Conversión de energía II Reporte Estudiante: Marcelo Guadamuz Ortega Carrera: Ingeniería en Electrónica y Telecomunicaciones Profesor: Msc. Richard Medrano Tema: Motores de corriente continua Lunes 25 de mayo del 2020 Introducción Desde el principio de los tiempos, el ser humano siempre ha buscado la forma de realizar los trabajos diarios de manera más sencilla de tal forma que todo le resulte fácil, y en dicha búsqueda de ese objeto, brillantes mentes a través de la historia, cada uno con sus aportes pudieron demostrar de forma teórica usando la matemática como base y de forma práctica con la ayuda de muchos experimentos pudieron afirmar que dichos objetos eran posibles y de esta forma, con el paso de las décadas distintos inventores consiguieron desarrollar el motor de corriente continua que con los nuevos descubrimientos hechos con el paso del tiempo, dichos motores eran mejorados y hoy en día ser usados en productos tan básicos como un taladro, motores de arranque, juguetes e inclusive ser implementados para máquinas del sector industrial como maquinas extractoras, maquinas elevadoras, maquinas cortadoras, entre otras; y con esto encontrar aquello que el ser humano había buscado y de tal forma que se ha establecido lo que hoy tenemos como sociedad. Objetivos General Elaborar un motor capaz de funcionar girando de forma continua usando corriente directa Objetivos específicos -Investigar la base teórica que fundamenta la funcionalidad de un motor de corriente continua -Diseñar un motor con materiales caseros capaz de dar giros de forma continua -Construir un motor con materiales caseros capaz de girar de forma continua siendo suministrado de corriente directa -Explicar los pasos necesarios para poder construir un motor de corriente continua funcional -Demostrar que el motor elaborado es funcional y realiza un constante giro de 180° Motor de corriente continua Demostración teórica Como tal no hay una ciencia exacta de cómo realizar un motor de corriente continua de forma casera, dado que en los motores a mayor escala se necesitan materiales muy específicos para conseguir la potencia que se generan en los mismos, pero con ciertos materiales quizás un poco más accesibles para cualquier persona se pueden realizar una pequeña demostración sobre cuál es el funcionamiento de un motor de corriente continua. Los motores de corriente continua funcionan gracias a la ayuda de distintas leyes y principios de la física que fueron implementadas en este campo. Dichas leyes son: -Ley de Lorentz: La ley de Hendrik Antoon Lorentz indica que una cantidad fija de carga q que se mueve a una velocidad constante v en un campo magnético uniforme B, experimenta una fuerza F, perpendicular tanto a la velocidad v como al campo B, expresado de forma matemática: Con la ayuda de esta ley se ideó que proveyendo a un conductor de corriente se crea un campo electromagnético entorno a él, de esta forma consiguiendo crear lo que se conoce como electroimán. Esto puede ser comprobado con la ayuda de la “Regla de la mano derecha”, hecha por John Ambrose Fleming la cual nos proporciona una idea sobre cuál es la dirección que tienen las líneas de campo magnético usando tan solo nuestra mano derecha. Conociendo el principio de ley de Lorentz se tuvo en mente el usar la propiedad que poseen los minerales conocidos como imanes la cual en base al magnetismo que poseen y usando la ley de los signos del magnetismo que nos indica que un imán posee un polo en cada extremo, es decir un imán posee dos polos los cuales tienen la capacidad de atraer distintos minerales como el hierro, níquel, cobalto. Usando esto se determinó que lo imanes serían de mucha utilidad dado que usando la ley física que indica que los polos opuestos tienden a atraerse se comprende que esto puede ser usado para atraer o repeler a un alambre conductor dado que en el mismo se interpreta que al igual que los imanes, estos poseen un polo norte(carga positiva) y un polo sur(carga negativa) por el hecho que las líneas de atracción de un imán salen del polo norte y se anulan dado que llegan al polo sur del mismo imán, ese mismo principio aplica en un alambre, por lo que en un extremo brindamos una carga positiva y en el otro una negativa y de esta forma ambas cargas se anulan justamente como sucede en los imanes. Conociendo esto Fleming tuvo la brillante idea de la “regla de la mano izquierda”, con la cual podemos darnos una idea de que dirección a la cual se movería nuestro alambre a la hora de colocarlo cercano a un par de imanes por la interacción que habrá entre el campo electromagnético del alambre más el campo magnético de los