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Contrucci´ Contruccion o´ n de un Motor El´ Electrico e´ ctrico Casero Erick Salguero, Estudiante, ESPOCH Escuela Superior Politecnica de Chimborazo
interpretaci´on o´ n as´ı co Resumen—Este documento contiene la interpretaci mo la contru contrucci cci´on o´ n de un prot protot ot´´ıpo ı po de motor motor el´ electrico e´ ctrico casero casero aplican aplicando do las leyes leyes que gobier gobiernan nan dicha dicha maquina a´ quina asi como su historia y definiciones, agregando un modelo matem´ atico para la contrucci´ contruccion o´ n de sus partes. En algunos casos de manera emp´ emp´ırica ırica y en otros mediante c´ calculos a´ lculos matem´ matematicos a´ ticos preestablecid preestablecidos. os. Esta actividad esta orientada a la investigaci´ investigacion o´ n y creaci´ creacion o´ n de nuevos modelos de motores el´ electricos e´ ctricos asi como su funci´ funcion o´ n y aplicaciones, esta contrucci contrucci´on o´ n de motor de corriente continua ilustra el efecto de fuerza de Lorentz, que generan las cuplas que hacen mover el mismo. Por otra parte tambi´ tambien e´ n describe el montaje de un motor el´ electrico e´ ctrico con materiales caseros y herramientas comunes en casa. Campo magn´ magnetico, e´ tico, Inducci Inducci´on, o´ n, Delgas, Bobinas, Polos, Electricidad, Corriente alterna, Corriente continua, Im´ Iman, a´ n, Campo magn´ magnetico. e´ tico.
conductor que lo constituye. Estos electroimanes est an a´ n constituidos por muchas espiras “bobina” y se puede incrementar significativamente el campo magn´etico etico generado si se utiliza un trozo de hierro como n´ucleo ucleo de la bobina. Podemos esquematizar un motor el ectrico e´ ctrico de corriente continua simple de 2 polos con 5 partes (2) (DC = Direct Current) Una armadura o rotor. (im an a´ n transitorio) Un conmutador. Cepillos. Un eje. Un Im´an an de campo. (im´an an permanente)
Palabras Clave—Motor,
I.
´ I NTRODUCCION
Los imanes son siempre una fuente de asombro y atracci´on on para la mayor´ mayor´ıa ıa de las personas, personas, son muchas muchas las actividad actividades es que pueden desarrollarse muy productivamente en casa usando algunos imanes. Otro de los elementos que llama poderosamente su atenci on o´ n son los motores el´ectricos, ectricos, ya que ellos generalmente le dan “vida” a sus juegos, pero dif´ıcilmente ıcilmente observar´an an la estrecha vinculaci´ vinculacion ´ que existe entre su m agico a´ gico im´ iman a´ n y su dive diverti rtido do motorcito. Este especial inter es e´ s podr´ podr´ıa ıa utilizarse como una motivacion o´ n para explicar explicar diversos diversos fen omenos ´ electromagn eticos e´ ticos as´ı como tambi´ tambi en e´ n para explicar los usos de los mismos. En este este acti activi vida dad d leem leemos os un modo modo de fabr fabric icac aci´ i´on de un motor el´ electrico e´ ctrico de sencilla construcci on o´ n y muy adecuado para entender su funcionamiento. Un motor est a´ compuesto por 2 tipos de imanes, imanes, uno de tipo permanente permanente y otro transitori transitorio. o. Sabemo Sabemoss que todos todos los imanes imanes tienen tienen un polo polo norte norte y un polo polo sur y si cono conoce cemo moss un im´ iman a´ n conoce conocemos mos acerca acerca de la ley fundamental que los rige: polos distintos se atraen y polos iguales se repelen. O sea si tenemos 2 imanes y llamamos a uno de sus “extremos” o polos norte y al otro sur, el norte atraer´a al sur y si enfren enfrenta tamo moss nort nortee con con nort nortee o sur sur con con sur los imanes imanes se repele repeler´ r´an. an. Este es el princip principio io b asico a´ sico de funcionamiento de un motor el ectrico e´ ctrico y dentro del mismo esas fuerzas de atracci on o´ n y repulsion o´ n son utilizadas para generar un movimiento rotacional. Es de saber tambi´ tambi´en en que al circul circular ar corrie corriente nte el´ectrica ectrica por una espira espira se produc producee entorn entorno o a ella ella un campo campo magn magn etico e´ tico que es perpendicular a la espira y los polos de dicho campo magn´ magnetico e´ tico pueden pueden ser invertid invertidos os si se invier invierte te el sentido sentido de circulaci´ circulacion o´ n de la corriente en el conductor (1). Este fen omeno o´ meno es utilizad utilizado o para generan generan campos campos magn´eticos eticos transito transitorios rios,, a los que se denomina habitualmente electroim an, a´ n, ya que solo ´ tiene tiene propiedade propiedadess magn´ magneticas eticas si una corriente circula por el
