GENERALIDADES DE LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS DE CORRIENTE CONTINUA

Principio de Funcionamiento  de un Motor de Corriente Continua

El principio de funcionamiento de los motores eléctricos de corriente continua se basa en la repulsión que ejercen los polos magnéticos de un imán permanente cuando, de acuerdo con la Ley de Lorentz, interactúan con los polos magnéticos de un  electroimán que se encuentra montado en un eje. Este electroimán se denomina rotor y su eje le permite girar libremente entre los polos magnéticos norte y sur del imán permanente situado dentro de la carcasa o cuerpo del motor.
Cuando la corriente eléctrica circula por la bobina de este electroimán giratorio, el campo electromágnetico que se genera interactúa con  el campo magnético del imán permanente. Si los polos del imán permanente y del electroimán giratorio coinciden, se produce un rechazo y un torque magnético o par de fuerza que provoca que el rotor rompa la inercia y comience a girar sobre su eje en el mismo sentido de las manecillas del reloj en unos casos, o en sentido contrario, de acuerdo con la forma que se encuentre conectada al circuito la pila o la batería.
En la siguiente ilustración se muestra, de forma esquemática y simplificada, de un motor común de corriente continua con un rotor formado por una simple bobina de una sola espira de color rojo y azul, para diferenciar cada mitad. Si seguimos el recorrido de la corriente eléctrica (I) asumiendo que fluye en sentido convencional (del polo positivo al polo negativo de la batería, según indica las flechas negras), cuando la mitad izquierda de la espira de color rojo se forma el polo norte "N" coincidiendo con la misma polaridad del campo magnético del imán permanente, dijo al cuerpo del motor, se produce una fuerza de rechazo entre ambos polos iguales. Si aplicamos la "Regla de la mano izquierda (Ley de Lorentz)". Por otra parte, en la mitad derecha (de color azul) ocurrirá lo mismo, pero a la inversa, por lo que aplicando la propia regla comprobaremos que se moverá hacia arriba (flecha verde derecha)

Función del Colector o Conmutador en el Motor de Corriente Continua:

En la siguiente figura se representa, de forma esquemática y simplificada, la vista frontal de un colector seccionado en dos partes, pertenecientes a un motor de corriente continua, muy simple. También se muestra el enrollado de la bobina del electroimán que gira a modo de rotor, diferenciada por un color diferente en cada una de sus mitades. Una de las mitades se representa por un círculo rojo y la otro por un círculo azul, identificado como "1" y "2". Como se puede ver, uno de los terminales de dicha bobina se encuentra conectado a la sección "a" del colector y el oto terminal a la sección "b".

En el motor de corriente continua el colector o conmutador sirve para conmutar o cambiar constantemente el sentido de la corriente eléctrica a través del enrollado de la bobina del rotor cada vez que completa media vuelta. De esa forma el polo norte del electroimán coincidirá siempre con el también  polo norte del imán permanente y el polo sur con el polo sur del propio imán. Al coincidir siempre dos polos magnéticos, que en todo momento van hacer iguales, se produce un rechazo constante entre ambos, por lo que permite al rotor mantenerse girando interrumpidamente sobre su eje durante todo el tiempo que se encuentre conectado la corriente eléctrica.

Principio de Funcionamiento como Generador de Corriente Continua

El principio de funcionamiento de los generadores se basa en el fenómeno de inducción electromagnética.

La Ley de Faraday. Esta ley nos dice que el voltaje inducido en un circuito es directamente proporcional al cambio del flujo magnético en un conductor o espira.  Esto quiere decir que si tenemos un campo magnético generando un flujo magnético, necesitamos una espira por donde circule una corriente para conseguir que se genere la f.e.m. (fuerza electromotriz).

Representación del experimento que realizó Faraday

El disco de Faraday consiste en un imán en forma de U, con un disco de cobre de doce pulgadas de diámetro y !/5 de pulgada de espesor en medio colocado sobre un eje, que esta girando, dentro de un potente electroimán. Al colocar una banda conductora rozando el exterior del disco y otra banda sobre el eje, comprobó con un galvanómetro que se producía elecetridad mediante imanes permanentes. Fue el comienzo de las modernas dinamos; es decir, generadores eléctricos que funcionan por medio de un campo magnético. Era muy poco eficiente y no tenía ningún uso como fuente de energía práctica, pero demostró la posibilidad de generar elecricida usando magnetismo y abrió la puerta a los conmutadores, dinamos de corriente continua y finalmente a los alternadores de corriente.
Cuando dentro de un campo magnético tenemos una espira por donde circula una corriente eléctrica aparecen un par de fuerzas que provocan que la espira gire alrededor de su eje. De esta manera, si dentro de un campo magnético introducimos una espira y la hacemos girar provocaremos la corriente inducida. Esta corriente inducida es la responsable de la f.e.m. y será variable en dunción de la posición de la espira y el campo magnético.
La cantidad de corriente inducida  o f.e.m. dependerá de la cantidad de flujo magnético (también llamado líneas) que la espira pueda cotar, cuanto mayor sea el número, mayor la variación de flujo generada y por tanto mayor fuerza electromotriz.

Se observa los dos casos mas extremos, cuando la espia esta situada a 0° o 180° y no corta líneas, y cuando está a 90° y 270° y las cota todas.

Al hacer girar la espira dentro de un imán conseguiremos una tensión que variará en función del tiempo. Está tensión tendra una forma alterna, puesto que de 180 grados a 360 grados los polos estarán invertidos y el valor de la tensión será negativo.
El principio de funcionamiento de la dinamo se basa en que convierte la corriente alterna en corriente continua.

Disposición Constructiva

Debido a que el proceso de conversión de la energía mecánica en energía eléctrica es reversible, la constitución de la máquina es idéntica para una dinamo o un motor. La máquina consta de las partes siguientes:

Inductor

La bobina o inductor por su forma (espiras de alambres enrollados) almacena energía de campo magnético. El símbolo de una bobina/ inductor se muestra en el gráfico:

El inductor es diferente del condensador/capacitor, que almacena energía en forma de campo eléctrico. 

Todo cable por el que circula una corriente tiene a su alrededor un campo magnético, siendo el sentido de flujo del campo magnético, el que establece la ley de la mano derecha (ver electromagnetismo). Al estar el inductor hecho de espiras de cable, el campo magnético circula por el centro del inductor y cierra su camino por su parte exterior.

Una característica interesante de los inductores es que se oponen a los cambios bruscos de la corriente que circula por ellas. Esto significa que a la hora de modificar la corriente que circula por ellos (ejemplo: ser conectada y desconectada a una fuente de alimentación de corriente continua), esta intentará mantener su condición anterior.

Este caso se da en forma continua, cuando una bobina o inductor esta conectada a una fuente de corriente alterna y causa un desfase entre el voltaje que se aplica y la corriente que circula por ella. En otras palabras: "La bobina o inductor es un elemento que reacciona contra los cambios en la corriente a través de él, generando un voltaje que se opone al voltaje aplicado y es proporcional al cambio de la corriente".

APLICACIONES DEL INDUCTOR / BOBINA

• En los sistemas de iluminación con lámparas fluorescentes existe un elemento adicional que acompaña al tubo y que comúnmente se llama balastro.
• en las fuentes de alimentación tmabién se usan bobinas para filtrar componentes de corriente alterna y solo obtener corriente continua en la salida.
• En muchos circuitos osciladores se incluye una bobina o inductor. Por ejemplo circuitos RLC serie o paralelo.

NOTAS: Bobina = Inductor.


PARTES DEL INDUCTOR:

• Cabeza polar: Es la parte del circulo magnético situada entre la culata y el entrehierro, incluyendo el núcleo y la expansión polar.
• Núcleo: Es la parte del circuito magnético rodeada por el devanado inductor.
• Devanado inductor: Es el conjunto de espiras destinado a producir el flujo magnético, al ser recorrido por la corriente eléctrica.
• Expansión polar: Es la parte de la pieza polar próxima al inducido y que bordea el entrehierro.
• Polar auxiliar o conmutación: Es un polo magnético suplementario, provisto o no, de devanados y destinado a mejorar la conmutación. Suelen emplearse en las máquinas de mediana potencia y gran potencia. 
• Culata es la pieza de sustancia ferromagnética, no rodeada por devanados, y destinada a unir los polos de la máquina.

Inducido

El inducido es la parte de la máquina rotativa donde se produce la transformación de energía eléctrica en energía mecánica mediante inducción electromagnética.

En las máquinas de corriente continua el inducido es la parte giratorio, y está formado por un tambor construido de chapas apiladas de hierro al silicio de 1/2 mm de espesor con una serie de ranuras longitudinales en periferia, en cuyo interior se alojan las bobinas donde se induce la fuerza electromotriz cuando este gira dentro del campo magnético creado por el inductor.

Los extremos de las bobinas están conectadas a unas láminas de cobre, llamado colector, que se encarga de  conectar las bobinas en el circuito exterior de la máquina mediante escobillas de carbón estáticas que rozan sobre las delgas.

PARTES DEL INDUCIDO (ROTOR):

• Núcleo: El núcleo del inducido esta formado por un cilindro de chapas magnéticas generalmente construidas de acero laminado con un 2% de silicio para reducir las pérdidas. Este cilindro se fija al eje de la máquina descansando sobre cojinetes que facilitan la posibilidad de giro del mismo. Las chapas que forman el núcleo tienen unas ranuras donde se alojan los hilos de cobre que forman las espiras del devanado del inducido.
• Devanado inducido: Se encuentra conectado al circuito exterior por medio del colector y sus delgas (ve figura próxima). En él es donde se produce la conversión de energía Este devanado se suele construir de cobre electrolítico cuya resistividad es 1.7*10^-3 mm^2/m a 20° de tempeatura.

Figura.

Colector

Constituido esencialmente por piezas planas de cobre duro de sección trapezoidal, llamadas delgas, separadas y aisladas unas de otras por delgadas láminas de mica, formado el conjunto un tubo cilíndrico aprisionado fuertemente. El colector tiene tantas delgas como bobinas posee el devanado inducido de la máquina. (Ver la imagen siguiente)

En la imagen se aprecia la ubicación y constitución real del colector con sus delgas separadas y aisladas unas de otras por delgadas láminas de mica.

Escobillas

En electricidad, es necesario, frecuentemente, establecer una conexión eléctrica entre una parte fija y una parte rotatoria en un dispositivo. Este es el caso de los motores o generadores eléctricos, donde se debe establecer una conexión de la parte fija de la máquina con las bobinas del rotor (inductor)

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 los terminales de la bobina rotatoria. En frente de los anillos se disponen unos bloques de grafito, que mediante unos resortes, hacen presión sobre ellos para establecer el contacto eléctrico necesario (ver imagen siguiente). Estos bloques de grafito se denominan escobillas y los anillos rotatorios reciben el nombre de colector

Debido a que, el roce que se ocasiona al girar el dispositivo se produce un desgaste por abrasión, las escobillas se deben sustituidas periódicamente. Por este motivo se han inventado los motores eléctricos sin escobillas.

Las escobillas son usadas para establecer el contacto eléctrico necesario que ponga en correcto funcionamiento la máquina de corriente continua (generador y/o motor).

Entrehierro

Es el espacio comprendido entre las expansiones polares y el inducido (ver figura siguiente); suele se normalmente de 1 a 3 mm, lo imprescindible para evitar el rozamiento entre la parte fija y la móvil.

En esta imagen se representativa de un motor se puede apreciar los elementos o componentes del mismo y el espacio que existe entre el rotor y el estátor conocido como entrehierro.