Motor De Corriente Directa

Introducción

Los motores eléctricos de corriente continua son el tema de base que se amplia en el siguiente trabajo, definiéndose en el mismo los temas de más relevancia para el caso de los motores eléctricos de corriente continua, como lo son: su definición, los tipos que existen, su utilidad, distintas partes que los componen, clasificación por excitación, la velocidad, la caja de bornes y otros mas.

Esta máquina de corriente continua es una de las más versátiles en la industria. Su fácil control de posición, par y velocidad la han convertido en una de las mejores opciones en aplicaciones de control y automatización de procesos. Pero con la llegada de la electrónica su uso ha disminuido en gran medida, pues los motores de corriente alterna, del tipo asíncrono, pueden ser controlados de igual forma a precios más accesibles para el consumidor medio de la industria. A pesar de esto los motores de corriente continua se siguen utilizando en muchas aplicaciones de potencia (trenes y tranvías) o de precisión (máquinas, micro motores, etc.)

Los motores de corriente continua se clasifican de la siguiente manera:

De Excitación Independiente:

Son aquellos que obtienen la alimentación del rotor y del estator de dos fuentes de tensión independientes. Con ello, el campo del estator es constante al no depender de la carga del motor, y el par de fuerza es entonces prácticamente constante. Las variaciones de velocidad al aumentar la carga se deberán sólo a la disminución de la fuerza electromotriz por aumentar la caída de tensión en el rotor. Este sistema de excitación no se suele utilizar debido al inconveniente que presenta el tener que utilizar una fuente exterior de corriente.

De Excitación En Derivación.

Los devanados inducidos e inductor están conectados en paralelo y alimentados por una fuente común. También se denominan máquinas shunt, y en ellas un aumento de la tensión en el inducido hace aumentar la velocidad de la máquina.

De Excitación En Serie

Los devanados de inducido y el inductor están colocados en serie y alimentados por una misma fuente de tensión. En este tipo de motores existe dependencia entre el par y la velocidad; son motores en los que, al aumentar la corriente de excitación, se hace disminuir la velocidad, con un aumento del par.

De Excitación Compuesta.

También llamados compound, en este caso el devanado de excitación tiene una parte de él en serie con el inducido y otra parte en paralelo. El arrollamiento en serie con el inducido está constituido por pocas espiras de gran sección, mientras que el otro está formado por un gran número de espiras de pequeña sección. Permite obtener por tanto un motor con las ventajas del motor serie, pero sin sus inconvenientes. Sus curvas características serán intermedias entre las que se obtienen con excitación serie y con excitación en derivación.

Existen dos tipos de excitación compuesta. En la llamada compuesta adicional el sentido de la corriente que recorre los arrollamientos serie y paralelo es el mismo, por lo que sus efectos se suman, a diferencia de la compuesta diferencial, donde el sentido de la corriente que recorre los arrollamientos tiene sentido contrario y por lo tanto los efectos de ambos devanados se restan.

Definición

Un motor eléctrico de Corriente Continua es esencialmente una máquina que convierte energía eléctrica en movimiento o trabajo mecánico, a través de medios electromagnéticos.

FUNDAMENTOS DE OPERACIÓN DE LOS MOTORES ELÉCTRICOS

En magnetismo se conoce la existencia de dos polos: polo norte (N) y polo sur (S), que son las regiones donde se concentran las líneas de fuerza de un imán. Un motor para funcionar se vale de las fuerzas de atracción y repulsión que existen entre los polos. De acuerdo con esto, todo motor tiene que estar formado con polos alternados entre el estator y el rotor, ya que los polos magnéticos iguales se repelen, y polos magnéticos diferentes se atraen, produciendo así el movimiento de rotación.

Un motor eléctrico opera primordialmente en base a dos principios: El de inducción, descubierto por Michael Faraday en 1831; que señala, que si un conductor se mueve a través de un campo magnético o está situado en las proximidades de otro conductor por el que circula una corriente de intensidad variable, se induce una corriente eléctrica en el primer conductor. Y el principio que André Ampére observo en 1820, en el que establece: que si una corriente pasa a través de un conductor situado en el interior de un campo magnético, éste ejerce una fuerza mecánica o f.e.m. (fuerza electromotriz), sobre el conductor.