II. II-A.
D ESARROLLO DE CONTENIDOS
Nociones fundamentales
II-A1. Motores Motores El´ Electricos: el motor el etrico e´ trico es la m´ maquina a´ quina ´ destinada a tranformar energ´ energ ´ıa ıa el´ electrica e´ ctrica en energ´ energ ´ıa ıa mec´ mecanica. a´ nica. El motor motor de inducc inducciion o´ n es el m´ mas a´ s usado usado de todos todos los tipos tipos de motores, ya que combina las ventajas de la utilizaci´on de energ´ıa ıa el´ el ectrica e´ ctrica bajo costo, facilidad de transporte, limpieza, simplici simplicidad dad de comando comando con su contrucci contrucci´on o´ n simp simple le y gran gran versati versatilida lidad d de adaptaci adaptacion o´ n a las cargas de los m as a´ s diversos diversos tipos tipos y mejor mejores es rendim rendimien ientos tos.. Los tipos tipos m as a´ s comu comune ness de motores el ectricos e´ ctricos son:
Figura 1. 1. Campo margn´ margn´etico etico de una espira si se invierte la corriente se invierte B
Figura Figura 2. Esquem Esquemaa de un motor motor el´ectrico ectrico de corriente continua de 2 polos con 5 partes.
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Figura 3. Materiales para la contrucci´on del motor.
II-A2. Motores de corriente continua: Son motores de costo m´as elevado y, adem´as de eso precisan una fuente de corriente continua, o un dispositivos que convierta la corriente alterna comu´ n en continua. Pueden funcionar con velocidad ajustable, entre amplios l´ımites y se prestan a controles de gran flexibilidad y precisi´on. Por eso, su uso restricto a caos especiales en que estas exigencias compensan el costo mucho m´as alto de la instalaci o´ n y del mantenimiento. II-A3. Motores de corriente alterna: Son los m´as utilizados, porque la distribuci´on de energ´ıa el´ectrica es hecha normalmente en corriente alterna. Los principales tipos son: II-A4. Motor s´ ıncronico: Funciona con velocidad fija, o sea, sin interferencia del deslizamiento, utilizado normalmente ˜ para grandes potencia (debido a su alto costo en tam nos menores). II-A5. Motor de inducci´ on: Funciona normalmente con uana velocidad constante, que varia ligeramente con la carga mec´anica aplicada al eje. debido a su gran simplicidad, robustez y bajo costo, es el motor m´as utilizado de todos, siendo adecuado para casi todos los tipos de m a´ quinas accionadas, encontradas en la pr a´ ctica. Actualmente es posible el control de la velocidad de los motores de inducci o´ n con el auxilio de convertidores de frecuencia. II-B.
Materiales
´ Para los materiales son com unmente f a´ ciles de encontrar en casa (3), si fuere el caso de no hallarlos en la tienda mas cercana se lo puede conseguir y son los siguientes: Dos imanes de neodimio de disco duro de computadora. Alambre esmaltado de transformador. Envase met´alico con propiedades ferromagn e´ ticas (matamosquitos). Eje de unidad de CD vieja. Soporte pl´astico cil´ındrico. Masilla ep´oxica. Cable flexible. Pegamento con catalizador II-C.
