participan múltiples máquinas e instalaciones, en la elaboración de carnes y pescados, en la fabricación de queso, en el perfeccionamiento de ingredientes sencillos para convertirlos en grandes mezclas y en muchas otras aplicaciones. Los sectores cárnicos, avícolas y pescados, lácteos y productos de panadería, así como en aplicaciones tales como molinos y mezcladores hasta el proceso de transportación emplean motores eléctricos. Un ejemplo es la centrifugadora, cuya función es poner en rotación una muestra para por fuerza centrífuga, acelerar la decantación de sus componentes y en el campo alimenticio es muy usada para el control de calidad y en fabricación que elaboran zumos a base de cítricos para controlar el control de pulpa fina, mediante separación de zumo exprimido Estos motores eléctricos han revolucionado las industrias aunque aún se usan motores de combustión por ejemplo en algunos molinos de caña de azúcar se siguen implementando los motores de combustión, ya que estos molinos son muy tradicionales, su proceso consiste en que la caña preparada se lleva a la estación de extracción donde se pasa a través de una serie de molinos, los cuales separan el jugo que contiene azúcar. Para ayudar a la extracción del jugo se adiciona agua. El bagazo final es enviado a calderas, usándolo como combustible para la generación de vapor, sin embargo se piensa que en un futuro el motor de combustión será reemplazado por el eléctrico ya que tiene muy buenas ventajas, son más silenciosos, más económicos y no emiten gases contaminantes.

CONCLUSIONES En los últimos años los motores eléctricos se han convertido cada vez más en un elemento cotidiano para toda la sociedad, los motores se utilizan en muchas áreas como en la medicina con los brazos robóticos industriales, también contribuyendo a el medio ambiente con los carros y bicicletas eléctricas, en la industria de alimentos con las máquinas de empaque y etiquetado de productos; además de que se puede construir de cualquier tamaño.

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