Motores eléctricos

Robótica II – 5to TAE
U 1 – Motores eléctricos
Robótica II
Unidad 1 – Motores eléctricos
Magnetismo y Electromagnetismo:
Un imán permanente es un material que tiene la propiedad de atraer objetos de
hierro y otros materiales llamados ferromagnéticos. Un imán permanente presenta dos
polos distintos, llamados polo Norte y polo Sur. Se observa, si acercamos un imán a
otro, que los polos del mismo tipo se repelen y los de distinto tipo se atraen. La
polaridad de los imanes se producen siempre de a pares, es decir siempre hay un polo
Norte, acompañado de un polo Sur. Si cortamos un imán, cada parte va a tener un polo
Norte y un polo Sur.
Una de las primeras aplicaciones del magnetismo fue la brújula. La Tierra tiene
en su interior un núcleo de hierro que está magnetizado. Este imán apunta su polo Norte
hacia el Sur geográfico, y el polo Sur hacia el Norte geográfico. El lugar del espacio en el cual se observa el efecto magnético de un imán se
denomina Campo magnético. El Campo magnético se representa por las llamadas
“Líneas de inducción magnética” o también “Líneas de Fuerza del campo magnético”.
Es una especie de mapa en el espacio, que representa cómo se distribuye el campo
magnético. Un imán tiene un número de líneas de fuerza determinado. El conjunto de
líneas se denomina “FlujoMagnético” y se representa por la letra griega fi mayúscula:
Φ (es una magnitud, sin dirección ni sentido). Las unidades de Φ dependen del sistema
de unidades utilizado. En el Sistema Técnico una línea de fuerza, se denomina Maxwell
(Mx), mientras que en el Sistema Internacional se utiliza el Weber (Wb).
El poder de un imán se expresa como el número de líneas de fuerza que pasan
perpendicularmente por unidad de superficie. Se denomina B (inducción magnética, o
densidad de flujo).
B= Φ
A
Las unidades de B son: 1 Tesla (Τ) = 1Wb / m² en el sistema internacional, y
en el sistema técnico, se define el Gauss = 1 Mx/cm².
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Las líneas de fuerza de campo magnético, son cerradas, y por convención salen
del polo Norte y entran por el polo Sur.
Si se coloca una brújula en la proximidad de un conductor sobre el que circula
una corriente eléctrica, se produce una fuerza que hace mover la aguja y colocarse
perpendicular al cable. Si el imán se deja fijo, y por el cable circula corriente, se ejerce
una fuerza sobre dicho conductor. Se denomina efecto motor del electromagnetismo. La
magnitud de esta fuerza perpendicular al cable, tiene un valor de:
F = lxixB
En el Sistema Internacional, F en Newton, B en Tesla, i en Amperes, y l en
metros. Siendo esta última la longitud del conductor, i es la intensidad de corriente que
circula por éste.
Se puede usar la regla de la mano izquierda: si el dedo mayor señala el sentido
de la corriente que circula por el conductor, y el dedo índice señala el vector inducción
magnética B, el dedo pulgar señalará el sentido de la fuerza inducida.
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Hemos visto el efecto motor, donde un conductor está dentro de un campo
magnético y por el mismo circula corriente, se induce una fuerza que mueve el
conductor. Existe el efecto recíproco llamado efecto generador, si un conductor se
mueve dentro de un campo magnético, se induce una fuerza electromotriz. Si B es el
vector inducción magnética, v es la velocidad con que se mueve el conductor y l es su
longitud. Si el conductor se mueve perpendicularmente al campo magnético cuyo vector
inducción magnética es B, tenemos:
Fem = v x l x B
Electroimanes: Si hacemos una bobina con un alambre conductor recubierto de una capa
aislante (por ejemplo barniz), enrollada sobre un núcleo de hierro y en sus extremos
aplicamos una fuerza electromotriz al circular corriente se forma un electroimán. Este
tiene igual efecto que un imán permanente.
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Para entender esto y lo siguiente tenemos en cuenta la Regla de la mano derecha
o Tirabuzón, que sirve para definir el sentido del campo magnético en función del paso
de corriente.
Si en un conductor circula una corriente eléctrica, se generan líneas de inducción
magnética circulares en torno a dicho conductor, con el sentido mostrado en la siguiente
figura:
En una bobina, se suman los efectos de estas líneas, haciendo que en un lado del
núcleo las líneas de inducción magnética sean salientes (polo Norte) y en el otro
extremo sean entrantes (polo Sur).