2. Dibujar circunferencias de di a´ metro igual al de una tapa de botella pl´astica en toda la l´amina de metal (4). 3. Recortar cada una de las circunferencias dibujadas en la l´amina. 4. Dibujar un circunferencia interior de 1 cm de di a´ metro, tambi´e n dividir a las circunferencias en tres partes iguales tal como se indica (3), esto se debe hacer en todas las circunferencias recortadas. 5. Preparar la masilla ep´oxica, aplicar la masilla en las l´aminas para poder pegar entre ellas y dejar un espacio de separacio´ n entre las l´aminas para una mayor eficiencia electromagn´etica (5). 6. Limar las superficies sobrantes de las masilla ep o´ xica dejando la gran parte de la superficie met a´ lica de las l´aminas. Y hacer un agujero del di a´ metro del eje de CD en la parte superior central del rotor formado. 7. Utilizar el pegamento y pegar el eje de CD al rotor. 8. Recortar 3 l´aminas rectangulares met a´ licas de 5x3mm para formar las delgas de la escobilla (5). 9. Con el alambre del transformador bobinar con 30 vueltas cada uno de los devanados del rotor, dejando siempre un sobrante para cada una de las delgas de la escobilla (6). 10. Limar cada una de los sobrantes del alambre esmaltado y soldarlos a las delgas con esta n˜ o (6). 11. Con el envase pl´astico cil´ındrico creamos una carcaza en la cual van a ir ubicados el rotor y los imanes de neodimio. 12. hacemos dos agujeros en el envase para formar un arco de laminetas que no se toquen para que funcionen como carboncillos y transmitan la corriente el e´ ctrica al rotor (7). 13. Acoplar todos los componentes a la carcaza del motor
Figura 4. Corte de la lata.
Construcci´ on del motor
1. Tomar la botella met´alica y cortar su extremo tanto superior o inferior con un sierra, hasta tener una l´amina ´ asegurarse de que el envase este total(PRECAUCION mente vac´ıo).
Figura 5. Rotor formado.
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Figura 6. Conexiones a la escobilla.
Figura 7. Escobillas.
(imanes y rotor), en su respectiva posici o´ n. 14. Conectar los terminales a una fuente de 12V de CC (8). II-C1. Funcionamiento: Se puede entender c´omo funciona un motor si se imagina el siguiente escenario. Digamos que se creo´ un electroim´an simple envolviendo 50 vueltas alambre aislado alrededor de un tornillo o clavo retirando el tornillo o clavo y conect´andolo posteriormente a una bater´ıa (previamente deber´a quitar el esmalte aislante de ambos extremos del conductor). la bobina se convertir´a en un electroim´an y tendr´a un polo norte y sur mientras la bater ´ıa est´e conectada (o sea mientras circule corriente el e´ ctrica por el conductor). Ahora supongamos que se toma la bobina im a´ n y la suspende en la entre el polo norte y sur de un im´an tipo herradura, como se muestra (10). La bobina se mover´a hasta ubicarse en ´ mostrada. Y si se intenta moverlo este retornar a´ la posicion nuevamente a la misma posici o´ n. Este movimiento de media vuelta es simple y obvio porque ya dijimos que naturalmente los imanes se atraen y repelen uno al otro. La clave para el
funcionamiento de un motor el e´ ctrico es dividir al movimiento en etapas y en el momento en que ese movimiento de media vuelta se complete, el campo del electroim´a n cambie. El cambio hace que el electroim´a n haga otra media vuelta. El cambio del campo magn e´ tico del electroim a´ n se logra invirtiendo la direcci o´ n del flujo de electrones en el alambre (invirtiendo las conexiones del electroim´an a la bater´ıa). Si el campo del electroim´a n cambia en el momento justo en que se completa cada media vuelta, el motor el e´ ctrico girar´a continuamente. La armadura toma el lugar del tornillo en un motor el´ectrico. La armadura es un electroim a´ n que se hace enrollando alambre delgado esmaltado alrededor de 2 o m´as polos de un centro de metal. La armadura tiene un eje, y el conmutador est´a atado al eje (11). Se pueden ver tres diferentes vistas de la misma armadura: frente, lado y extremo. En la vista de extremo el bobinado de alambre es eliminado para hacer el conmutador m´as obvio. Puede ver que el conmutador es un simple par de platos atados al eje. Esos platos dan las dos conexiones para el rollo del electroim a´ n. La funci´on del “cambio del campo el e´ ctrico” de un motor es complementada por dos elementos: el conmutador y los cepillos. El diagrama de la (11). muestra c´omo el conmutador y los cepillos trabajan juntos para dejar que el actual flujo de electrones vayan al electroim´an, y tambi´en cambien la direcci o´ n de los electrones que corren en ese momento. Los contactos del conmutador est´an fijados al eje del electroim´an, as´ı que cambian con el im´an. Los cepillos son s´olo dos pedazos de metal el´astico o carbo´ n que hace contacto con el conmutador. Al desmontar un peque˜no motor el´ectrico se encontrar a´ que contiene las mismas partes descritas arriba: dos peque n˜ os imanes permanentes, un conmutador, dos cepillos y un electroim´an hecho por bobinado de cable alrededor de metal. Casi siempre, el rotor tendr´a tres polos en lugar de dos tal como se muestra en este art´ıculo. Hay dos buenas razones para que un motor tenga tres polos: Esto hace que el motor sea m´as din´amico. En un motor de dos polos, si el electroim a´ n est´a balanceado, perfectamente horizontal entre los dos polos del im a´ n del campo cuando el motor arranca, ocurrir´a que la armadura se queda “pegada” ah´ı no gira. Esto nunca ocurre en un motor de tres polos. Cada vez que el conmutador toque el punto donde cambia el campo a un motor de dos polos, el conmutador conecta la bater´ıa (une directamente las terminales positivas y negativas) por un momento. Esta conexi o´ n hace que se gaste la energ´ıa de la bater´ıa innecesariamente. Un motor de tres polos arregla el problema. Es posible tener cualquier n u´ mero de polos, dependiendo del ´ espec´ıfica en que se est e´ taman˜ o del motor y la aplicaci on utilizando. III.
