Motor Eléctrico

Que es un motor eléctrico?

Un motor eléctrico es un dispositivo electromecánico que convierte la energía eléctrica en energía mecánica a través de fuerzas de origen electromagnético que inducen al movimiento.

Dependiendo del tipo de corriente utilizada (corriente continua o alterna) y del método de control del campo magnético, los motores se clasifican en varios tipos, como sincrónicos, asincrónicos o con imanes permanentes.

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Características del motor eléctrico

Rendimiento 

Es el cociente entre la potencia útil que generan y la potencia absorbida. Suele estar representado por la letra griega η.

El rendimiento (η) es una medida de la eficiencia del motor, y se calcula como el cociente entre la potencia útil generada por el motor y la potencia eléctrica absorbida por el mismo. Por lo general, el rendimiento se expresa en porcentaje y la fórmula es:

Rendimiento (η) = (Potencia útil / Potencia absorbida) × 100%

Esta relación permite evaluar cuán eficientemente un motor eléctrico convierte la energía eléctrica que recibe en energía mecánica útil.

Velocidad nominal o velocidad baja

La velocidad nominal de un motor es la velocidad a la que está diseñado para operar de manera eficiente y segura bajo condiciones específicas y estándar. La velocidad baja, por otro lado, podría referirse a una velocidad de operación menor que la nominal.

La velocidad angular es una medida de la tasa de cambio del ángulo con respecto al tiempo, y usualmente se mide en radianes por segundo (rad/s) o revoluciones por minuto (rpm o RPM). La letra "n" es comúnmente utilizada para representar la velocidad en revoluciones por minuto.

La relación entre la velocidad angular (ω) y la velocidad en revoluciones por minuto (n) es la siguiente:

Velocidad angular (ω) = (Velocidad en revoluciones por minuto (n) × 2π) / 60 rad/s

Potencia del motor eléctrico

Es el trabajo que el motor es capaz de realizar en la unidad de tiempo a una determinada velocidad de rotación. Por lo general, se mide en caballos de fuerza (hp), con 1 hp igual a 736 vatios.

La potencia indica la capacidad del motor para realizar trabajo en un periodo de tiempo específico a una cierta velocidad de rotación.

La unidad de medida estándar para la potencia en los motores se expresa en caballos de fuerza (hp). La equivalencia entre caballos de fuerza y vatios también está correctamente expresada: 1 hp es igual a 736 vatios (o aproximadamente 745.7 vatios según la definición estándar).

Par motor

El par motor (o torque) es una medida del esfuerzo de torsión que un motor genera en su eje. 

Se mide comúnmente en newton-metros (Nm) o pie-libras (ft·lb).

Existen varios tipos de par motor, como el par de arranque (al iniciar el motor), par de aceleración (durante la aceleración), y par nominal (par continuo bajo condiciones estándar).

Los tipos de par incluyen:

-Par de Arranque: El par generado al iniciar el motor desde un estado de reposo.

-Par de Aceleración: El par disponible durante la aceleración del motor.

-Par Nominal: El par que un motor puede producir de manera continua bajo condiciones estándar.

Como funciona un motor eléctrico

Los motores eléctricos son máquinas eléctricas rotativas que transforman la energía eléctrica en energía mecánica. Debido a sus muchas ventajas, incluida su economía, limpieza, comodidad y seguridad operativa, el motor eléctrico ha reemplazado en gran medida a otras fuentes de energía, tanto en la industria como en el transporte, las minas, el comercio o el hogar.

Los motores eléctricos satisfacen una amplia gama de necesidades de servicio, desde arrancar, acelerar, moverse o frenar, hasta sostener y detener una carga. Estos motores se fabrican en potencias que van desde una pequeña fracción de un caballo de fuerza hasta varios miles, y con una amplia variedad de velocidades, que pueden ser fijas, ajustables o variables.

Funcionamiento de un motor eléctrico

Ventajas

Un motor eléctrico contiene una cantidad mucho menor de piezas mecánicas que un motor de combustión interna o un motor de vapor, lo que lo hace menos propenso a fallar.
Los motores eléctricos son los más ágiles de todos cuando se trata de variación de potencia y pueden pasar instantáneamente de la posición de inactividad a la de funcionamiento completo.
Son de menor tamaño y se pueden desarrollar sistemas para impulsar las ruedas desde un solo motor, como en los automóviles.

Desventajas

Para su funcionamiento necesitan energía eléctrica, en caso de falta de la red eléctrica se requieren de las baterías. La desventaja es que las baterías son los únicos sistemas de almacenamiento de electricidad y ocupan mucho espacio. Además, cuando se agotan, necesitan varias horas para recargarse antes de que puedan volver a funcionar, mientras que en el caso de un motor de combustión interna basta con llenar el depósito de combustible.

Tipos de motores eléctricos

Los motores eléctricos se clasifican principalmente en dos categorías basadas en el tipo de corriente eléctrica que utilizan: motores de corriente continua (CC) y motores de corriente alterna (CA).

Motores de Corriente Continua (CC)

Operan con corriente eléctrica continua y tienen características como el control preciso de la velocidad y el par motor elevado durante el arranque.

Motores de Corriente Alterna (CA)

Operan con corriente eléctrica alterna. Dentro de esta categoría, hay varios tipos de motores, incluyendo:

Motores de Inducción

Son los más comunes y se caracterizan por ser robustos y requieren poco mantenimiento. No tienen conexiones eléctricas entre el rotor y el estator, lo que reduce su complejidad y mejora su durabilidad.

Motores Síncronos

Operan a una velocidad constante que es sincronizada con la frecuencia de la corriente alterna. Son utilizados en aplicaciones que requieren velocidad constante o factor de potencia corregido.