El movimiento giratorio de los motores de C.C. se basa en el empuje derivado de la repulsión y atracción entre polos magnéticos. Creando campos constantes convenientemente orientados en estator y rotor, se origina un par de fuerzas que obliga a que la armadura (también le llamamos así al rotor) gire buscando "como loca" la posición de equilibrio.

Gracias a un juego de conexiones entre unos conductores estáticos, llamados escobillas, y las bobinas que lleva el rotor, los campos magnéticos que produce la armadura cambian a medida que ésta gira, para que el par de fuerzas que la mueve se mantenga siempre vivo.

Estructura

● ESTATOR: Es el que crea el campo magnético fijo, al que le llamamos Excitación. En los motores pequeños se consigue con imanes permanentes. Cada vez se construyen imanes más potentes, y como consecuencia aparecen en el mercado motores de excitación permanente, mayores.

● ROTOR: También llamado armadura. Lleva las bobinas cuyo campo crea, junto al del estator, el par de fuerzas que le hace girar.

● ESCOBILLAS: Normalmente son dos tacos de grafito que hacen contacto con las bobinas del rotor. A medida que éste gira, la conexión se conmuta entre unas y otras bobinas, y debido a ello se producen chispas que generan calor. Las escobillas se fabrican normalmente de grafito, y su nombre se debe a que los primeros motores llevaban en su lugar unos paquetes hechos con alambres de cobre dispuestos de manera que al girar el rotor "barrían", como pequeñas escobas, la superficie sobre la que tenían que hacer contacto.

● COLECTOR: Los contactos entre escobillas y bobinas del rotor se llevan a cabo intercalando una corona de cobre partida en sectores. El colector consta a su vez de dos partes básicas:

● DELGAS: Son los sectores circulares, aislados entre sí, que tocan con las escobillas y a su vez están soldados a los extremos de los conductores que conforman las bobinas del rotor.

● MICAS: Son láminas delgadas del mismo material, intercaladas entre las delgas de manera que el conjunto forma una masa compacta y mecánicamente robusta.

Conexiones

LOS MOTORES DE CORRIENTE DIRECTA PUEDEN SER DE TRES TIPOS:

● SERIE

● PARALELO

● COMPOUND

MOTOR SERIE: es un tipo de motor eléctrico de corriente continua en el cual el devanado de campo (campo magnético principal) se conecta en serie con la armadura. Este devanado está hecho con un alambre grueso porque tendrá que soportar la corriente total de la armadura.

Debido a esto se produce un flujo magnético proporcional a la corriente de armadura (carga del motor). Cuando el motor tiene mucha carga, el campo de serie produce un campo magnético mucho mayor, lo cual permite un esfuerzo de torsión mucho mayor. Sin embargo, la velocidad de giro varía dependiendo del tipo de carga que se tenga (sin carga o con carga completa). Estos motores desarrollan un par de arranque muy elevado y pueden acelerar cargas pesadas rápidamente.

MOTOR SHUNT O MOTOR PARALELO: es un motor de corriente continua cuyo bobinado inductor principal está conectado en derivación con el circuito formado por los bobinados inducidos e inductor auxiliar.

Al igual que en las dinamos shunt, 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.

MOTOR COMPOUND: es un motor de corriente continua cuya excitación es 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 consiste de pocas vueltas de un alambre grueso, es conectado en serie con la armadura y lleva la corriente de armadura.

El flujo del campo serie varia 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 la de 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.

Aplicaciones

Se utilizan en casos en los que es importante el poder regular continuamente la velocidad del motor, además, se utilizan en aquellos casos en los que es imprescindible utilizar corriente directa, como es el caso de motores accionados por pilas o baterías. Este tipo de motores debe de tener en el rotor y el estator el mismo número de polos y el mismo número de carbones.

Aunque el precio de un motor de corriente continua es considerablemente mayor que el de un motor de inducción de igual potencia, existe una tendencia creciente a emplear motores de corriente continua en aplicaciones especiales.

La gran variedad de la velocidad, junto con su fácil control y la gran flexibilidad de las características par-velocidad del motor de corriente continua, han hecho que en los últimos años se emplee éste cada vez más con maquinas de velocidad variable en las que se necesite amplio margen de velocidad y control fino de las mismas.