Figura 8. Motor en funcionamiento.
C ONCLUSIONES
Toda m´aquina que convierte energ´ıa el´ectrica en movimiento o trabajo mec a´ nico, a trav´es de medios electromagn´eticos es considerada esencialmente un motor el´ectrico, algunos de los motores el´ectricos son reversibles, pueden transformar energ´ıa mec´anica en energ´ıa el´ectrica funcionando como generadores.
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El principio de funcionamiento de todo motor se basa en que tiene que estar formado con polos alternados entre el estator y el rotor, ya que los polos magn e´ ticos iguales se repelen, y polos magn´eticos diferentes se atraen, produciendo as´ı el movimiento de rotaci o´ n. Entre las caracter´ısticas fundamentales de los motores el´ectricos, tenemos que se hallan formados por varios elementos, sin embargo, las partes principales son: el estator, la carcasa, la base, el rotor, la caja de conexiones, las tapas y los cojinetes . Los motores el e´ ctricos se clasifican en motores de Corriente Directa Se utilizan en casos en los que es im-
portante el poder regular continuamente la velocidad del motor, utilizan corriente directa, como es el caso de motores accionados por pilas o bater ´ıas, motores de Corriente Alterna; Son los tipos de motores m a´ s usados en la industria, ya que estos equipos se alimentan con los sistemas de distribuci o´ n de energ´ıas “normales” y por u´ ltimo Los Motores Universales Tienen la forma de un motor de corriente continua, la principal diferencia es que est´a disen˜ ado para funcionar con corriente continua y corriente alterna. El inconveniente de este tipo de motores es su eficiencia, ya que es baja (del orden del 51 %). Para el arranque de motores es indispensable su instalaci´on pero no solo su instalaci o´ n sino su conexi o´ n. Para efectuar el cambio de sentido de giro de los motores el´ectricos de corriente alterna monof ´asicos u´ nicamente es necesario invertir las terminales del devanado de arranque, esto se puede realizar manualmente o con unos relevadores, Para motores trif ´asicos u´ nicamente es necesario invertir dos de las conexiones de alimentaci o´ n correspondientes a dos fases de acuerdo a la secuencia trif´asica y Para motores de corriente directa es necesario invertir los contactos del par de arranque.
Figura 9. Esquema de un motor el´ectrico de corriente continua de 2 polos con 5 partes.
AGRADECIMIENTOS Este espacio dedico a una persona a la cual de manera indirecta me ayud o´ a poder estructurar muy bien el documento afianzado a la norma, tambi e´ n por el simple hecho de poner tips y tintes suyos en el, G.E.R.A. Muchas gracias por el apoyo. R EFERENCIAS
Figura 10. Esquema de un motor el´ectrico de corriente continua de 2 polos con 5 partes.
Figura 11. Esquema de un motor el´ectrico de corriente continua de 2 polos con 5 partes.
[1] Lobosco, O. S., da Costa Dias, J. L. P., & Oliver, D. Selecci´ on y aplicaci´ on de motores el´ ectricos. Marcombo. . (1990). [2] Fitzgerald, A. E., Charles, U., Milan´es, S. D. Y., & Jorge, N. S. Electric machinery. M´ aquinas el´ ectricas.. (1992). [3] Rosenberg, R., McIntyre, R. L., Gray, A., Wallace, G. A., Tepper, M., on de motores el´ ectricos: tratado Gobbi, M., ... & Hueso, L. E., Reparaci´ pr actico ´ sobre el rebobinado de motores de corriente alterna y continua, y sobre la reparaci´ on de defectos en los mismos y en el correspondiente aparellaje de arranque y maniobra. , Gustavo Gili, (1988).
