Maquinas Eléctricas

UNIDAD 1. “PRINCIPIOS Y FUNDAMENTOS DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS

1.1 ESTUDIO DEL CAMPO MAGNÉTICO.

Una Máquina Eléctrica es un artefacto que puede convertir energía eléctrica en energía mecánica (trabajando como motor) o bien energía mecánica en energía eléctrica (trabajando como generador).

Este tipo de máquinas puede convertir energía de una forma u otra por la acción de un campo magnético.

CAMPO MAGNÉTICO

La corriente eléctrica va siempre acompañada de fenómenos magnéticos. Este efecto de la corriente eléctrica desempeña una función importante en casi todos los aparatos y máquinas eléctricas.

Para una mejor comprensión de lo que es un campo magnético conviene realizar un análisis acerca del comportamiento de los materiales ferromagnéticos.

Algunos de estos materiales tienen características tales, que es posible convertirlos en imanes permanentes.

Características principales del imán:

• Efecto de fuerza (atrae el hierro y lo retiene)

• Efecto de orientación (se sitúan en dirección norte – sur)

Los extremos del imán se denominan “polos” pues ellos ejercen las mayores fuerzas magnéticas.

Efecto de repulsión y atracción

entre dos imanes

Los polos iguales se repelen y los polos distintos se atraen.

Si se introduce un imán recto en un montón de limaduras de hierro, éste las atrae por efecto de fuerzas magnéticas, según la siguiente distribución:

El espacio en que actúan fuerzas magnéticas se denomina “campo magnético”, el cual está formado por líneas de fuerza. Estas líneas tienen directa incidencia sobre sus propios polos o sobre cualquier elemento ubicado dentro de dicho campo, de la siguiente manera:

Observación:

• Las líneas de fuerza son cerradas y se distribuyen de "norte a sur" por fuera del imán.

• Las líneas de fuerza son cerradas y se distribuyen de "norte a sur" por dentro del imán

• Todas las líneas de fuerza constituyen el flujo magnético.

Un campo magnético también puede generarse a partir de la circulación de corriente por un conductor.

Experimento:

Esquema de Líneas de Fuerza y de Campo Magnético:

Líneas de fuerza (verde).

El conjunto de líneas de fuerza (verde) forman el campo magnético, que se establece alrededor de un conductor por el que circula una corriente eléctrica.

Características de las líneas de fuerza de un campo magnético:

• Nunca se cortan ni se cruzan.

• Emergen e inciden perpendiculares a su superficie.

• Son cerradas en sí mismas.

• Van de Sur a Norte por el interior del material ferromagnético.

• Van de Norte a Sur por el exterior del material ferromagnético.

Sentido de las líneas de fuerza:

La regla de la mano derecha permite comprender de manera simple los principales efectos asociados al campo magnético. El pulgar se coloca en la dirección de la corriente y los dedos restantes indican la dirección de las líneas de fuerza. Esto se puede ver claramente en la figura adjunta en donde a raíz de la circulación de una corriente, las líneas de fuerza toman su consiguiente distribución.

Sentido convencional de la corriente:

De acuerdo mutuo, se ha fijado que el “sentido convencional de la corriente” es del polo positivo

(borne +) de una fuente de energía eléctrica, a través del conductor correspondiente, hacia el receptor, y desde éste al polo negativo (borne –), a través del conductor de retorno.

