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MOTORES ESPECIALES UNIDAD VI ISIDRO MORIN LOPEZ KEVIN JESUS GARZA FLORES

El motor monofásico de inducción • Este es una maquina de corriente alterna, de la que solamente una parte: el rotor o el estator, esta conectado a la red y la otra parte trabaja por inducción, siendo la frecuencia de las fuerzas electromotrices inducidas proporcionalmente al resbalamiento.

El motor monofásico de inducción • Los motores monofásicos de inducción presentan una gran desventaja . Puesto que solo hay una fase en el debando del estator, el campo magnético en un motor monofásico de inducción no rota. En su lugar, primero pulsa con gran intensidad, luego con menos intensidad, pero permanece siempre en la misma dirección. Puesto que no hay campo magnético rotacional en el estator, un motor monofásico de inducción no tiene par de arranque. Es por ello que se emplean diversos métodos para iniciar el giro del rotor, y por lo tanto existe una clasificación de los motores monofásicos basada en los métodos particulares de arranque.

Elementos básicos de los motores monofásicos • Dentro de las características fundamentales de los motores eléctricos, éstos se hallan formados por varios elementos. Sus partes principales son: el estator, la carcasa, la base, el rotor, la caja de conexiones, las tapas y los cojinetes véase. No obstante, un motor puede funcionar solo con el estator y el rotor.

EL ESTATOR El estator es el elemento que opera como base, permitiendo que desde ese punto se lleve a cabo la rotación del motor. El estator no se mueve mecánicamente, pero sí magnéticamente. Existen dos tipos de estatores : • A.-) Estator de polos salientes. • B.-) Estator ranurado. • El estator está constituido principalmente de un conjunto de láminas de acero al silicio , que tienen la habilidad de permitir que pase a través de ellas el flujo magnético con facilidad; la parte metálica del estator y los devanados proveen los polos magnéticos.

Polos del estator • 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). • Las “revoluciones por minuto” del rotor (RPM) se determinan por la siguiente fórmula:

Rotor • 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.

CARCASA La carcasa es la parte que protege y cubre al estator y al rotor. El material empleado para su fabricación depende del tipo de motor, de su diseño y su aplicación. Así pues, la carcasa puede ser: • a) Totalmente cerrada. • b) Abierta. • c) A prueba de goteo. • d) A prueba de explosiones. • d) De tipo sumergible.

Base y caja de conexiones • BASE • La base es el elemento en donde se soporta toda la fuerza mecánica de operación del motor, puede ser de dos tipos: • A) Base frontal. • B) Base lateral. • CAJA DE CONEXIONES • Por lo general, en la mayoría de los casos los motores eléctricos cuentan con caja de conexiones. La caja de conexiones es un elemento que protege a los conductores que alimentan al motor, resguardándolos de la operación mecánica del mismo, y contra cualquier elemento que pudiera dañarlos.

COJINETES También conocidos como rodamientos, contribuyen a la óptima operación de las partes giratorias del motor. Se utilizan para sostener y fijar ejes mecánicos, y para reducir la fricción, lo que contribuye a lograr que se consuma menos potencia. Los cojinetes pueden dividirse en dos clases generales: • Cojinetes de deslizamiento o bujes: Operan en base al principio de la película de aceite, esto es, que existe una delgada capa de lubricante entre la barra del eje y la superficie de apoyo. • Cojinetes de rodamiento :Se utilizan con preferencia en vez de los cojinetes de deslizamiento por varias razones: • Tienen un menor coeficiente de fricción, especialmente en el arranque. • Son compactos en su diseño • Tienen una alta precisión de operación. • No se desgastan tanto como los cojinetes de tipo deslizante. • Se remplazan fácilmente debido a sus tamaños estándares.

Teoría del doble campo giratorio • Esta teoría establece que un campo magnético estacionario pulsante se puede transformar en dos campos magnéticos rotacionales de igual magnitud pero de direcciones opuestas. El motor de inducción responde a cada uno de los campos magnéticos por separado y el par neto en la máquina será la suma de los pares debidos a cada uno de los dos campos magnéticos. • Un motor de inducción monofásico responde a cada uno de los dos campos magnéticos presentes en él; en consecuencia, el par inducido neto en el motor es la diferencia entre las dos curvas par-velocidad.