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El uso de un electroimán, tiene las ventajas de convertirse en imán solamente
mientras dure la aplicación de una diferencia de potencial entre los extremos de la
bobina, logra campos mucho más intensos que los imanes permanentes. Aplicaciones de
un electroimán: Relés, contactores, electroválvulas, accionamientos magnéticos,
motores eléctricos, grúas electromagnéticas, etc.
Ejemplo: Esquema de un circuito que utiliza un relé.
Un relé está formado por un electroimán, y uno o más pares de contactos, al
aplicarse una tensión entre los extremos del bobinado, el núcleo se convierte en imán,
atrayendo una armadura que cierra el contacto. En el ejemplo de la figura, mediante la
llave, activamos o desactivamos el relé.
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Motores de corriente continua (CC)
Partes del motor de corriente continua:
Un motor de corriente continua está formado por una parte fija llamada estator y
una parte móvil, llamada rotor. El estator posee polos que producen el campo magnético
inductor. Puede tener imanes permanentes o electroimanes. Los pequeños motores
normalmente son de imanes permanentes y los que requieren mayores potencias están
formados por electroimanes, con bobinado (o devanado) de campo. La culata o carcasa
es un cilindro de hierro, que cierra el circuito magnético externamente.
♦ Rotor:
El rotor está formado por un núcleo de hierro - silicio (llamado núcleo del
inducido), un eje, el bobinado del inducido (o armadura), el colector, y rodamientos
(rulemanes o bujes).
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El colector está formado por delgas (o segmentos de conmutación), son láminas
de material conductor (ejemplo: cobre), las cuales están montadas sobre un anillo
aislante y adheridas con una cola aislante. Las delgas deben estar aisladas
eléctricamente entre sí y con respecto al eje del motor. Este anillo va a presión sobre el
eje del rotor y se moverá solidariamente al mismo. En las delgas van soldados o
abrazados a presión, los extremos de las bobinas del rotor (o también llamada bobina
del inducido o armadura).
♦ Escobillas:
Las escobillas son un par de materiales conductores blandos (por ejemplo
grafito), que en un extremo hacen contacto en las delgas del colector y en el otro
extremo se le aplica una presión mediante un resorte y termina en los bornes de
conexión a la fuente de alimentación.
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♦ Otras partes:
Carcasa, tapa de carcasa, portaescobillas. El portaescobillas, es una guía de las
escobillas, contiene los resortes, las escobillas y los bornes, deben estar aisladas de la
carcasa. Normalmente se montan en una de las tapas de la carcasa.
Funcionamiento:
Para explicar el funcionamiento analizaremos las siguientes figuras:
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Explicación de la secuencia:
Figura 1:
Aplicamos la alimentación a la bobina del inducido a través de las escobillas y
delgas del colector. Suponemos que la polaridad aplicada hace que la parte del núcleo
marcado con la flecha roja (como referencia) se convierta en polo Norte, el rotor se
moverá dado que este polo se repele del polo Norte del estator, lo mismo el polo Sur
inducido en el núcleo del rotor se moverá repelido por el polo Sur del estator. En este
ejemplo se mueve en sentido antihorario visto de frente.
Figura 2:
El rotor se siguió moviendo y está por alinearse polo Norte del inducido con el
polo Sur del estator y el polo Sur del inducido con el Norte del estator. En esa posición
quedaría inmovilizado el rotor (dado que los polos de distinto tipo se atraen).
Figura 3:
Como el colector se mueve junto con el eje, en esta posición se interrumpe la
alimentación de la fuente, dado que lasescobillas tocan material aislante y no se aplica
alimentación en los extremos de las bobinas del inducido. Por inercia sigue girando un
poco más y pasamos a la figura 4.
Figura 4:
El colector conmutó automáticamente los extremos de la bobina haciendo que la
parte del rotor que era Norte, ahora sea Sur y viceversa (observar la flecha roja de
referencia, ahora tiene polo Sur). Esta nueva situación hace que el polo Sur del rotor sea
repelido por el Sur del estator y atraído por el Norte del estator. Y por ende el polo
Norte del rotor es repelido del Norte del estator y atraído por el Sur del estator. Esto
hace que el eje del motor gire otra media vuelta, siempre en el mismo sentido (ejemplo
antihorario).
Figura 5:
Muestra que el eje sigue girando, cuando quede alineado Norte del rotor con el
Sur del estator (y por ende el Sur del estator con el Norte del estator), el rotor quedaría
inmovilizado.
Figura 6:
Las escobillas tocan una zona aislante del colector, y se corta la alimentación de
las bobinas del inducido. Pero por inercia sigue girando un poco más. Y se repite el
ciclo retomando nuevamente el estado mostrado en la figura 1. Este ciclo se repite
indefinidamente, logrando un giro continuo del motor, mientras le apliquemos la
alimentación de la fuente.