EFECTO DEL CAMPO

Fuerzas entre los campos magnéticos de dos conductores recorridos por corrientes

Hasta ahora hemos visto como los campos magnéticos de dos imanes permanentes ejercen fuerzas entre sí. Veamos ahora el caso en que una de estas fuerzas es generada ya no por un imán sino por una corriente (tal como sucede en el caso de las máquinas eléctricas). Ello nos permitirá obtener una mejor comprensión de los efectos magnéticos producidos en el interior de ésta, para lo cual resulta conveniente analizar la siguiente experiencia en la que dos conductores en paralelo por los que circula la misma corriente experimentan un movimiento por efecto del campo:

Experimento:

A través de los conductores anteriores circula una corriente de igual magnitud, pero de sentidos variables, de acuerdo a lo mostrado en la figura. Tan pronto circula la corriente actúan los campos magnéticos, y los conductores, que hasta ahora se encontraban en reposo, experimentan un desplazamiento repentino, hacia afuera o hacia adentro, dependiendo de si los campos producidos en estos se suman o se restan entre sí (Regla de la mano derecha). La distribución desigual de campo magnético tiende a equilibrarse. Como las líneas de fuerza intentan acortarse, el conductor móvil se desplaza de la zona con mayor intensidad del campo magnético hacia la del campo débil, lo que se conoce como "efecto electrodinámico".

Conclusión: Dos conductores paralelos tienden a atraerse cuando las corrientes tienen el mismo sentido y tienden a repelerse cuando las corrientes circulan en sentidos opuestos.

1.2 ANÁLISIS DE CIRCUITOS MAGNÉTICOS

Se denomina circuito magnético a un dispositivo en el que las líneas de fuerza del campo magnético están canalizadas a través de un material generalmente ferromagnético, lo que hace que el campo magnético se fluya, casi exclusivamente, por dicho material.

Las formas de estos dispositivos varían dependiendo de su función, aunque nosotros trataremos circuitos con simetrías simples, tales como la Figura 1, para facilitar el cálculo.

Un circuito magnético sencillo es un anillo o toro hecho de material ferromagnético envuelto por un arrollamiento por el cual circula una corriente eléctrica. Esta última crea un flujo magnético en el anillo cuyo valor viene dado por:

Donde es el flujo magnético, es la fuerza magnetomotriz, definida como el producto del número de espiras N por la corriente I ( ) y es la reluctancia, la cual se puede calcular por:

Donde es la longitud del circuito, medida en metros, representa la permeabilidad magnética del material, medida en H/m (henrio/metro)y el Área de la sección del circuito (sección del núcleo magnético, perpendicular al flujo), en metros cuadrados.

Los circuitos magnéticos son importantes en electrotecnia, pues son la base teórica para la construcción de transformadores, motores eléctricos, muchos interruptores automáticos, relés, etc.

Descripción

• Es una sucesión de piezas metálicas ensambladas o vinculadas, de manera de contener y encauzar las líneas de flujo hacia un lugar deseado.

• Función: asegurar un flujo útil Φ en un determinado lugar de una máquina o aparato eléctrico, transformadores, aparatos de medida, etc.

• Características:

 Núcleo (hierro dulce, hierro aleado)

 Bobinas excitadoras (“de excitación”, o “excitatrices”).

 Corriente de excitación.

 Entrehierros

Dispersión.

Excitación

La excitación o alimentación no es más que la fuente de corriente con la cual se genera el flujo del circuito.

Esta fuente de suministro puede ser de muchos tipos dependiendo de la utilidad del dispositivo. Por lo general se utiliza corriente alterna aunque en algunos casos también la continúa.

Bobinado

El bobinado rodea el núcleo, tiene forma de solenoide y somete al núcleo a un campo magnético constante en toda su sección, en una dirección que dependerá de la corriente. Es importante en el bobinado el numero de espiras N.

Núcleo

El núcleo está diseñado para transportar el flujo creado por la corriente en el bobinado. Suele estar fabricado con materiales ferromagnéticos que tienen una permeabilidad mucho más alta que el aire o el espacio y por tanto, el campo magnético tiende a quedarse dentro del material.

A la hora de escoger o calcular el núcleo como se verá es importante tanto la sección S como la longitud l.

Entrehierro

El entrehierro no es más que una zona donde el núcleo o camino del flujo sufre un salto o discontinuidad que se traduce en una zona con baja permeabilidad. Se representa tal y como se muestra en la Figura 4.

Fuerza

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