Existe un creciente número de procesos industriales que requieren una exactitud en su control o una gama de velocidades que no se puede conseguir con motores de corriente alterna. El motor de corriente continua mantiene un rendimiento alto en un amplio margen de velocidades, lo que junto con su alta capacidad de sobrecarga lo hace más apropiado que el de corriente alterna para muchas aplicaciones.

Los motores de corriente continua empleados en juguetes, suelen ser del tipo de imán permanente, proporcionan potencias desde algunos vatios a cientos de vatios. Los empleados en giradiscos, unidades lectoras de CD, y muchos discos de almacenamiento magnético son motores en los que el rotor es de imán fijo y sin escobillas. En estos casos el inductor, está formado por un juego de bobinas fijas, y un circuito electrónico que cambia el sentido de la corriente a cada una de las bobinas para adecuarse al giro del rotor. Este tipo de motores proporciona un buen par de arranque y un eficiente control de la velocidad.

Una última ventaja es la facilidad de inversión de marcha de los motores grandes con cargas de gran inercia, al mismo tiempo que devuelven energía a la línea actuando como generador, lo que ocasiona el frenado y la reducción de velocidad.

• Trenes de laminación reversibles. Los motores deben de soportar una alta carga. Normalmente se utilizan varios motores que se acoplan en grupos de dos o tres.

• Trenes Konti. Son trenes de laminación en caliente con varios bastidores. En cada uno se va reduciendo más la sección y la velocidad es cada vez mayor.

• Cizallas en trenes de laminación en caliente. Se utilizan motores en derivación.

• Industria del papel. Además de una multitud de máquinas que trabajan a velocidad constante y por lo tanto se equipan con motores de corriente continua, existen accionamientos que exigen par constante en un amplio margen de velocidades.

• Otras aplicaciones son las máquinas herramientas, máquinas extractoras, elevadores, ferrocarriles.

• Los motores desmontables para papeleras, trefiladoras, control de tensión en maquinas bobinadoras, velocidad constante de corte en tornos grandes

Fallas y mantenimiento

5.1 Modos asociados a la mortalidad infantil. Se entiende por mortalidad infantil aquellos fallos ocurridos en las primeras horas de uso del producto debidos no al desgaste o envejecimiento sino a un problema de calidad, manufactura o transporte.

La mortalidad infantil en manos del usuario se puede reducir en gran medida ejecutando pruebas funcionales antes de que el producto abandone la línea de montaje y, si es factible económicamente, ejecutando unos ciclos rodaje en fábrica. Los problemas generados en transporte del motor sólo son atacables mediante un diseño robusto y un embalaje apropiado. Debe tenerse en cuenta que las precauciones en transporte deben alcanzar la línea de producción hasta el momento del montaje.

5.1.1 Fallo en los rodamientos. La causa más frecuente de fallo de los motores en la línea de montaje son rodamientos defectuosos que se detectan durante los ensayos funcionales por el típico golpeteo de un elemento picado e irregulares consumos de potencia. Este daño se habrá generado bien durante el enclavamiento del rodamiento en el eje del motor o el montaje de la polea si las herramientas no tienen un referenciado adecuado o bien durante la manipulación delmotor hasta el montaje.

Los motores deben llegar a la línea en su embalaje protector y se debe minimizar el

tiempo en que el motor transita del embalaje a su posición de montaje para evitar el

riesgo de caídas.

5.1.2 Montaje incorrecto. Un mal montaje mecánico puede generar diversos modos de fallo, siendo los más comunes:

• Motor suelto en su posición: provocará un tensado incorrecto de la correa y•

desgaste prematuro de ésta, consumo anormal de potencia y ruido.

• Motor inclinado: acelerará el desgaste de la correa y provocará fuerzas axiales en los rodamientos del motor. Ambos efectos se detectarían fácilmente en un ensayo funcional del mecanismo antes de

que abandone la línea de montaje pero resultará más beneficioso incluir un sencillo control de calidad en la estación de montaje del motor: una escuadra para comprobar la perpendicularidad del eje respecto a la estructura o un calibre pasa/no-pasa que mida la posición de la polea prevendrán que un motor mal montado llegue al ensayo funcional y destruya piezas adyacentes.