imanes. En función de toda la información antes vista se puede tener la base teórica sobre como es el funcionamiento de un motor de corriente continua y esta manera lograr construir uno por nuestra propia cuenta con materiales que talvez no sean del todo accesibles pero que quizás no sean difíciles de conseguir. -Ley de Gauss: La ley de Carl Gauss nos es útil para entender cómo funcionan el campo magnético de una carga puntual, ya que la misma posee la propiedad de que sus líneas de campo son circunferencias cerradas en torno a la línea de movimiento de la carga. Es decir, son líneas sin extremos que parten de las cargas positivas y mueren en las negativas. El campo debido a una corriente es superposición de los campos magnéticos de las cargas que lo componen. Por ello, sus líneas de campo tampoco tienen extremos. En el caso de un hilo rectilíneo y de una espira circular, las líneas de campo son curvas cerradas. En el caso general pueden ser madejas muy complicadas, pero en cualquier caso sin extremos. Si se calcula el flujo del campo magnético a través de una superficie cerrada, puesto que todas las líneas de campo magnético que entran por un lado salen por otro (pues no pueden desaparecer en el interior), el resultado es un flujo nulo: La ley de Gauss para el campo magnético es una ley universal que se cumple en toda circunstancia, aunque podría pensarse que los imanes no satisfacen esta ley. Después de todo, los imanes poseen polos norte y sur. Un polo norte es aquel del que salen las líneas de campo magnético y el polo sur aquél al que llegan. Si uno considera el flujo alrededor del polo norte de un imán, debería obtenerse un flujo positivo, ¿no? No. Si uno analiza lo que ocurre dentro del imán, encuentra que dentro de éste las líneas de campo magnético van del polo sur al polo norte, cerrando la línea y anulando el flujo. Po r ello, al partir un imán en dos no se obtienen dos polos separados, sino dos nuevos imanes, cada uno con sus dos polos. -Ley de Ampere: El matemático francés André-Marie Ampère con esta ley nos ayuda a poder calcular el campo magnético que presenta un hilo rectilíneo por el cual circula una corriente eléctrica. En otras palabras, con la ayuda de esta fórmula podemos calcular cual será el campo magnético en nuestro alambre conductor y de esta forma conocer más a fondo que es lo que está sucediendo físicamente hablando en nuestro motor, usado esa fórmula sabemos que B es el campo magnético de nuestro hilo, μ0 es la permeabilidad magnética de nuestro alambre en el vacío, I es la corriente que circula a través del alambre, ρ es la distancia perpendicular al hilo y el vector unitario acimutal. De esta expresión se deduce que las líneas de campo magnético son circunferencias que dan vueltas en torno al hilo de corriente. Si ahora calculamos la circulación a lo largo de una de estas circunferencias, el resultado es independiente de la distancia al hilo Este resultado se puede generalizar a cualquier curva cerrada que envuelva una vez al hilo de corriente. Por contra, si consideramos una curva por el exterior del hilo, puede demostrarse que se anula la circulación del campo magnético. A partir de aquí el resultado se extiende a un conjunto cualquiera de corrientes. Si tenemos una serie de hilos y una curva C que envuelve solo a algunos de ellos, dejando el resto fuera, la circulación del campo magnético la dan solo aquellas corrientes que son rodeadas por la curva. Matemáticamente: Esta es la ley de Ampère para el campo magnético creado por corrientes estacionarias: la circulación del campo magnético a lo largo de una curva cerrada C es igual a la permeabilidad del vacío multiplicada por la corriente total que atraviesa una superficie S apoyada en la curva C y orientada según la regla de la mano derecha. El signo de cada una de las corrientes será positivo si fluye en el sentido indicado normal a S y negativo en caso contrario. la ley de Ampère puede escribirse en función de la densidad de corriente como: Demostración práctica Para lograr construir un motor de corriente continua se necesitan tomar en cuenta varios factores como lo pueden ser los imanes, el alambre, etc, pero con constancia y experimentación se puede conseguir. -Materiales Alambre: El alambre lo usaremos como nuestro conductor de corriente, generalmente se usa el cobre ya que es un muy buen conductor de electricidad, aunque no puede ser cualquier tipo de alambre ya que el debido es aquel que es barnizado dado que dicha capa de barniz evitará que las espiras de cobre hagan contacto entre sí y evitará que no nos vaya a presentar un cortocircuito no deseado. La AWG (American Wire