Teoría de los campos cruzados • Esta teoría considera el motor de inducción desde un punto de vista totalmente diferente, y se ocupa delas tensiones y corrientes que el campo magnético estacionario del estator puede inducir en las barras del rotor cuando esta se halla en movimiento. • Las tensiones del rotor producen un flujo de corriente en el mismo, pero debido a la alta reactancia del rotor la corriente atrasa a la tensión en cerca de 90°. Como el rotor esta girando casi a la velocidad sincrónica, este retardo de tiempo de 90° en la corriente produce una desviación angular de casi 90° entré el plano de la tensión máxima del rotor y el plano de la corriente máxima. • El campo magnético del rotor es, por tanto, un poco menor que el campo magnético del estator debido a las perdidas del rotor, pero difieren en casi 90° tanto en espacio como en tiempo. • El estator de este tipo de motores es físicamente el mismo que el de una maquina sincrónica, es decir, un estator típico de dos polos. Pero la construcción del rotor constituye la diferencia fundamental entre un motor de inducción trifásico y un motor de inducción monofásico. No existe conexión física entre el rotor y el estator, ya que se encuentran separadas uniformemente (entrehierro). • Las ranuras del estator están distribuidas uniformemente, y, en general, se utiliza un devanado dividido imbricado de doble capa monofásico. Ya que un devanado monofásico simple no produciría campo magnético giratorio ni par de arranque. Lo que explican las teorías antes mencionadas.

Arranque de los motores monofásicos de inducción • Como ya se explicó, un motor de inducción monofásico no tiene un par de arranque intrínseco. Hay tres técnicas que se usan comúnmente para arrancar estos motores, los cuales se clasifican de acuerdo con los métodos utilizados para producir su par de arranque. Estas técnicas de arranque difieren entre sí en costo y en la cantidad de par de arranque producido, un ingeniero por lo regular emplea la técnica menos cara que cumpla con los requerimientos de par de una aplicación dada. Estas tres técnicas de arranque principales son: • Devanados de fase partida. • Devanados tipo capacitor. • Polos de estator sombreados.

Devanados de fase partida • Debemos de entender que los motores monofásicos tienen una sola fase de alimentación, no poseen un campo giratorio sino que tienen un campo magnético pulsante, la cual se hace difícil de que exista un torque en el arranque, por lo que necesita de dispositivos extras para iniciar el movimiento de la máquina. • Para el arranque se utilizará un bobinado auxiliar, estos bien posicionados y colocados adecuadamente de tal forma que se creará una fase ficticia y de esta manera hará posible que se cree un campo giratorio para dar par y así pueda dar movimiento. Los motores eléctricos monofásicos de fase partida son una alternativa para el uso doméstico, pues su aplicación se ve en la vida cotidiana, como por ejemplo en una vivienda se tienen los electrodomésticos tales como la licuadora, ventiladores, batidora, extractora, lustradora, aspiradora, etc. Existen una variedad de tipos de motores, conocemos los tipos de motores con jaula de ardilla y estos son ventajosos por su fabricación, robustez, y sobre todo la duración. También se puede comentar sobre la variedad en cuanto a la utilización de estos motores, es decir que existen para diferentes usos, a veces es necesario que dichos motores funciones de manera inversa, dicho de otra manera que el giro sea contrario y que funciones a diferentes tensiones.

Definición de Motor de Fase Partida • La NEMA define el motor de fase partida como motor de inducción monofásico provisto de un arrollamiento auxiliar desplazado magnéticamente respecto al arrollamiento principal y conectado en forma paralela con este ultimo. • Los motores de fase partida constan de las mismas partes principales de los motores de inducción.