5.2 Modos asociados a la vida de los rodamientos

5.2.1 Fallo por carga. El primer modo de fallo posible de los rodamientos se daría si estuviesen expuestos a una carga demasiado elevada. En el caso de estudio, esta carga la genera la tensión de la correa y sus variaciones que dependen de la masa del carro y de sus aceleraciones.

5.2.2 Fallo por desgaste. La vida del rodamiento a fatiga estimada en el apartado anterior es solo alcanzable si se dan las condiciones adecuadas de lubricación entre las piezas del rodamiento que impidan el contacto metal-metal y con éste un desgaste prematuro de los componentes. De otra manera, el rodamiento morirá de manera muy prematura debido a la fatiga creada en la superficie de alta dureza. Este modo de fallo se manifiesta con el desprendimiento de parte de la superficie de rodadura y el consiguiente ruido de golpeteo al girar el motor. Ya que los rodamientos del motor no son accesibles para mantenimiento debe planearse

su lubricación con una grasa que conserve sus propiedades durante toda la vida del

producto.

5.2.3 Fallo por contaminación

La presencia de elementos externos que puedan colocarse entre las bolas del rodamiento y las pistas de rodadura creará vibraciones durante la operación del motor y un fallo temprano del rodamiento. Estos elementos son comúnmente residuos del mecanizado de las piezas del motor, virutas producidas por los tornillos auto-roscantes usados para fijar el motor en su posición de montaje, polvo desprendido de las escobillas durante la operación o contaminación externa al motor como polvo del ambiente o virutas de la correa accionada por el motor. Este modo de fallo se puede eliminar totalmente usando rodamientos con escudos en los flancos, que impiden el acceso de partículas externas a la zona de rodadura.

5.3 Fallo a fatiga de los elementos mecánicos

La fatiga es un mecanismo de rotura que se puede presentar en piezas que reciben solicitaciones mecánicas de intensidad cíclica aunque los máximos de esos ciclos estén por debajo de la tensión de rotura del material en circunstancias estáticas. El fallo a fatiga se produce nucleando una grieta en la zona de la pieza donde las tensiones son más elevadas. Con ciclos sucesivos, la grieta se expande con rapidez con lo que se reduce la sección resistente y por tanto aumenta la tensión. Cuando esta tensión alcanza el valor de rotura la pieza se rompe de manera frágil, por lo que el fallo a fatiga es repentino y presenta pocos síntomas previos. Existen métodos de diagnóstico de la fatiga como el uso de agentes químicos indicadores de grietas o la realización de radiografías, pero la complejidad y el coste de estos no los hacen aconsejables para piezas de poco valor como el motor estudiado. Es por tanto necesario garantizar mediante el análisis de las solicitaciones que ningún elemento del montaje sea susceptible de fallar a fatiga. Los elementos del motor que están sometidos a cargas cíclicas con cada revolución son el eje y los dientes de la polea. 5.3.1 Eje del motor La sección crítica del eje del motor se encuentra sobre el rodamiento del lado de la polea, dónde se maximiza el momento flector.

Las tensiones sobre la sección crítica serán comunes a todos los usuarios ya que los valores de tensado de la correa, masa del carro y aceleraciones se consideran iguales para todos ellos. Sin embargo, en cada fase del ciclo del carro (aceleración, velocidad constante, deceleración y sus equivalentes en el retorno) se generarán tensiones máximas y mínimas diferentes debido a las aceleraciones y fricciones. Una vez evaluadas estas tensiones se representan en el diagrama ampliado de Goodman (figura 5.2), que de una manera visual nos da idea de lo cerca que esta cada fase del ciclo de salir de la zona de vida infinita. Diagrama de Goodman, acero 2 C 45 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 600 -100 0 100 200 300 400 500 600 σ media σ alternati

5.3.2 Polea motriz

La base de los dientes de la polea del motor es la otra sección crítica a fatiga. En un cierto instante, sólo la mitad dientes, los que están cubiertos por la correa, reciben esfuerzos. Estos esfuerzos son combinación del par motor y de la tensión de la correa y durante cada revolución evolucionan siguiendo el patrón. Estas solicitaciones se hallan más de un orden de magnitud por debajo del límite de fatiga del latón, por lo que no hay ningún peligro de rotura a fatiga en los dientes de la polea.