Gauge) es la encargada de hacer un standard en el grosor que deben tener los alambres, y en base al grosor dar a conocer cuál es el amperaje máximo que dichos alambres pueden llegar a soportar, aunque hay que tomar este punto en cuenta no es primordial preocuparnos por conseguir un calibre en específico dado que no debemos preocuparnos por lo que estaremos trabajando con corrientes muy bajas como para llegar a quemar el alambre. Imán: Dependiendo del diseño del motor se pueden usar de uno hasta los imanes que quieras solo que si se van a usar dos imanes tienen que poseer el mismo tamaño para que la densidad de flujo magnética sea la misma entre ambos y no haya ningún tipo de desbalance a la hora de interactuar con él rotor, lo importante es que el alambre sea atraído por el imán, en el ejemplo es observable que uso 2 imanes de ferrita por el diseño que tiene mi motor, los imanes de neodimio son los más potentes entre los imanes aunque es un poco complicados de conseguir pero pueden ser encontrados en juguetes, discos duros de computadoras, etc, pero para ser más prácticos se usarán imanes comunes (ferrita) o los que tengas a mano. Fuente de energía: Se puede desde una fuente de voltaje y corriente independiente hasta una simple pila de control de televisor (AAA o AA) lo importante es conseguir la suficiente corriente y voltaje como para lograr hacer girar constantemente nuestro rotor. Hay muchas opciones, las pilas, las baterías pero por ser prácticos usaremos un par de pilas, no importa el tamaño o el tipo (AAA, AA, C, D) dado que todas poseen los mismo 1.5V la diferencia está en que las AAA son para usar en momentos cortos y las Tipo D se pueden usar durante un tiempo más prolongado sin notar un sobrecalentamiento en la mismo, solo hay que procurar que sean de buena calidad, dado que si son de mala calidad a pesar que entregarán los 1.5V el amperaje será mucho menor al de una pila de buena calidad que podrá entregar arriba de 2.5A lo cual será suficiente para hacer girar al rotor. Pega: Blanca, silicón (Frio o caliente), Pega loca Madera: lápices y paletas de helado Lija de madera Clips Partes del motor -Rotor: El rotor es el componente que gira (rota) en una máquina, está formado por un eje que soporta un juego de bobinas arrolladas sobre un núcleo magnético o no magnético que gira dentro de un campo magnético creado bien por un imán o por el paso por otro juego de bobinas, arrolladas sobre unas piezas polares, que permanecen estáticas. Rotor de motor eléctrico Rotor casero -Estator: Es la parte fija de una máquina rotativa, interactúa con la armadura móvil para producir par motor en el eje de la máquina. Su construcción puede ser de imán permanente o de electroimán, en cuyo caso la bobina que lo energiza se denomina devanado de campo. Estator de motor eléctrico (Electroimán) Estator casero -Embobinado: El embobinado es la acción que hacemos al enrollar un alambre conductor (cobre) alrededor del rotor dando un número determinado de vueltas sobre su eje a lo cual se le conoce como espira. Embobinado de rotor de motor eléctrico Embobinado casero -Conmutador: Un conmutador es un interruptor eléctrico rotativo en ciertos tipos de motores que periódicamente cambia la dirección de la corriente entre el rotor y el circuito externo. En un motor, proporciona la energía a la mejor ubicación en el rotor. Conmutador de motor eléctrico Conmutador casero -Escobillas: Es donde se establece la conexión eléctrica entre la parte fija y la parte rotatoria de un motor. Para realizar esta conexión, se fijan dos anillos en el eje de giro, generalmente de cobre, aislados de la electricidad del eje y conectados a las terminales de la bobina rotatoria. Enfrente de los anillos se disponen unos bloques de grafito, que, mediante unos resortes, hacen presión sobre ellos para establecer el contacto eléctrico necesario. Estos bloques de grafito se denominan escobillas (carbones, coloquialmente) y los anillos rotatorios reciben el nombre de colector. En algunos tipos de máquinas electromagnéticas, como los motores, los anillos del colector están divididos en dos o más partes, aisladas unas de otras y conectadas a una o más bobinas. En este caso, cada una de las partes en que está dividido el colector se denomina delga. Debido a que, por el roce que se ocasiona al girar el dispositivo se produce un desgaste por abrasión, las escobillas deben ser sustituidas periódicamente. Escobillas de motor eléctrico Escobillas caseras -Fuente de energía: Es la encargada de poder alimentar nuestro motor de electricidad, las pilas, baterías y fuentes de alimentación independientes, la diferencia está en