► Línea neutra geométrica: Es la zona donde el campo magnético es nulo, o sea en la
zona equidistante del polo Norte y polo Sur. En esa zona se debe colocar las escobillas.
Observar que si se invierte la polaridad de la fuente de alimentación, el motor girará en
sentido opuesto al anterior (o sea en sentido horario, en nuestro ejemplo).
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Modos de excitación de un motor de corriente continua
Como se dijo anteriormente, los pequeños motores de CC, poseen imanes
permanentes, para crear el campo magnético. Pero los motores de mayor potencia tienen
un estator con bobinados de campo. En este último caso, los bobinados del rotor
(inducido, o armadura), se puede conectar de distintas formas al bobinado de campo
(también llamado de excitación o bobinado inductor). Según cómo se conecten tenemos
los llamados modos de excitación:
• Excitación serie.
• Excitación shunt (también llamada en paralelo, o en derivación).
• Excitación compuesta (compound).
• Excitación independiente.
◘ Excitación serie:
En este tipo de excitación, el inducido y el devanado inductor o de excitación
van conectados en serie. Por lo tanto, la corriente de excitación o del inductor es
también la corriente del inducido absorbida por el motor. Como están en serie, la bobina
de campo con el inducido, son de alambres relativamente gruesos y reducido número de
espiras. Las principales características de este motor son:
- Poseen un gran par de arranque.
- Se embala cuando funciona en vacío, debido a que la velocidad de un motor de
corriente continua aumenta al disminuir el flujo inductor (porque al ser menor el flujo
inductor, es menor la fuerza cotraelectromotriz inducida, esto hace que el efecto de
frenado por este sea menor).
En el motor serie, el flujo inductor disminuye al aumentar la velocidad, puesto
que la intensidad en el inductor es la misma que en el inducido.
- Tiene mala regulación de velocidad con la carga (es decir al aumentar la carga
mecánica, la velocidad disminuye considerablemente).
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- Le afectan poco las variaciones bruscas de la tensión de alimentación, ya que un
aumento de esta provoca un aumento de la intensidad y, por lo tanto, del flujo y de la
fuerza contraelectromotriz, estabilizándose la intensidad absorbida.
El motor conexión en serie se usa en aplicaciones en las que se requiere un alto
par de arranque, como en la tracción eléctrica (trenes, trolebuses), grúas, bombas
hidráulicas de pistón, etc.
◘ Motor shunt (en paralelo o derivación):
El motor con excitación shunt (en paralelo, o derivación) posee el bobinado
inductor principal (bobinado de campo) conectado en derivación o paralelo con el
bobinado inducido (o armadura). Las bobinas principales están constituidas por muchas
espiras y con hilo de poca sección, por lo que la resistencia del bobinado inductor
principal es muy grande. En el instante del arranque, el par motor que se desarrolla es
menor que el motor serie. Al disminuir la intensidad absorbida, el régimen de giro
apenas sufre variación. En este tipo de motor, la velocidad disminuye poco cuando
aumenta la carga mecánica. Los motores de corriente continua en derivación son
adecuados para aplicaciones en donde se necesita velocidad constante a cualquier ajuste
del control o en los casos en que es necesario un rango apreciable de velocidades (por
medio de un reóstato de campo). El motor en derivación se utiliza en aplicaciones de
velocidad constante, como en los accionamientos para los generadores de corriente
continua en los grupos moto generadores de corriente continua.
◘ Excitación Independiente:
Las características son muy similares al motor shunt, con la ventaja de tener
mayor control de las variables que intervienen. Puede alimentarse el bobinado de campo
con una tensión diferente que la que alimenta la armadura.
◘ Excitación compuesta (compound):
Un motor compound (o motor de excitación compuesta) posee una excitación
originada por dos bobinados inductores independientes; uno dispuesto en serie con el
bobinado inducido y otro conectado en derivación con el circuito formado por los
bobinados inducido, inductor serie e inductor auxiliar. Los motores compuestos tienen
un campo serie sobre el tope del bobinado del campo shunt. Este campo serie, el cual
consistede pocas vueltas de un alambre grueso, es conectado en serie con la armadura
y lleva la corriente de armadura. El flujo del campo serie varía directamente a medida
que la corriente de armadura varía, y es directamente proporcional a la carga. El campo
serie se conecta de manera tal que su flujo se añade al flujo del campo principal shunt.