Arranque por capacitor • Estos motores monofásicos de corriente alterna cuyo rango va de fracciones de HP hasta 15 HP, se usan ampliamente con muchas aplicaciones de tipo monofásico tales como accionamiento a maquinas y herramientas como pueden ser taladros, pulidoras, motobombas, etc. • Como medio de mejorar el par relativamente bajo del motor de fase partida se agrega un capacitor al devanado auxiliar para producir una relación casi real de 90° entre las corrientes de los devanados de arranque y de marcha, en lugar de aproximadamente 25° figura 33(b), elevando el par de arranque a los límites normales del par nominal. La figura 33(a) muestra el diagrama de conexiones del motor de arranque por capacitor, cuya diferencia implica la adición de un capacitor en el devanado auxiliar. Se puede advertir también a partir de la figura 34, el mejoramiento del torque de partida debido a la inclusión del capacitor. • Debido a su mayor par de arranque, que es de 3.5 a 4.5 veces el par nominal, y a su reducida corriente de arranque para la misma potencia al instante del arranque, el motor de arranque por capacitor se fabrica hoy en tamaños de caballaje integral hasta de 7.5 hp. • El capacitor se conecta en serie con el devanado de arranque y el switch o interruptor centrífugo.

Operación continua por capacitor • Este motor presenta dos devanados iguales (igual resistencia), pero en unos de ellos se conecta un condensador en serie, calculado para que en el punto nominal del motor, las corrientes de los devanados sean los más parecidas posibles y su desfase sea próximo a 90º. De esta forma el campo giratorio es casi perfecto y el motor se comporta a plena carga con un par muy estable y un buen rendimiento (figura 35).

Motor universal •

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El motor universal se denomina así por ser el único motor que puede conectarse tanto a corriente alterna como a corriente continua. Cuando el motor universal se conecta a la corriente continua con una carga constante, la velocidad y la potencia aumenta proporcionalmente con el voltaje aplicado. Cuando el motor universal se conecta a la corriente alterna con carga constante, la velocidad y la potencia aumentan proporcionalmente con el voltaje aplicado a partir de los 3000 r.p.m. (revoluciones por minuto). En el motor universal la velocidad dada para un voltaje en corriente alterna es inferior que la que se obtendría si se aplica el mismo voltaje pero en corriente continua. Por ello hay herramientas, como taladros que para bajar las revoluciones del motor le intercalan un rectificador de media onda. Los motores universales se construyen para potencias menores a los 0.5 CV (caballos vapor) y velocidades de hasta 3000 r.p.m. y presentan un buen rendimiento. El principio de funcionamiento del motor universal está determinado por el efecto motor que produce un conductor recorrido por una corriente eléctrica y que está sometido a un campo magnético. Por acción magneto motriz existirá un desplazamiento y por ende una rotación.

• CARACTERÍSTICAS DE LOS MOTORES UNIVERSALES • • • • •

Funciona con corriente alterna y con corriente directa. Posee un par de arranque muy elevado. La velocidad es directamente proporcional a la corriente. Se utiliza en herramientas manuales, electrodomésticos. Para invertir el sentido de rotación, se invierte el sentido de la corriente en cualquiera de los bobinados.

Motor de polos sombreados • Todos los motores monofásicos que se describieron anteriormente emplean estatores con entrehierros uniformes con respecto a sus devanados de rotor y estator, que están distribuidos uniformemente por la periferia del estator. Los métodos de arranque se basan en general en el principio de la fase partida de producir un campo magnético rotatorio para iniciar el giro del rotor. • El motor de polos sombreados es, en general, un motor pequeño de potencia fraccionaria que no es mayor de 1/10 hp, aunque se han producido motores hasta de ¼ hp. La gran ventaja de este motor estriba en su extrema simplicidad: un devanado monofásico de rotor, rotor con jaula de ardilla vaciada y piezas polares especiales. No tiene interruptores centrífugos, capacitores, devanados especiales de arranque ni conmutadores. Tiene tan sólo un devanado monofásico pero es inherentemente de arranque propio. La figura 37(a) muestra la construcción general de un motor de polos sombreados (dos polos salientes).

Motor de polos sombreados

Fig. 37) Motor de Polos sombreados; (a) construcción, (b) característica torque-velocidad.

Motor de polos sombreados • Las piezas polares especiales se forman con laminaciones y una bobina de sombreado en cortocircuito, o bien un anillo de cobre macizo de una sola vuelta, alrededor del segmento más pequeño de la pieza polar. • La bobina de sombreado está separada del devanado principal de C.A. y sirve para proveer una división de fase del flujo principal del campo, demorando el cambio de flujo en el segmento menor. • El flujo en el segmento del polo sombreado siempre está en retraso al correspondiente en el segmento principal, tanto en tiempo como en espacio físico, aunque no existe entre ellos una verdadera relación de 90°. El resultado es que se produce un campo magnético rotatorio, suficiente para originar un pequeño desbalanceo en los pares del rotor, tal que el par en el sentido de las manecillas del reloj es mayor que el contrario, o viceversa, y el rotor siempre gira en la dirección del campo rotatorio.

Motor de pasos • En nuestros días los motores paso a paso tienen una amplia gama de aplicaciones; esto es debido a que poseen una gran precisión. Esta es la característica que fue determinante en su elección.

Funcionamiento de los Motores a Pasos • Los motores a pasos son muy utilizados en la actualidad para el desarrollo de mecanismos que requieren de una alta precisión. Este tipo de motores poseen cualidades especiales por el hecho de poderlos mover desde un paso hasta una secuencia interminable de pasos dependiendo de la cantidad de pulsos que se les aplique. Este paso puede ir desde pequeños movimientos de 1.8° hasta de 90°. Es por eso que este tipo de motores son muy utilizados, ya que pueden moverse a deseo del usuario según la secuencia que se les indique a través de un microcontrolador. • Estos motores poseen la habilidad de quedar enclavados en una posición si una o más de sus bobinas está energizada o bien totalmente libres si no existe corriente alguna circulando por sus terminales. Básicamente estos motores están constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto número de bobinas excitadoras bobinadas en su estator. • Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imán permanente. Toda la conmutación (o excitación de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador. • Existen dos tipos de motores paso a paso de imán permanente que son los más utilizados en robótica: unipolares y bipolares.

Servomotores • Un Servo es un dispositivo pequeño que tiene un eje de rendimiento controlado. Este puede ser llevado a posiciones angulares específicas al enviar una señal codificada. Con tal de que una señal codificada exista en la línea de entrada, el servo mantendrá la posición angular del engranaje. Cuando la señala codificada cambia, la posición angular de los piñones cambia. En la práctica, se usan servos para posicionar superficies de control como el movimiento de palancas, pequeños ascensores y timones. Ellos también se usan en radio control, títeres, y por supuesto, en robots.

Servomotores

Servomotores

Motores lineales • El principio de funcionamiento del motor lineal permite obtener una forma de conversión de la energía cuyas ventajas se imponen en forma determinante en todos los sectores en donde están en juego fuerzas para traslación; el motor lineal provee por sí mismo un esfuerzo de propulsión sin ningún medio de transmisión mecánica y con solamente el vínculo electromagnético entre las partes fijas y móviles. De esta forma se elimina el recurso clásico de transformar el movimiento de rotación del motor convencional en un movimiento lineal eliminando los conocidos problemas de los sistemas de transmisión y de adherencia en las ruedas motrices. El principal inconveniente radica en el hecho de que es más difícil mantener las distancias entre inductor e inducido que en los motores rotantes, y vale la plena recordar que el entrehierro es lo que demanda la mayor intensidad de campo para lograr la inducción necesaria. Los motores lineales tienen por lo general mayor tamaño y menor rendimiento que los motores rotantes de igual potencia. • Es fácil deducir que a pesar de su costo todavía demasiado elevado, estos tipos de motores permiten resolver diversos problemas ya sea en el campo del transporte como en de las máquinas herramientas.

Aplicación de los motores especiales • Como hemos observado a lo largo de este documento Los Motores Especiales tienen una gran y amplia gama de aplicaciones desde la industria hasta nuestro hogar. • Los motores de inducción por ejemplo los de jaula de ardilla son muy comunes en los ventiladores domésticos, las lavadoras y en la maquinas-herramientas como taladros entre otros. • Los motores jaula de ardilla de igual manera los encontramos por lo general en las licuadoras sin embargo no son la única aplicación que estos tienen. • También en la mayoría de ventiladores encontramos motores con capacitor de arranque y con capacitor permanente. • Como lo mencionamos anteriormente los servomotores tienen mucha utilidad en la robótica así como en la industria de la juguetería; es casual abrir un juguete electromecánico y encontrar servomotores.