cuanta corriente y voltaje queremos suministrar a nuestro motor y en base a eso tomaremos una decisión u otra. Pilas: Es un dispositivo que convierte energía química en energía eléctrica por un proceso químico transitorio, sus características se ven alteradas con el uso lo cual concluye en una descarga total e irreversible. Se trata de un generador primario dado que el mismo produce su propia electricidad, en otras palabras, no necesita de una fuente externa para poder adquirir electricidad (“ser cargados”) como sí lo necesitan las baterías. Esta energía resulta accesible mediante dos terminales que tiene la pila, llamados polos, electrodos o bornes. Uno de ellos es el polo positivo o cátodo y el otro es el polo negativo o ánodo. Baterías: Es un dispositivo que consiste en una o más celdas electroquímicas que pueden convertir la energía química almacenada en corriente eléctrica. Cada celda consta de un electrodo positivo, o ánodo, un electrodo negativo, o cátodo, y electrolitos que permiten que los iones se muevan entre los electrodos, permitiendo que la corriente fluya fuera de la batería para llevar a cabo su función, alimentar. Las baterías pueden ser recargadas sin más que revertir las reacciones químicas en su interior mediante el suministro de energía eléctrica de un generador primario a la celda hasta el restablecimiento de su composición original. Fuentes de alimentación: Son un dispositivo que convierte la tensión alterna de la red de suministro, en una o varias tensiones, prácticamente continuas. Son muy prácticas dado que uno puede regular de forma muy sencilla el voltaje y la corriente que su motor requiere para poder funcionar. Construcción del motor Una vez se posean todos los materiales y se haya determinado cual va a ser la forma y estructura que tendrá nuestro motor se procede a la construcción del mismo, comenzando por las bases que sostendrán al rotor, a los imanes y los mismo son colocados con pega en sus respectivas bases tratando que ambos se atraigan, luego se arma el rotor hecho con las paletas de madera y el lápiz al cual hay que darle una forma cilíndrica para que rote de una manera más fluida, para obtener dicha forma cilíndrica se usa la lija, lógicamente entre más pequeña sea la longitud del rotor menor será el peso del mismo y mayor será la velocidad a la cual gire, habiéndolo armado se prosigue realizar el embobinado y dando vueltas alrededor del eje del rotor hasta formar una espera, esto usando alambre de cobre esmaltado, dependiendo de la corriente vayamos a usar se escoge el calibre, a mayor calibre menor es el diámetro (más fino) y por ende menos corriente vamos a poder suministrarle. Finalizando se colocan las escobillas (clips) tratando que las mismas estén lo suficientemente cerca como para hacer un contacto estable con el conmutador del rotor sin que cause mucha fuerza de fricción dado que esto provocaría que el rotor tienda a detenerse y por ultimo conectamos nuestra fuente de alimentación escogida a las escobillas por medio del alambre de cobre que puede ser enrollado o soldado. Ahora el motor está de tan solo dar el impulso inicial buscando la dirección hacia donde se ubica el positivo de nuestras escobillas y gracias a todas las leyes físicas antes mencionadas el rotor empezará a girar y se concluye que el motor es funcional. Conclusión Como tal el desarrollo, la investigación previa y todo el proceso de construcción y elaboración que requirió este proyecto fue muy arduo porque a pesar de haber tanta información disponible, no hay una forma exacta y precisa sobre cómo construir desde tu casa un motor de corriente continua, más que nada porque hay que realizar muchas pruebas y tomar en cuenta muchos factores para conseguir que el motor pueda funcionar, pero a pesar de ello el propósito inicial el cual era construir un motor de corriente continua funcional a base de materiales “fáciles” de conseguir fue satisfactoriamente logrado. Bibliografía - http://www3.gobiernodecanarias.org/medusa/ecoblog/fsancac/2014/03/12/motoreselectricos-ley-de-lorentz/ - http://www.asifunciona.com/electrotecnia/af_motor_cd/af_motor_cd_3.htm - https://sites.google.com/a/colegiocisneros.edu.co/fisica10y11/home/eventoselectromagneticos/magnetismo - http://www.elementosmagneticos.com/Corriente_maxima_en_bobinas - https://www.imagnetshop.com/es/aplicaciones-de-los-imanes/como-hacer-un-motorelectrico-con-imanes-como-funciona-b30.html - https://www.mecatronicalatam.com/es/tutoriales/motor/motores-electricos/motor-decorriente-continua/ Anexos Demostración: youtube.com/watch?v=XvERnVd_bWk&feature=youtu.be Explicación: https://youtu.be/GHcZ9Sxn4oA