Los motores compound se conectan normalmente de esta manera y se denominan como
compound acumulativo. Esto provee una característica de velocidad que no es tan
“dura” o plana como la del motor shunt, ni tan “suave” como lade un motor serie. Un
motor compound tiene un limitado rango de debilitamiento de campo; la debilitación
del campo puede resultar en exceder la máxima velocidad segura del motor sin carga.
Los motores de corriente continua compound son algunas veces utilizados donde se
requiera una respuesta estable de par constante para un rango de velocidades amplio.
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El motor compound es un motor de excitación o campo independiente con
propiedades de motor serie. El motor da un par constante por medio del campo
independiente al que se suma el campo serie con un valor de carga igual que el del
inducido. Cuantos más amperios pasan por el inducido más campo serie se origina, sin
pasar del consumo nominal.
Resumen de características de los motores de CC:
▪ Motor con excitación en derivación (shunt):
- Par de arranque menor que en el motor serie.
- No se embala en vacío.
- Buena regulación de velocidad con la carga.
- No es afectado por variaciones bruscas en la tensión de alimentación.
- Requiere reóstato de arranque en el inducido.
- Utilizado en máquinas herramientas.
▪ Motor de excitación serie:
- Par de arranque muy elevado.
- Se embala en vacío.
- Mala regulación de la velocidad con la carga.
- No es afectado por variaciones bruscas en la tensión de alimentación.
- Requiere reóstato de arranque.
- Se utiliza para tracción eléctrica.
▪ Motor con excitación compuesta:
- Tiene características intermedias entre el motor serie y el shunt.
- Par de arranque más elevado que el motor en derivación pero menor al serie.
- Mejor regulación de la velocidad con la carga que el serie pero inferior al shunt.
- Requiere reóstato de arranque en el inducido.
- Utilizado en máquinas herramientas y para tracción.
▪ Motor de excitación independiente:
- Par de arranque similar al motor shunt.
- Buena regulación de la velocidad con la carga (similar al motor shunt).
- Fácil control de velocidad en forma automática.
- Requiere reóstato de arranque.
- Mayor control de las variables, campo y armadura pueden alimentarse con tensiones
diferentes.
Servomotores
Son motores de corriente continua, que están optimizados para ser utilizados en
sistemas realimentados de control. Están conformados por el motor, una caja reductora
y un sistema de control. Deben tener un bajo tiempo de respuesta (o sea baja constante
mecánica de tiempo). Como este tiempo de respuesta es directamente proporcional a la
resistencia del bobinado del inducido (armadura) y al momento de inercia, e
inversamente proporcional a las constantes de par y de fuerza electromotriz, el
servomotor, debe tener:
- Baja resistencia del bobinado de armadura.
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- Bajo valor de inercia.
- Alto valor de constante de Par.
- Alto valor de contantes de fuerza electromotriz.
En la siguiente figura vemos un esquema de un servomotor, en el que viene
montado un tacómetro (que entrega una señal, de voltaje proporcional a la velocidad,
usado como sensor de velocidad).
Motores Paso a Paso. (stepper motor)
Los motores paso a paso, son ideales para la construcción de mecanismos donde
se requieren movimientos muy precisos. La característica principal de estos motores es
el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique. Ese paso
puede variar desde 90° hasta pequeños movimientos de tan sólo 1.8°, es decir: se
necesitan 4 pasos en el primer caso (90°) y 200 para el segundo caso (1.8°), para
completar un giro completo de 360°. Por lo tanto es un tipo de motor especial cuya
principal característica es que gira de forma incremental (paso a paso), donde cada paso
representa un desplazamiento angular fijo del eje del motor. Hay motores cuyo
desplazamiento angular es de 3.6° lo que significa que son necesarios 100 pasos para
realizar un giro completo. Estos motores poseen la característica de poder quedar
enclavados en una posición o bien totalmente libres. Si una o más de sus bobinas está
energizada el motor estará enclavado en la posición correspondiente, y por el contrario
quedará completamente libre si no circula corriente por ninguna de sus bobinas.
Principio de funcionamiento:
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Básicamente estos motores están construidos 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) debe ser
externamente manejada por un controlador. Existen dos tipos de motores paso a paso de
imanes permanentes:
◘ Unipolares: Formados por cuatro bobinas. Cada par de bobinas tienen un cable en
común (conexión central). Tienen cinco cables de salida. (En algunos casos pueden ser
seis cables de salida, en vez de un cable común, se usan dos cables comunes uno para
las bobinas A - C y otro para las bobinas B - D).
◘ Bipolares: Formados por dos pares de bobinas. Tienen cuatro cables externos.
Esquema del motor paso a paso unipolar:
Esquema del motor paso a paso bipolar:
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