Motores con Colector (o Motores Universales)

Pueden operar tanto con corriente continua como alterna, aunque no son típicamente clasificados junto con los motores de inducción y síncronos.

Partes de un motor eléctrico

Los dos elementos fundamentales de cualquier motor eléctrico son el rotor y el estator.

Rotor

El rotor es la parte giratoria del motor eléctrico, compuesta por un núcleo ferromagnético con conductores enrollados o imanes permanentes.

En el caso de los motores de inducción, el rotor usualmente posee conductores enrollados en una configuración específica que permite la inducción electromagnética. 

Cada conductor o bobinado en el rotor está separado por ranuras y asegurado con aislantes para evitar cortocircuitos entre las espiras del devanado.

Estator

El estator es la parte estática del motor que rodea al rotor, compuesto también por un núcleo ferromagnético con bobinas o devanados. Los devanados del estator, cuando son energizados por una fuente de corriente eléctrica, generan un campo magnético que interactúa con el campo magnético del rotor, induciendo la rotación del mismo. Las ranuras en el estator alojan los devanados, y estos están aislados eléctricamente del núcleo ferromagnético para prevenir cortocircuitos y pérdidas eléctricas.

La interacción electromagnética entre el campo magnético generado por el estator y el campo magnético del rotor es lo que induce la rotación del rotor, convirtiendo así la energía eléctrica en energía mecánica, que es transmitida a través del eje del motor para realizar trabajo mecánico.

Como funciona el motor eléctrico en DC

El funcionamiento de un motor eléctrico de corriente continua (DC) se basa en los principios del electromagnetismo y la conmutación. 

A continuación se detalla el proceso operativo de un motor DC:

Excitación y Torque Electromagnético

Al aplicar una corriente eléctrica al circuito del motor, los devanados de la armadura (también referida como inducido) se energizan, creando un campo magnético. Este campo magnético interactúa con el campo magnético generado por los imanes permanentes o los devanados del estator, produciendo un torque electromagnético que induce la rotación de la armadura.

Conmutación

La conmutación es esencial para mantener la rotación en la dirección deseada. Se logra mediante un conmutador (o colector), que es un interruptor rotativo en el motor DC. A medida que la armadura gira, el conmutador invierte la dirección de la corriente en los devanados de la armadura cada media vuelta, asegurando así que el torque electromagnético siempre induzca la rotación en la misma dirección.

Continuidad de la Rotación

El proceso de conmutación permite que el motor continúe girando al invertir la polaridad de la corriente en los devanados de la armadura, garantizando así que la dirección del torque electromagnético se mantenga constante. Este ciclo de conmutación y generación de torque continúa mientras la corriente eléctrica se suministre al motor, manteniendo la rotación del inducido.

Motor eléctrico en AC

Los motores de corriente alterna tienen una estructura similar, con pequeñas variaciones en la construcción de los devanados y el conmutador del rotor. Según su sistema operativo, se clasifican en

•  motores de inducción,

•  motores síncronos,

•  motores de conmutador.

Motor de inducción

El motor de inducción no necesita escobillas ni conmutador. Su armadura está hecha de placas de metal magnetizables. La dirección alterna de circulación de la corriente en las vueltas del estator genera un campo magnético giratorio que arrastra las placas de metal magnetizables y las hace girar.

El motor de inducción es el motor de corriente alterna más utilizado, debido a su solidez y sencillez de construcción, buen rendimiento y bajo costo, así como a la ausencia de colector y al hecho de que sus características de funcionamiento están bien adaptadas a una velocidad constante.

Motor sincrono

Los motores síncronos funcionan a una velocidad síncrona fija proporcional a la frecuencia de la corriente alterna aplicada. Su construcción es similar a la de los alternadores.

Cuando un motor síncrono opera a potencia constante y sobreexcitado, la corriente absorbida por él presenta, con respecto a la tensión aplicada, un ángulo de avance de fase que aumenta con la corriente de excitación.

Esta propiedad ha mantenido el uso del motor síncrono en el ámbito industrial, a pesar de ser el motor de inducción más simple, más económico y con un arranque cómodo, ya que con un motor síncrono se puede compensar un factor de potencia bajo en la instalación suministrando la corriente reactiva, de la misma forma que un condensador conectado a la red.

"¿Cómo garantizar el correcto funcionamiento de un motor eléctrico?"

Para asegurar el funcionamiento óptimo de un motor eléctrico, es crucial monitorear posibles sobrecargas y desequilibrios de corriente.

Monitoreo de Sobrecargas

Las sobrecargas eléctricas pueden ocasionar una operación ineficiente y dañar el motor eléctrico. Es crucial implementar sistemas de protección y monitoreo que detecten y respondan a condiciones de sobrecarga, protegiendo así el motor y asegurando la continuidad de la operación.

Detección de Desequilibrios de Corriente

Un desequilibrio de corriente se refiere a las diferencias en la magnitud y/o la fase de las corrientes en los devanados del motor, lo que puede ser indicativo de problemas como desalineamientos, fallas en los devanados o en las conexiones eléctricas. Los desequilibrios de corriente pueden resultar en una operación ineficiente, aumento de la temperatura, vibraciones, y desgaste prematuro del motor. Por ello, es esencial monitorear la corriente en los devanados del motor y analizar cualquier desequilibrio, para tomar acciones correctivas y preventivas que aseguren el funcionamiento óptimo y la longevidad del motor eléctrico.

La implementación de sistemas avanzados de monitoreo y protección, así como la realización de mantenimiento preventivo basado en el análisis de los datos recopilados, son estrategias clave para garantizar la operación eficaz y segura de los motores eléctricos. 

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