5.4 Desgaste de las escobillas y cortocircuito del colector

5.4.1 Introducción al desgaste. El desgaste es la pérdida progresiva de sustancia de una superficie de un cuerpo como resultado de un movimiento relativo con contacto con otro cuerpo. El desgaste, al igual que la fricción de la que se deriva, es un problema de difícil predicción. En un motor de corriente continua, el desgaste de la escobilla no es un defecto sino más bien un consumo, forma parte de la operación normal del motor: Se precisa de un buen contacto eléctrico entre los bornes de alimentación y los diversos segmentos del colector y para ello uno de los dos elementos debe ser blando o flexible para amoldarse bien al otro. Además, la fricción entre los dos debe ser lo bastante baja como para no representar una carga añadida. Todo esto se consigue mediante escobillas de compuestos de grafito que se desgastan amoldándose al colector de cobre.

5.4.2 Problemas generados por el desgaste de escobillas. El análisis del fallo producido por el desgaste de la escobilla es más complejo que un caso de fricción: Los motores generalmente no agotan sus escobillas ya que por lo general su longitud está dimensionada con mucho margen. El fallo se produce cuando el polvo de grafito acumulado entre las delgas del colector provoca un cortocircuito entre dos de los devanados. Los imanes atraen entonces dos devanados consecutivos a la vez, con lo que el motor deja de girar a medio camino de ambos.

Otra dificultad añadida en la previsión del desgaste es que parte de la escobilla no se erosiona por fricción sino que se vaporiza al paso de la corriente eléctrica. Este efecto depende en gran medida de la intensidad media y pico y se generan mayores partículas de polvo cuanto mayor es la intensidad. Este modo de fallo tiene una naturaleza mucho más estadística y poco determinista ya que no dependerá exclusivamente de cuanto desgaste se ha producido, sino también de cómo se ha producido: Por ejemplo, si el polvo de grafito es de mayor o menor tamaño se empaquetará de manera diferente o si el colector se contrae y dilata con cambios de temperatura el grafito no se asentará.

Como dificultad añadida, este modo de fallo es de difícil diagnostico: a menudo un pequeño golpe o una vibración provocarán la caída del polvo acumulado y el motor volverá a funcionar con normalidad brevemente hasta que se vuelva a generar suficiente polvo para un nuevo cortocircuito. Ante la imposibilidad de un análisis teórico de este modo de fallo, tanto por su naturaleza estadística como por su dependencia de las particularidades del motor y de la escobilla se propone en el siguiente apartado un experimento para la caracterización del cortocircuito del colector que obtendría una lista de los factores de uso más nocivos en general y en particular una cuantificación de su efecto para el motor en estudio.

5.5 Modos de fallo a lo largo de la vida del producto

A modo de resumen: Los modos de fallo propios de los rodamientos se pueden evitar con controles• antes de que el producto abandone la línea de montaje o bien sólo aparecerían mucho después de la obsolescencia. Los elementos mecánicos están diseñados con suficiente margen para no sufrir• fatiga El motor sólo presenta un posible modo de fallo una vez en casa del cliente: el• cortocircuito del colector y sólo este deberá tenerse en cuenta para programar las visitas de mantenimiento.

Conclusión

Un motor eléctrico de corriente continua es esencialmente una máquina que convierte energía eléctrica en movimiento o trabajo mecánico, a través de medios electromagnéticos, que para funcionar se vale de las fuerzas de atracción y repulsión que existen entre los polos.

El motor de corriente continua está compuesto de 2 piezas fundamentales:

- Rotor

- Estator

Dentro de éstas se ubican los demás componentes como:

- Escobillas y porta escobillas

- Colector

- Eje

- Núcleo y devanado del rotor

- Imán Permanente

- Armazón

-Tapas o campana

Los motores de corriente continua son de menos utilización que los motores de corriente alterna en el área industrial, debido que los motores de corriente alterna se alimentan con los sistemas de distribución de energías "normales".

Bibliografía

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