motores y actuadores

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Curso de electrónica básica e instrumentación: ElectromagnetismoCurso de electrónica básica e instrumentación: Electromagnetismo

Universidad Autónoma de Madrid M.Cuenca

ELECTROMAGNETISMO

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Introducción al electromagnetismo

•Campo magnético•Materiales magnéticos de interés tecnológico•Electromagnetismo

–Base fundamental de las maquinas eléctricas.–Principal método para producir movimiento mediante electricidad.

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¿Qué es un imán?

• Produce campo magnético a su alrededor

• Tiene dos polos norte y sur

• Puede adoptar distintas formas

Un imán es un material capaz de producir un campo magnético exterior y atraer el hierro (también puede atraer al cobalto y al níquel). Los imanes que manifiestan sus propiedades de forma permanente pueden ser naturales, como la magnetita o artificiales, obtenidos a partir de aleaciones de diferentes metales. En un imán la capacidad de atracción es mayor en sus extremos o polos. Estos polos se denominan norte y sur, debido a que tienden a orientarse según los polos geográficos de la Tierra, que es un gigantesco imán natural. Los polos iguales se repelen entre si y los polos distintos se atraen. La fuerza de atracción o repulsión entre dos imanes es inversamente proporcional al cuadrado de lasdistancia (disminuye rápidamente con la distancia).

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¿De donde procede el magnetismo?

• Corrientes producidas por los electrones.

• Diferente configuración electrónica diferentes propiedades magnéticas

Desde hace tiempo es conocido que una corriente eléctrica genera un campo magnético a su alrededor. En el interior de la materia existen pequeñas corrientes cerradas debidas al movimiento de los electrones que contienen los átomos, cada una de ellas origina un microscópico imán o dipolo. Cuando estos pequeños imanes están orientados en todas direcciones sus efectos se anulan mutuamente y el material no presenta propiedades magnéticas; en cambio si todos los imanes se alinean actúan como un único imán y en ese caso decimos que la sustancia se ha magnetizado.

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Magnetismo terrestre

• La tierra tiene un campo magnético a su alrededor.• El valor del campo es muy pequeño.

La tierra se comporta como una gigantesco imán, esto es debido entre otras cosas, a su núcleo de hierro que produce un campo magnético. En la superficie de la tierra, un imán se orienta en la dirección del campo magnético de la tierra, el polo norte del imán apunta al polo norte terrestre. El polo norte geográfico es por tanto el polo sur magnético. El campo magnético de la tierra tiene un valor (0.025 mT) muy pequeño comparado con el valor de campo de cualquier imán y el equivalente al producido por una corriente de 1 A a 1 cm. de distancia. Este valor, aunque pequeño, debe de ser tenido en cuenta cuando medimos campos magnéticos de baja intensidad o cuando queremos medir una corriente midiendo el campo magnético que produce.

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Materiales magnéticos

• Ferromagnéticos:hierro,níquel cobalto

El campo aumenta

en el interior

El propiedad que define las característica magnéticas de un material es la permeabilidad magnética, normalmente se define en relación al vacío y recibe el nombre de permeabilidad relativa. Por su comportamiento cuando los introducimos en un campo magnético, podemos diferenciar 3 tipos de materiales:-Ferromagnéticos, son aquellos que tienden a orientar sus dominios magnéticos en las misma dirección que el campo magnético externo y por tanto se convierten en imanes y son atraídos por estos los materiales ferromagnéticos mas conocidos son el hierro níquel y el cobalto y las aleaciones de ellos. Son utilizados en aquellos caso en los que necesitamos confinar el campo magnético y aumentar la inducción magnética. Los valores de permeabilidad para estos materiales van entre los 1000000 del supermalloy utilizado en la fabricación de cabezales de lectura magnética, 100000 del mumetal, que es una aleación utilizada frecuentemente como apantallamiento del campo magnético, en torno a 10000 de la ferritas y 5000 del hierro. Son los materiales de mayor interés tecnológico para las aplicaciones electrotécnicas, transformadores, motores.

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Materiales magnéticos

• Diamagnéticos: bismuto, hopg, agua

El campo disminuye

en el interior

• Paramagnéticos:platino aluminio,oxigeno

El campo no

cambia en el

interior

-Paramagnéticos, son aquellos en los que el movimiento natural de las moléculas por la temperatura tiende a compensar a tendencia de las moléculas a orientarse con el campo, este tipo de materiales no manifiesta ningún efecto cuando son puestos cerca de un imán. Tiene poco interés tecnológico para aplicaciones magnéticas.

-Materiales diamagnéticos: son aquellos imanes cuyas moléculas tienden a orientarse en sentido contrario al campo externo que se les aplica y por tanto son rechazados por un imán . Los materiales mas conocidos con esta propiedad son el bismuto y el HOPG. Los valores típicos de permeabilidad relativa para estos materiales son extremadamente bajos alrededor de −400×10−6 para el HOPG y unas 20 veces menos para el resto de los materiales .Como estos materiales se oponen al campo externo y son rechazados por los imanes, se puede hacer que floten en presencia un campo externo fuerte.

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Levitación magnética

El la primera imagen podemos ver una lamina de HOPG (grafito pirolítico altamente orientado) flotando sobre cuatro imanes, por la disposición geométrica de los mismos tenemos que el campo magnético es mínimo en el centro, incrementándose a medida que nos aproximamos a los bordes, por tanto el material diamagnético, permanece en el centro.En la segunda imagen podemos ver un imán flotando en medio de dos piezas de bismuto, encima del montaje y fuera de imagen hay un imán que tira del que está en el centro, como el bismuto es diamagnético el campo cerca de el es menor y por tanto el imán permanece en el centro.En la tercera fotografía, podemos ver levitación magnética por efecto Meissner, el material superconductor se vuelve diamagnético, no permitiendo que haya campo en su interior, por lo cual hace flotar al imán.En la cuarta imagen el globo flota por medio de un sistema electrónico de control que mantiene el globo en su sitio, midiendo el campo magnético y compensándolo mediante un electroimán. Si este sistema electrónico el sistema es inestable.

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Parámetros de los imanes

• Coercitividad Intrínseca• Coercitividad, Hci ó Hc• Curva de Histéresis• Entrehierro• Remanencia (Br) • Temperatura de CURIE, Tc• Sinterización:

Coercitividad Intrínseca Hs: Valor del campo, medido en A/m, que indica la resistencia de un material a la desimanación. El valor máximo se obtiene tras haber llevado el imán a saturación.Coercitividad, Hci ó ¡Hc: Es la resistencia de un material magnético a la desimanación. Es el valor de H que anula la inducción magnética o la emanación y se mide en Amperios por metro A/m.Curva de Histéresis: Es la curva cerrada obtenida al medir la inducción B o la imantación M cuando se somete a un campo magnético H describiendo un ciclo completo entre los límites definidos por la inducción o la imantación de saturación del primer cuadrante al tercer cuadranteEntrehierro :Es el espacio magnético entre los polos de un imán, que puede ser rellenada con cualquier material no magnético, como latón, madera, o plástico.Remanencia (Br): Es la imantación residual del imán que ha sido imantado hasta la saturación en un circuito cerrado. Br se calcula en Tesla (T), militeslas(mT) o en Gauss (G), y corresponde a la inducción magnética que queda en el material magnético después de ser imantado a saturación y preparado para su uso final.Temperatura de CURIE, Tc: Es la temperatura por encima de la cual los materiales ferromagnéticos se vuelven paramagnéticos, perdiendo sustancialmente todas sus propiedades magnéticas permanentes. Depende normalmente de la composición química del material magnéticoSinterización: Es el tratamiento térmico a temperaturas elevadas, por el que las piezas prensadas disminuyen su volumen y se homogeneizan. En las ferritas, aprox. 1200 C a 12S0 C y en las tierras raras, aprox. 1050 C a 1200 C.

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Curva de histéresis

• Hc Campo coercitivo

• Br magnetismo remanente

• Produce perdidas por

histéresis

Cuando sometemos un material ferromagnético a un campo magnetizante vamos obteniendo una inducción magnética proporcional al campo y cada vez mayor, hasta que llegados a un punto la inducción magnética sube cada vez mas lentamente y finalmente casi no sube mas, en ese momento decimos que el material magnético ha llegado a la saturación. Si a partir de ese punto bajamos el campo magnetizante y vemos que la inducción magnética para el mismo valor de campo ya no coincide con el valor que obtuvimos en la subida .Cuando el campo magnético se hace cero, el material todavía conserva un magnetismo remante, este el campo magnético que genera un imán. Si ahora aplicamos un campo magnetizante en sentido contrario al anterior vemos que la inducción magnética empieza a bajar hasta que se hace cero, en ese momento hemos desimanado el imán. Esta curva es simétrica en los otros dos cuadrantes.No hay que hacer trabajar a los materiales magnéticos en saturación, en el caso de un transformador una vez que se satura ya no es capaz de seguir transfiriendo potencia y en el caso de un motor ya no suministra mas par.Al someter un material magnético a este ciclo que hemos visto, se producen perdidas debidas a la energía necesaria para mover los dominios magnéticos, esta energía se transforma en calor y recibe el nombre de perdidas por histéresis y son proporcionales a la anchura del ciclo de histéresis. Son perdidas en forma de calor en los núcleos de los motores y transformadores.

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Materiales duros y blandos

•Materiales magnéticos blandos.

•Pocas perdidas por histéresis

•Los mas empleados como núcleos para bobinados

•Materiales ferromagnéticos duros.

•Mucho magnetismo remanente

•Mucho campo coercitivo

En función del área encerrada de la curva de histéresis, los materiales se pueden clasificar en:

Materiales blandos: son los que se utilizan para la fabricación de los núcleos de los transformadores y motores tiene unas curvas de histéresis muy estrechas y unos valores de saturación elevados, tienen pocas perdidas por histéresis y unas permeabilidades medias 1000-5000 dentro de estos materiales encontramos las ferritas y los distintos tipos de hierro y aleaciones de hierro con otros metales. También están en este grupo las ferritas que se utilizan para altas frecuencias.

Materiales duros: estos materiales tienen curvas de histéresis muy grandes y abiertas, por tanto tienen una remanencia y campo coercitivo muy elevado, lo cual les hace muy adecuados para la fabricación de imanes, además interesa que la pendiente de la curva en el punto de remanencia sea lo mas plana posible, lo cual hace que el imán no pierda propiedades con facilidad.

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imanes de ferrita

•Muy utilizados hace algunos años

•Fabricación de altavoces, pequeños motores.

•Están siendo sustituidos por los de neodimio

El imán de Ferrita de Bario y Estroncio son componentes económicos y de calidad que se pueden encontrar en aplicaciones tan diversa como automatización, control, medición, etc. El imán de ferrita pueden ser isótropos o anisótropos. Para calidades anisotropitas se aplica, durante el proceso de prensado, un campo magnético. Este proceso produce un alineamiento de las partículas en una sola dirección, con lo que se obtienen mejores características magnéticas. A través de la sinterización (tratamiento térmico a altas temperaturas), se obtienen las piezas con su forma y solidez definitivas. Se obtienen sobre todo por sinterización. Son los más utilizados por su relación calidad/precio. Existen muchas calidades diferentes. Seleccionaremos la calidad según la aplicación. Presentan una buena resistencia a la desimanación.

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imanes de álnico

• Amplio margen de temperatura• Gran calidad• Muy caros• Menos campo que lo de tierras raras

El imán de ÁLNICO está compuesto por Aluminio, Níquel y Cobalto. Este tipo de imán posee una inducción remanente muy elevada, pero una coercitividad muy baja. Asimismo, presenta una gran estabilidad a temperaturas extremas, manteniendo sus características magnéticas entre –250º C y 425º C. El imán de ÁLNICO tiene una elevada inducción magnética. Este tipo de imán se utilizan principalmente en aparatos de medición y sistemas de detección por campos magnéticos (pesaje analítico, frenos, …). Esta calidad de imán es la que presenta un mejor comportamiento frente al aumento de temperatura.

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imanes de tierras raras

Alta coercitividad

Elevada remanencia

Temperatura de Curie baja

Problemas de oxidación

Neodimio y Cobalto-Samario

Los imanes de Neodimio y Samario representan la última generación de los materiales magnéticos. Dichos imanes poseen propiedades muy superiores a las tradicionales. Su alta coercitividad y su elevada remanencia nos permiten nuevos diseños. La utilización de estos imanes está condicionada, sobre todo, por el factor temperatura: disponemos de una amplia gama que abarca desde los 80º C hasta los 180º C en la calidad Neodimio (Nd) y de los 200º C hasta los 350º C en la calidad Samario (Sm). Cabe destacar la importancia del factor corrosión, sobre todo en los materiales de calidad Neodimio. Para evitar problemas de oxidación, la solución que aplicamos es cubrir los imanes. Los imanes de Samario no presentan ningún problema de oxidación.Estos imanes están sustituyendo a los imanes de ferrita en la fabricación de altavoces y motores. Las aleaciones de Neodimio fueron descubiertas en 1984, son imanes baratos de producir y son los de mayor campo, esto ha dado lugar toda una serie de aplicaciones como motores de poco tamaño y gran par , conos para altavoces muy compactos, bombas para implantes y válvulas, motores paso a paso para relojes imanes para hornos microondas y generadores de electricidad como las linternas que se cargan con el movimiento.

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Introducción

• Las corrientes producen campos magnéticos, ley de

Ampere

• Fuerza de Lorentz los imanes producen fuerza sobre

los conductores por los que circula corriente

La ley de Ampere establece la relación existente entre la electricidad y el magnetismo. Un campo magnético produce una fuerza sobre un conductor por el que circula una corriente.

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Campo magnético producido por una corriente.Ley de Ampere

• Las corriente eléctricas generan campos magnéticos a su alrededor.

• Para determinar su sentido se usa la regla de la mano derecha

Los primeros experimentos en los cuales se puso de manifiesto que la corriente eléctrica produce un campo magnético los realizo Oersted en 1819. En estos experimentos descubrió que si colocamos una brújula cerca de un conductor por el cual circula una corriente eléctrica, la aguja de la brújula se desvía en una dirección y si invertimos la corriente la aguja se desvía en dirección contraria. La conclusión que sacó de sus experimentos es que las corrientes eléctricas producen campos magnéticos a su alrededor. Para determinar el sentido del campo magnético producido por un conductor por el que circula una corriente , ponemos la mano derecha como ilustra la figura con el pulgar apuntando en la dirección de la corriente y la dirección del resto de los dedos nos indican la dirección del campo magnético. Si la corriente atraviesa una espira o espiras circulares entonces ponemos los dedos en la dirección de la espiras y es el dedo pulgar el que nos indica la dirección del campo magnetico.

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Fuerza entre una corriente y un imán

• Los campos magnéticos producen fuerzas sobre las corriente

• El campo y la corriente tiene que ser perpendiculares

• La fuerza es perpendicular al campo y la corriente

La siguiente experiencia nos muestra que si ponemos un conductor por el cual circula corriente en un lugar donde exista un campo magnético aparece una fuerza que empuja al conductor en dirección perpendicular al campo y a la corriente, es la fuerza de Lorentz. Esta interacción entre la corriente eléctrica y al campo magnético la base del funcionamiento de gran mayoría de la maquinas eléctricas y es el principio mas utilizado para producir movimiento a partir de la electricidad.

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Galvanómetro

• Mide la intensidad de una corriente eléctrica

El galvanómetro es un aparato de medida que sirve para medir corrientes eléctricas, se basan directamente en la fuerza de Lorentz tenemos una serie de espiras introducidas en el interior de un campo magnético, el cual es constante en la zona en la que la espira se mueve.La parte delante y trasera de la bobina está paralela al campo por lo cual no sufre ninguna fuerza. Los lado de la bobina que están perpendiculares al campo que que producen fuerzas, en el lado derecho , como la corriente va hay afuera, se produce una fuerza hacia arriba, y en el lado contrario como la corriente va hacia dentro, se produce una fuerza hacia abajo. Como resultado de estas dos interacciones, tenemos un par de fuerzas, que hace que la boina gire en el sentido de las agujas del reloj

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• Un haz de electrones es desviado por un campo magnético

Como ya sabemos una corriente eléctrica son cargas en movimiento, y no necesariamente tienen que esta en el interior de un conductor. Puede ser por ejemplo un haz de electrones que están saliendo de un metal emisor incandescente. La fuerza de Lorentz es una fuerza que se produce sobre una carga en movimiento dentro de un campo magnético, si esa carga esta dentro de un conductor el conductor también se mueve, pero no es necesario que exista un conductor . Por ejemplo en un tubo de vacío en el cual exista cargas en movimiento, estas cargas pueden ser desplazadas por medio de un campo magnético. Un ejemplo de esto son los tubos de televisión , en el cual, el haz de electrones, va recorriendo la pantalla. A lo largo del tubo hay colocadas unas bobinas que producen un campo magnético que es el que desplaza el haz de electrones, estas bobinas reciben el nombre de bobinas de deflexión.

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Fuerza entre corrientes

• Las corrientes crean campos magnéticos• Los campos magnéticos ejercen fuerza sobre las

corrientes• Dos corrientes ejercen fuerzas entre si

Si unimos los dos principios que hemos expuesto anteriormente: - Las corriente eléctricas producen campos magnéticos.- Los campos magnéticos interactúan con las corrientes

eléctricasLlegamos a la conclusión de que las corrientes eléctricas producen fuerzas entre si. De manera que podemos ser capaces de producir movimiento, solo con la electricidad sin necesidad de imanes.

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Campos magnéticos dependientes del tiempo

• Ley de Faraday

• Ley de lenz

• Corrientes de Foucault

Hasta ahora todos los principios expuestos, se refieren a campos o corrientes estáticas, es decir, no varían con el tiempo, son corrientes continuas y los imanes no se mueven ni cambian de posición. Cuando el campo magnético varia, bien porque aumenta o disminuye su valor, o bien cuando cambia su dirección aparece un nuevo efecto que es la inducción electromagnética. La inducción electromagnética se manifiesta en dos fenómenos complementarios que son:

-La ley de Faraday-La ley de Lenz

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Ley de Faraday

• Los campo magnéticos variables, inducen tensiones en los conductores.

• Cuanto mayor es la velocidad de variación mayor es la tensión inducida.

La ley da Faraday nos dice que si cambia el flujo del campo magnético que atraviesa un conductor se produce una tensión en los extremos de este. Esto lo podemos apreciar tal como lo vemos en la imagen si a una bobina le acercamos un imán, se producirá una tensión. Si el campo magnético lo producimos con otra bobina lo que sucede es que la primera bobina, produce un campo magnético, si variamos la corriente que circula por la primera bobina también variamos el campo magnético que esta produce y por tanto en la segunda bobina se induceuna tensión que podemos medir con el voltímetro. Como solo se induce tensión si hay cambio en el campo magnético, si a la primera bobina la excitamos con un generador de CC, solo habrá cambios en la tensión inducida cuando activamos y desactivamos la tensión. La tensión inducida será mayor cuanto mayor es la velocidad con la que varia el campo.

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Ley de Lenz

• La variación del campo magnético en un circuito cerrado, produce una corriente que tiene a anular el cambio.

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Inducción magnética

• Corriente de Foucault• Laminado de núcleos

Las corrientes de Foucault (eddy current) son corrientes que se producen en el interior de un material que sea conductor, cuando este es sometido a un campo magnético variable. La corrientes circulan por el interior del conductor produciendo un calentamiento de este. Esta corrientes son perdidas de rendimiento en la maquinas eléctricas y por tanto se hacen diseños para que estas corriente no existan o queden minimizadas. Lassoluciones mas normales pasan por utilizar núcleos magnéticos con forma de chapas apiladas que tienen oxidada una de sus caras de manera que no circule corriente en el sentido del apilado. Otra solución es utilizar materiales que manteniendo su permeabilidad sean malos conductores. En alta frecuencia las perdidas son mucho mayores y se recurre a las ferritas que son aglomerados de partículas que son malos conductores de la electricidad y tienen una elevada permeabilidad.No siempre se intenta reducir las corrientes de Foucault, hay casos en los cuales tiene utilidad, en el caso de algunos motores de inducción se diseñan específicamente para que hay corrientes de inducción. También son utilizadas para producir calor en los sistemas de calentamiento por inducción. Otro campo de utilización es los sistemas de frenado por inducción (frenos eléctricos) .

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Aplicaciones

• Cañón electromagnético • Manglev

Algunas otras aplicaciones de las corriente de inducción, son los frenos eléctricos de camiones y que actualmente se están introduciendo en los sistemas ABS. El cañón electromagnético, con el cual se consiguen una velocidades muy elevadas, suficientes para poner proyectiles en orbita. O los trenes de suspensión electromagnética. También son utilizados para el frenado de atracciones de feria.

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Tubo Lento

• Cuando el imán cae produce corrientes de inducción.

• Una por encima de produce un campo magnético que tira del imán hacia arriba.

• Y otra por debajo que empuja hacia arriba el imán.

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MOTORES

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Tipos de motores

• Motor de continua– Universal– Paso a paso– DC Brushless

• Motores de alterna– Síncronos– Asíncronos:de inducción

La primera gran clasificación de los motores es entre motores de alterna y motores de continua. En instrumentación el motor mas utilizado es el motor de continua porque el control para estos motores es mas simple y preciso que en el caso de los motores de alterna. La potencia típica que podemos manejar con motores de continua ronda en el mejor de loscasos en torno a 300W. En el caso de los motores de alterna el rango de potencias es mucho mayor pudiendo llegar en el caso de los motores síncronos a los megavatios.Otra gran diferencia entre los motores de continua y de alterna es el mantenimiento en el caso de los motores de alterna, al no tener escobillas y funcionar en la mayoría de los caso a velocidad constante tienen un mantenimiento muy bajo y además son mas baratos de construir.Para hacer controles de posición se utilizan casi siempre motores de continua, porque aunque es posible hacer control de posición con motores de alterna la circuitería necesaria es bastante complicada.

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Partes de un motor

• Rotor parte móvil

• Estator parte fija

Un motor independientemente del tipo que sea, siempre tiene un rotor y un estator. El rotor es la parte que gira, es la parte que se mueve. El estator es la parte que permanece fija.Como ya hemos comentado el movimiento en un motor se produce por la interacción entre dos campos magnéticos, estos campos magnéticos, pueden proceder de distintas fuentes.Uno de los campos puede estar producido por imanes fijos y el otro por una bobina por la cual circula una corriente, como en el caso del motor de continua.En otros casos los dos campos magnéticos están producidos por bobinas, como en el caso de la mayoría de los motores de alterna.En cuanto a la función del rotor y el estator, también pueden ir en cualquier configuración, hay motores en los cual el rotor es un imán, como el los motores brushless, en otros casos es imán es el que hace de estator como en el caso de los motores de continua.

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Partes de un motor 2

• Inductor produce el campo– Es la parte a la cual se le aplica tensión– Genera el campo magnético

• Inducido recibe el campo– Interactúa con el campo magnético

Un motor funciona por la interacción entre dos campos magnéticos. Por un lado tenemos una corriente circulando por un conductor que produce una corriente eléctrica, la cual a su vez produce un campo magnético (campo magnético inductor), el cual por inducción produce una fuerza electromotriz en el inducido.

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Definiciones

• Velocidad en vacío• Corriente nominal• Corriente de arranque• Par nominal• Par de arranque (still torque)• Potencia• Curva par potencia

Los parámetros que normalmente podemos encontrar en las hojas de características de un motor son:Velocidad en vacío: es la velocidad que alcanza el motor sin carga cuando le aplicamos la tensión nominal.Par nominal: es el para que puede suministrar de modo constantePar de arranque el par máximo que puede suministrar el motor en el arranque Corriente de arranque: es la corriente que consume el motor durante el arranque puede ser unas 10 veces la nominal.Corriente nominal: corriente máxima en modo continuo

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Característica de un motor de continua

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Curva par velocidad

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Motores de continua

• Imán permanente• Estator bobinado

– Conexión independiente– Conexión serie– Conexión compound

El mas utilizado en instrumentos electrónicos es el motor de imanes permanentes , los otros dos se utilizan en potencias mayores o cuando necesitaos más par, actualmente con la aparición de los imanes de neodimio se ha aumentado considerablemente el rango de aplicación de los motores de imán permanente.En los motores de estator bobinado, el campo magnético estático es producido por unos bobinados en lugar de por un imán, por tanto estos bobinados deben de ser excitados para el funcionamiento del motor, según como conectemos los bobinado tenemos distintas configuraciones, las mas utilizada en la conexión en serie porque permite que el motor funcione en alterna.

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Motor de continua

• Estator formado por imanes permanentes• El rotor es un bobinado• Colector de delgas y escobillas

Es el motor mas utilizado en pequeñas aplicaciones, es fácil de fabricar, barato, oferta un alto par en poco tamaño.Inconvenientes, la vida útil en condiciones duras de trabajo es bastante corta, debido a las escobillas.El estator esta formado por unos imanes permanentes que van fijos sobre la carcasa, el rotor esta formado por una serie de bobinados que son a los que se le aplica corriente.EL funcionamiento se basa en la fuerza de Lorentz

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Colector de delgas y escobillas

• Cambian la bobina a la cual se le aplica excitación• El colector gira junto con el rotor• La escobillas permanecen fijas

Como hemos visto un motor de continua necesita para su correcto funcionamiento que el campo aplicado a las bobinas vaya siendo cambiado cada vez que el campo de la bobina se alinea con el del imán y deja de producirse par, el mecanismo que hace que la corriente en las bobinas se conmute, recibe el nombre de colector de delgas y escobillas. El colector de delgas girará junto con el rotor, mientras las escobillas permanecen fijas y rozan sobre el colector, el colector de delgas esta partido en varias laminas cada una de las cuales se le conecta una bobina de rotor , al ir girando junto con este, va cambiando la bobina a la cual se le aplica la excitación.

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Mantenimiento

• Cambio de escobillas• Torneado del colector de delgas• Bobinado

La avería más frecuente en los motores de corriente continua es el deterioro de las escobillas, cuando un motor tiene las escobillas deterioradas, presenta dificultades en el arranque, aunque una vez que ha conseguido arrancar se mantiene en funcionamiento. Cuando las escobillas están muy gastadas el motor se para de manera intermitente, ha llegado el momento de cambiar las escobillas.Otra avería frecuente es el desgaste del colector de delgas, en este caso el motor produce muchas chispas durante su funcionamiento, desgasta las escobillas muy rápidamente y se calienta, la solución pasar por tornear el colector de delgas para que vuelvan a estar todas a la mima altura.Otra avería es la interrupción de las bobinas, frecuentemente cerca del colector esto tiene difícil reparación.

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Motor Universal

• Puede funcionar en CA ó CC• Poca potencia• Uso intermitente• Es el mas utilizado en pequeños electrodomésticos• Se pueden controlar con un tiristor y control de fase.

Es motor de alterna mas ampliamente utilizado en motores para pequeños electrodomésticos, batidoras, taladradoras, seca pelos, molinillos etc. Giran a gran velocidad y tiene un para de arranque muy elevado. Este motor es un motor de continua en el cual el estator también esta bobinado y puesto en serie con el bobinado del rotor, esto le permite poder funcionar también el alterna. Al ser un motor de continua, su velocidad de giro depende de la tensión que le apliquemos, esto hace que controlar su velocidad de giro sea muy simple, basta con controlar la tensión que se la aplica al motor, esto puede hacerse fácilmente con vaciadores del Angulo de fase. Frente a otros motores de alterna que tienen bajos regimenes de revoluciones, en el motor universal se pueden conseguir grandes velocidades.

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Motor brushless de continua

• No tiene colector de delgas ni escobillas• La conmutacion se ha electrónicamente• Llevan unos sensores de campo magnético• Mayor par• Mayor velocidad de giro

Puede suministrar un par muy elevado a poca velocidad, al carecer de colector de delgas y escobillas las duración de motor es mucho mayor sobre todo en condiciones de trabajo duras.Anualmente se están utilizado mucho, gracias al abaratamiento de la electrónica y los sensores que son necesarios para su funcionamiento, yal gran auge de los imanes de tierras raras. Se usan mucho en ventiladores de PC, motores de discos duros y lectores de CD y DVD, en estos la electrónica va integrada en el ventilador, por lo que externamente presentan el mismo aspecto que los motores de continua.Tienen un amplio margen de velocidad de funcionamiento pueden trabajar a bajas revoluciones sin problemas.Pueden alcanzar velocidades de rotación muy elevadas gracias a la conmutación electrónica.

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Motor brushless de continua 2

• Normal: rotor interno• Outrunner: rotor externo

La construcción mecánica de un motor brushless es distinta de los motores de continua, en estos motores, el rotor es el imán permanente y el estator esta formado por las boinas que producen la excitación, lógicamente , no tiene ni colector de delgas, ni escobillas y la función que antes realizaban estos elementos es sustituido por un circuito electrónico , mas unos sensores de campo magnético (Hall) para conocer la posición del imán permanente y aplicar la excitación a la bobina apropiada. Externamente esos motores presentes 3 hilos gordos, que corresponde a las tres boinas de excitación, y luego 5 hilos mas para los sensores de campo, 2 para alimentación y uno mas para cada sensor lo cual hace un total de 8 cables outrunner.Tambien se puede hacer el control del motor sin utilizar los sensores hall, en este caso el momento en el cual hay que aplicar la tension a las bobinas, se decide mirando la tension inducida en el bobinado que no esta excitado.

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Características de un motor brushless

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Motor paso a paso

• Andan un paso por pulso.• Suministra par estando

parados.• Pueden quedar

enclavados en una posición.

Los motores paso a paso son ideales para la construcción de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos.La característica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique. Este paso puede variar desde 90°, hasta pequeños movimientos de tan solo 1.8°, es decir, que se necesitarán 4 pasos en el primer caso (90°) y 200 para el segundo caso (1.8°), para completar un giro completo de 360°.Estos motores poseen la habilidad de poder quedar enclavados en una posición o bien totalmente libres. Si una o más de sus bobinas estáenergizada, el motor estará enclavado en la posición correspondiente y por el contrario quedará completamente libre si no circula corriente por ninguna de sus bobinas.Son muy utilizados en impresoras y sistemas de posicionamientos, puesto que con ellos se pueden hacer sistemas de control de posición baratos y fiables.Una aplicación típica son los relojes, donde un oscilador con cristal de cuarzo suministra los pulsos al motor paso a paso que mueve las manecillas.

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Ejemplo de motores paso a paso

• Los pasos mas normales en estos motores son 1,8º y 7,5º• Que corresponde a 200ppr ó 48ppr

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Tipos de motores paso a paso

• Bipolar • Unipolar

El motor paso a paso bipolar, es de construcción mas simple, externamente presenta cuatro hilos, para hacer funcionar el motor necesitamos un driver que sea capaz de invertir la polaridad en los bobinados.En el motor unipolar, no es necesario que el driver invierta la tensión en las bobinas y por tanto la electrónica para hacer el control es mas sencilla. La toma central de los bobinados se conecta al positivo de la alimentación, y el driver se encarga de ir poniendo a negativo cada uno de los extremos finales de los bobinados en la secuencia correcta para hacer funcionar el motor. Podemos saber de que tipo es un motor paso a paso, contando el numero de cable que saben de el si tiene cuatro es bipolar y si tiene cinco o seis es unipolar.Con un controlador para motores unipolares, solo podemos manejarmotores unipolares, con un driver bipolar podemos manejar los dos motores.

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Control por tensión y corriente

• Excitación con tensión– La tensión es constante– Menos velocidad– Mas fácil de construir

• Excitación con corriente– La corriente es constante– Mayor velocidad– Control mas complejo– Sirve para todos los motores

El modo de control mas normal es el modo de control por corriente, es decir la tensión que le aplicamos al motor es constante, debido a la inductancia que presenta los bobinados del motor, no se puede hacer que la corriente suba rápidamente, y por tanto la velocidad que se alcanza poca. Para solucionar este problema, podemos excitar al motor con corriente, en este tipo de control, es la corriente la que mantenemos constante, y por tanto podemos hacer girar al motor a mayor velocidad. Hay motores que se diseñan expresamente para ser controlados por corriente, en este tipo de motores la inductancia del bobinado y su resistencia, son muy bajos lo que facilita el control en modo corriente.

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Secuencias de fases

Secuencia normalSecuencia Wave

Solo se excita una

fase

Se excitan dos fases .

Hay dos modos de excitar un motor paso a paso:Modo normal: En este modo de funcionamiento se excitan

dos bobinas simultáneamente, produciendo campo ambas, por tanto el campo magnético resultante es máximo entre las dos bobinas. Al usar las dos boninas en par resultante que produce el motor es mayor que cuando se excita una sola es el modo que se usa mas frecuentemente.

Modo drive ó wave: en este modo de funcionamiento, solo se excita una bobina cada vez, por tanto el estator se alinea con la bobina que tiene excitación en ese momento, en este modo de funcionamiento el para resultante es menor, porque solo se excita una bobina.

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Medio paso

• Medio paso

Es una mezcla de las dos anteriores, puesto que en el modo normal el rotor se sitúa entre dos polos y en el modo drive el rotor se sitúa frente al polo, podemos hacer una secuencia de fases, que sea las dos anteriores intercaladas.

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Identificación de fases

Seleccionar un cable y conectarlo a masa. Ese serállamado cable A.

Manteniendo el cable A conectado a masa, probarcuál de los tres cables restantes provoca un paso en sentido antihorario al ser conectado también a masa. Ese será el cable B.

Manteniendo el cable A conectado a masa, probarcuál de los dos cables restantes provoca un paso en sentido horario al ser conectado a masa. Ese será el cable D.

El último cable debería ser el cable C. Para comprobarlo, basta con conectarlo a masa, lo que no debería generar movimiento alguno debido a que esla bobina opuesta a la A.

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Modo real

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Micropaso

• El motor es el mismo.• Podemos conseguir fraccionar cada paso en pasos

menores.• Necesita un driver especial• Proporciona menos par• La precisión de cada micropaso no es elevada

Como hemos visto, en el modo normal, siempre hay excitación en bobinas, la tensión que se le aplica es la misma en cada una de ellas y por tanto el rotor esta entre medias de las dos boinas. En el modo Wave solamente excitamos una bobina el rotor queda alineado con esta. ¿Pero que ocurre si excitamos las bobinas simultáneamente con tensiones diferente?. En este caso el rotor irá a una posición intermedia entre las dos bobinas y que será proporcional a la tensión aplicada a cada una. Por tanto regulado la tensión que aplicamos a cada una de ellas conseguimos posicionar el rotor en la posición que queramos. Para poder hacer esto, necesitamos un sistema de excitación que nos permita variar la tensión con la que excitamos.El driver mas normal para esto, se realiza generando las tensiones digitalmente, por tanto los paso que se generan son múltiplos de 2 , pudiendo así dividir cada paso del motor en 4, 8 ,16 ,32 o mas paso intermedios. Así si tenemos por ejemplo un motor de 1,8º de paso y le excitamos con un driver micropaso de 64 paso obtendremos un micropaso de tan solo 0,028º ó 12800 pasos por revolución.

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Motores de alterna

• Trifásicos

– Síncronos: velocidad constante

– Asíncronos: inducción, jaula ardilla

• Monofásicos

– Universales

– Asíncronos monofásico

– Síncrono monofásico necesita condensador de puesta

en fase para girar poca potencia 7W max programador

lavadora relojes etc.;

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Motores trifásicos

• Tres bobinados• Distribuidos a 120º• Campo magnético giratorio

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Motores síncronos

• Giran a velocidad constante, dependiente de la frecuencia• El arranque es complicado porque no dan par

Los motores síncronos son un tipo de motor eléctrico de corriente alterna. Su velocidad de giro es constante y viene determinada por la frecuenciade la tensión de la red a la que esté conectado y por el número de pares de polos del motor, siendo conocida esa velocidad como "velocidad de sincronismo". Tiene un par de arranque muy bajo, por lo que hay que arrancarlos en vacío, se utilizan fundamentalmente en la industria, por ser un motor muy robusto. Pueden suministrar potencias muy altas, aunque el arranque hasta que alcanza la velocidad de sincronismo es muy delicado.En control de la velocidad en este tipo de motores es complicado, para cambiar su velocidad de giro, es necesario cambiar la frecuencia de la tensión alterna con la que se los alimenta. Para hacer esto se utilizan equipos inversores, los cuales rectifican las alterna de la red para obtener una continua y luego a partir de esta volver a generar una senoide de la frecuencia necesaria.Se utilizan mucho en aplicaciones de muy baja potencia, donde serequiera una velocidad de giro constante sin necesidad de electrónica, como por ejemplo en los programadores y en los relojes, antiguos platos de giradiscos en estos motores.

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Motores asíncronos ó motor de inducción

•Motor de jaula de ardilla ó motor de inducción

•Sin carga giran síncronos con la red

•Con carga gira a una velocidad un poco menor que la de sincronismo

Son los motores de alterna mas ampliamente utilizados para potencias medias. Son baratos de fabricar y muy robustos. Su característica mas destacable es el rotor que esta compuesto como en todos los motores de un núcleo magnético de acero laminado y tiene la particularidad de que este núcleo esta atravesado por una barras de material conductor (cobreo aluminio) cortocircuitadas en sus extremos. Cuando el motor gira a la velocidad de sincronismo el campo magnético que genera el estator gira a la misma velocidad que el rotor y por tanto las barras conductoras están estacionarias con respecto al campo. En este punto solo hay inductor, puesto que el inducido no existe. Si la velocidad del rotor cae ligeramente, las varillas conductoras dejan de estar estacionarias con respecto al campo y por tanto cortan líneas de campo produciendo unas corrientes de inducción que al circular por las varillas generan un campo magnético, que hace que el campo magnético giratorio que arrastra el rotor.La velocidad de giro de estos motores depende de la carga, como máximo será la de sincronismo y disminuirá según aumenta la carga.

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Asíncrono monofásico

• El mas utilizado en electrodomésticos grandes (lavadoras, neveras);

• Necesita un bobinado auxiliar y un condensador para el arranque.

• 4 a 120 uF depende de la potencia del motor

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Arranque de motores monofásicos de inducción

• Fase partida arranque por resistencia• Condensador de arranque• Condensador de marcha• Condensador de arranque marcha• Polos sombreados

Los motores monofásicos de inducción presentan el problema de que al no haber nada mas que un solo campo cambiante el motor no puede arrancar por si mismo. Para solucionar este problema existen varios enfoques:Fase partida: se añade un bobina auxiliar me menor inductancia y en serie con el una resistencia, gracias al desfase que se produce de esta forma, el motor comienza a girar, hay un contacto centrifugo auxiliar que desconecta la resistencia cuando el motor ya ha alcanzado velocidad. Produce mucho ruido en el arranque.Condensador de arranque: parecido al anterior, pero lleva un condensador en lugar de una resistencia, condensador junto con el bobinado producen un desfase de unos 25º en la corriente del bobinado auxiliar que es el que hace que arranque el motor, llevan un contacto centrifugo para desconectar el bobinado una vez que el motor arranca. Produce un gran par de arranque, unas 4 veces el nominal.Condensador de marcha: lleva dos bobinados iguales y en serie con uno de ellos lleva conectado en serie un condensador, no lleva desconexión centrifuga, el condensador esta siempre enchufado, con este sistema se facilita el control de velocidad por variación de tensión. El par de arranque es bajo 0,5 el nominal. Le da un funcionamiento suave y silencioso.Condensador de arranque marcha Es una mezcla de los dos anteriores lleva un condensador de gran capacidad durante el arranque 10 ó 15 veces el de marcha, que se desconecta con un interruptor centrifugo cuando alcanza velocidad, quedando entonces con el condensador de marcha. Aúna la ventaja de los dos sistemas, gran par de arranque y funcionamiento suave y silencioso.Polos sombreados: solo se utiliza en motores pequeños 100W o menos no necesita circuitería auxiliar para el arranque. Se fabrican con una asimetría en el núcleo que hace que exista un campo rotatorio que produce el arranque.

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Conexión en estrella

• Se aplica a la bobina la tensión fase neutro 240V

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Conexión en triangulo

• Se aplica a la bobina la tensión entre fases 380V

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Conmutación estrella triangulo

• El motor consume unas 6 veces su corriente nominal en el arranque

• Sirve para hacer el arranque del motor suavemente

• Primero se arranca en estrella• Después de unos segundos

conmuta a triangulo

Cuando un motor se arranca directamente, la intensidad en ese momento es de 5 a 7 veces mayor que a plena carga. Por esta razón cuando los motores tienen potencias grandes, es necesario buscar algún método para reducir esa corriente de pico. El arranque Estrella - Triangulo es el método mas utilizado en los motores de media y baja potencia.Con este método el aumento de intensidad en el arranque será solo de 2 a 4 veces la intensidad nominal, o sea 3 veces menos que con un arranque directo.Un requisito es que el motor este bobinado para funcionar con los devanados de su estator conectados en Estrella ( delta ), y con todas las puntas de ellos instaladas en el exterior, el usuario hace las conexiones que determinan como va a funcionar el motor .Para que a un motor se le pueda hacer el arranque estrella - triangulo la tensión de red y la de triangulo del motor deben ser iguales.Ejemplo: si tenemos una red de 220 y la placa del motor nos dice 220/380 V el motor es compatible para la conexión estrella - triangulo ya que para triangulo debe alimentarse con 220 Volts y esa es la tensión de red. Nota: El arranque en Estrella también se hará en 220 V o sea ( 1.73 ) veces menor que la tensión requerida ( 380/ ).

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Protección térmica de bobinados

• