Practica 3. Curvas características de los motores de imán permanente

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL.
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA MECANICA Y ELECTRICA.
UNIDAD ZACATENCO.
INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN.
NOMBRE DEL TRABAJO:
Practica 3. Curvas características de los motores de imán permanente
GRADO Y GRUPO:
5AV2
PROFESOR:
FRANCO MONTES JOSE URIEL
NOMBRE Y NÚMERO DE BOLETA:
DIEGO BARAJAS BRAYAN – 2022300549
GARRIDO LOPEZ JULIO CESAR – 2022301207
CHAVEZ ESCOBAR YAHIR DE JESUS-2022302404
MATERIA:
MÁQUINAS ELÉCTRICAS I.
FECHA DE REALIZACIÓN:
3 DE OCTUBRE DE 2023.
FECHA DE ENTREGA:
7 DE OCTUBRE DE 2023.
¿QUÉ ES UN MOTOR DE CORRIENTE DIRECTA?
El motor CC o motor DC es un motor de corriente continua o directa y su propiedad es
la conversión de energía eléctrica a energía mecánica. Es provocado por un
movimiento rotatorio, gracias a la acción de un campo magnético, son muy utilizados
en diseños de ingeniería debido a las características torque-velocidad que poseen con
diferentes configuraciones eléctricas o mecánicas. Aquí hay algunas características
clave de los motores de corriente continua:
Conversión de energía eléctrica en mecánica: Los motores de corriente continua
convierten la energía eléctrica en energía mecánica, lo que permite realizar trabajo
físico, como mover objetos, girar ejes o accionar dispositivos mecánicos.
Conmutación: Los motores de corriente continua suelen utilizar conmutadores y
escobillas (aunque también existen motores sin escobillas) para cambiar la dirección de
la corriente eléctrica en el motor, lo que provoca un giro constante del rotor. Esto se
logra mediante la inversión de la polaridad de la corriente eléctrica en las bobinas del
motor.
Control de velocidad y dirección: Una de las ventajas de los motores de corriente
continua es su capacidad para controlar con precisión la velocidad y la dirección de
giro. Esto se logra variando la tensión aplicada al motor y/o la polaridad de la corriente.
Eficiencia: Los motores de corriente continua pueden ser bastante eficientes en
términos de conversión de energía eléctrica en energía mecánica, aunque la eficiencia
puede variar según el diseño y la calidad del motor.
Usos comunes: Estos motores se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones,
como en vehículos eléctricos, ascensores, equipos industriales, ventiladores, juguetes,
herramientas eléctricas, sistemas de posicionamiento, etc.
¿CÓMO FUNCIONA UN MOTOR DE CORRIENTE DIRECTA?
Se basa en la repulsión que ejercen los polos magnéticos de un imán permanente de
acuerdo con la Ley de Lorentz, interactúan con los polos magnéticos de un electroimán
que se encuentra montado en el rotor.
Cuando la corriente eléctrica circula por la bobina de este electroimán giratorio, el
campo electromagnético que se genera interactúa con el campo magnético del imán
permanente o devanado. Si los polos del imán permanente o devanado y los polos del
electroimán giratorio coinciden, se produce un rechazo y un torque magnético (par de
fuerza que provoca que el rotor rompa la inercia y comience a girar sobre su
eje) en sentido a la forma que se encuentre conectado el motor al circuito o
la pila.
Los motores de corriente continua se construyen con rotores bobinados, y con
estátores bobinados o de imanes permanentes. Además, existen muchos tipos de
motores especiales, como por ejemplo los motores sin escobillas, los servomotores y
los motores paso a paso, que se fabrican utilizando un motor de corriente continua
como base.
TIPOS DE MOTORES DE CORRIENTE DIRECTA
Existen dos tipos de motores: motores con escobillas o motores brushless o sin
escobillas. La elección dependerá del tipo de aplicación que vayamos a desarrollar, su
tamaño y los requisitos de potencia. Las diferencias entre estos motores eléctricos
vienen dadas por su funcionamiento y estructura.
Los motores con escobillas, como indica su nombre, utilizan escobillas conectadas a
un colector para realizar el cambio de polaridad en el rotor. Estas escobillas son, por
tanto, las encargadas de conmutar mecánicamente la corriente de las bobinas del
motor. Por su parte, los motores sin escobillas o brushless no incorporan colector ni
escobillas para cambiar la polaridad en el rotor; la conmutación de las bobinas se
realiza electrónicamente a través de un controlador de motor.
PARTES DE UN MOTOR DE CORRIENTE DIRECTA
Algunas partes que presentan los motores de corriente directa pueden tenerse en los
diferentes tipos de motores que existen, sin embargo, la gran mayoría de estos
presentan los siguientes componentes:
Carcasa: Sirve para proteger a todos los componentes internos del motor.
Imanes permanentes: El campo magnético creado por el imán ejerce una fuerza sobre
el conductor que lo hace girar en torno al eje de la pila. La fuerza es perpendicular en
cada momento al plano de la figura y por ello hace que el circuito gire.
Flecha: Permite transmitir la rotación del rotor hacia el exterior. En este eje se
encuentran conectados los mecanismos o dispositivos que serán impulsados por el
motor.
Rodamientos: Se caracterizan por tener unas ranuras de rodadura
profundas en las que los aros interior y exterior tienen arcos circulares de
radio ligeramente mayor que el de las bolas. Son muy efectivos en altas velocidades de
rotación y cargas radiales y axiales moderadas. Se utilizan para las posiciones de los
rodamientos de ubicación y no ubicación en motores eléctricos pequeños y medianos.
Escobillas: Representan dos contactos que pueden ser metálicos en unos casos, o
compuesto por dos piezas de carbón en otros. Las escobillas constituyen contactos
eléctricos que se deslizan por encima de los segmentos del colector mientras estos
giran. Su misión es suministrar a la bobina o bobinas del rotor a través del colector, la
corriente eléctrica directa necesaria para energizar el electroimán.
Colector: Son un conjunto de láminas de cobre, aisladas entre sí, que forman el
colector y a las cuales se sueldan los extremos de las bobinas inducidas. El conjunto se
monta sobre un eje y está apoyado sobre cojinetes.
Rotor: Es la parte móvil del motor, que proporciona el par para mover la carga. Consta
de un conjunto de bobinas denominadas bobinas inducidas que van arrolladas sobre
las ranuras de un núcleo de hierro que recibe el nombre de inducido.
Tapa trasera: Permite el enfriamiento del motor de corriente directa si este se llegase a
calentar por medio de un ventilador.
PAR-VELOCIDAD
Se refiere a la relación entre el par (momento de torsión) y la velocidad de giro de un
motor o un sistema mecánico. Esta relación es fundamental para comprender el
comportamiento de un motor en diferentes condiciones de operación y es una
característica importante en la especificación y selección de motores.
EFICIENCIA DE UN MOTOR
La eficiencia de un motor es una medida de cuán efectivamente convierte la energía
eléctrica en energía mecánica útil. Se expresa como un porcentaje y se calcula
dividiendo la potencia de salida útil (energía mecánica producida) entre la potencia de
entrada (energía eléctrica suministrada) y multiplicando el resultado por 100 para
obtener un porcentaje. La fórmula básica de eficiencia de un motor es la siguiente:
Eficiencia (%) = (Potencia de Salida Útil / Potencia de Entrada) x 100
OBJETIVO: Determinar las curvas características (par-velocidad) de un motor de
corriente directa y la eficiencia de un motor.
EQUIPO Y MATERIAL
• Dos motores de CD de las mismas características (tamaño, tensión, diámetro de
flecha)
• Fuente de CD variable de 0 a 30 V DC.
• Varios cables caiman-caiman
• Cople para los dos motores, se sugiere un cople flexible dependiendo del diámetro de
la flecha de los motores, se pueden acoplar con un material diferente (p.e. popote,
palito de madera u otros).
• Multímetro
• Tacómetro óptico con cinta de aislar negra y cinta reflejante.
DESARROLLO DE LA PRÁCTICA
Colocar cinta de aislar negra sobre la flecha del motor, colocar un pedazo de cinta
reflejante sobre la cinta negra.
Realizar el diagrama eléctrico de la figura 1 con el motor y multímetro.
Una vez que se haya establecido el circuito eléctrico de la figura 1, energizar el
motor con 1 Volt e ir aumentando la tensión de alimentación hasta llegar al menos
a 12 V. Para cada paso en el aumento de tensión de alimentación mida la velocidad de
la
flecha del motor con el tacómetro óptico. Registre los datos obtenidos en la
tabla 1.
Tabla 1
Voltaje
3V
Corriente
Velocidad
(A)
(RPM)
1
11.4 mA
0
2
8.7mA
0
3
8.7mA
182
4
8.8mA
355
5
8.9mA
516
6
9mA
645
7
9.1mA
878
8
9.2mA
1059
9
9.3mA
1216
10
9.4mA
1369
11
9.6mA
1542
12
9.7mA
1775
4V
10V
9V
5V
6V
11V
7V
8V
Cambie las conexiones del motor para invertir el sentido de giro en el motor
y repita el procedimiento anterior, registre los datos en la tabla 2.
Voltaje
3V
1
2
4V
Corriente
Velocidad
(A)
(RPM)
10 mA
0
9. 2 mA
0
12V
3
9.1mA
232
4
9.1mA
436
5
9.2mA
529
6
9.2mA
704
7
9.26mA
963
8
9.4mA
1049
9
9.49mA
1206
11V
10
9.6mA
1373
11
9.77mA
1557
12
9.9mA
1750
10V
5V
9V
7V
6V
8V
Acople los dos motores de CD y coloque cinta de aislar y cinta reflejante
sobre el acoplamiento. Ahora tendremos dos máquinas eléctricas acopladas
mecánicamente, una funcionara como motor y otra como generador. Energice una
de las dos máquinas con 1 Volt CD, mida la velocidad en el acoplamiento de las
máquinas y la tensión de salida en la máquina que está funcionando como
generador. Aumente la tensión del motor en 1V y repita hasta llegar al menos a 12V.
Registre los datos en la tabla 3.
Voltaje
5V
6V
Corriente
Velocidad
(A)
(RPM)
1
0 mA
0
2
0 mA
0
3
0 mA
0
4
0 mA
0
5
-2mA
344
6
-2.86mA
468
7
-3.31mA
576
8
-4.01mA
644
9
-4.23mA
715
10
-4.56mA
773
11
-6.30mA
828
12
-7.59mA
1292
11V
10V
9V
7V
8V
Con los datos de las tablas 1 y 2 grafique (Corriente vs Tensión y Corriente
vs RPM).
Tabla 1
CORRIENTE VS TENSIÓN
TENSION
CORRIENTE
14
12
10
10
9.2
9.1
9.1
9.2
9.2
9.26
9.4
9.49
9.6
9.77
9.9
8
6
4
2
0
0
2
4
6
8
CORRIENTE
10.1
10
9.9
9.8
9.7
9.6
9.5
9.4
9.3
9.2
9.1
9
25
20
15
10
5
0
5
y = e0.2701x
10
R² = 0.3738
12
14
CORRIENTE
30
0
10
15
y = 0.04ln(x) + 9.3683
R² = 0.0092
0
5
10
15
CORRIENTE
CORRIENTE
12
10.2
10
10
y=
8
-0.1882x2
+ 2.9019x
R² = 0.1126
9.8
6
9.6
4
9.4
2
9.2
0
y = 0.0355x + 9.2045
R² = 0.1634
9
0
5
10
15
0
5
10
15
Tabla 2
CORRIENTE VS RPM
10.1
10
9.9
9.8
9.7
9.6
9.5
9.4
9.3
9.2
9.1
9
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
CORRIENTE VS RPM
CORRIENTE VS RPM
30
12
y = e0.0019x
R² = 0.3922
25
10
20
8
15
6
10
4
5
2
0
y = -8E-06x2 + 0.0193x
R² = 0.0024
0
0
500
1000
1500
2000
0
500
1000
CORRIENTE VS RPM
16
14
12
10
8
6
4
2
0
y = 0.0079x
R² = 0.6865
0
500
1000
1500
2000
Con los datos de la tabla 3 grafique (Tensión de entrada vs Tensión de salida y
Tensión de salida vs RPM).
TENSION ENTRADA
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
TENSION SALIDA
0
0
0
0
2
2.86
3.31
4.01
4.23
4.56
6.3
7.59
RPM
0
0
0
0
344
468
576
644
715
773
828
1292
EFICIENCIA
0.00%
0.00%
0.00%
0.00%
40.00%
47.67%
47.29%
50.13%
47.00%
45.60%
57.27%
63.25%
1500
2000
TENSION ENTRADA VS TENSION SALIDA
8
7
6
5
4
3
2
1
0
-1
0
2
4
6
8
10
TENSION SALIDA
10
12
TENSION SALIDA
8
8
6
y = 2.995ln(x) - 2.0835
R² = 0.7625
4
y = 0.0452x2 + 0.0794x
R² = 0.9533
6
4
2
2
0
-3
-2
2
7
12
0
0
-4
2
4
6
8
10
-2
TENSION SALIDA
8
7
y = 0.5022x
R² = 0.9359
6
5
4
3
2
1
0
-1
0
2
4
6
8
10
12
12
TENSION SALIDA VS RPM
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
-200
RPM
1400
y = 160.32x
R² = 0.9902
1200
1000
800
600
400
200
0
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
-200
RPM
1400
y = -1.3079x2 + 167.71x
R² = 0.977
1200
1000
800
600
400
200
0
-1
0
-200
1
2
3
4
5
6
7
8
CONCLUSIONES
Para finalizar este práctica podemos decir que la práctica estuvo entretenida, vimos
cómo funcionaba un motor de CD alimentándolo y con un cople el cual antes no
conocía, con ayuda del tacómetro medimos las rpm de un motor energizado de forma
directa, inversa y con el cople, con esto observamos lo que es el comportamiento del
motor generador que usamos, ya que obtuvimos la tensión que es capaz de generar asi
mismo observamos su grafía de comportamiento por medio de Excel y la eficiencia que
tiene el mismo.
CHÁVEZ ESCOBAR YAHIR DE JESÚS
En la práctica se hicieron diferentes mediciones en donde principalmente se debía
conocer el comportamiento de un motor de corriente directa a diferentes escalas de
tensión suministrado, sin embargo, se observó que al iniciar con el movimiento del
motor este demandaba más corriente para alcanzar ciertas revoluciones por minuto,
además se presentó en las gráficas diferentes datos en donde se muestra la cantidad
de tensión generada y administrada, no hay demasiada diferente en los datos escritos
en la polaridad del motor, solo implica la dirección de giro de este. El coeficiente de
eficiencia es poco ya que se pierde energía al momento de mover el cople.
DIEGO BARAJAS BRAYAN
El propósito de esta practica fue observar el comportamiento de un motor de corriente
directa al suministrarle distintos valores de voltaje, se observo que al iniciar con el
movimiento el motor demandaba mas corriente para comenzar a alcanzar un arranque
en las revoluciones por minuto, con ayuda de las graficas se pudo observar el
comportamiento del motor con cada aumento de tensión, tal es el caso que sus RPM
llegaban a incrementarse abruptamente, en el caso del uso del cople hubo mucha
perdida de energía, ya que se tenia que considerar la fuerza y peso extra de esta
herramienta.
GARRIDO LOPEZ JULIO CESAR
BIBLIOGRAFÍAS
Jaimes, D. Y., & Fajardo, F. (2022). Caracterización de motores DC de imán
permanente mediante un sistema motor-generador. Revista Brasileira de Ensino de
Física, 44.
Colorado Ríos, M. M. (2016). Evaluación técnico–financiera del rendimiento de los
motores de imanes permanente con bombas electrosumergibles de alta eficiencia del
campo a ubicado en la Cuenca Llanos Orientales (Bachelor’s thesis, Fundación
Universidad de América).
Rodríguez Moyano, J. C., & Díaz Sánchez, F. A. Construccion del Motor de imanes
permanentes de Muammer Yildiz.
Pernía, M. A. (2011). Conceptos Básicos de Máquinas de corriente continua. San
Cristobal: Núcle de Electrcidad.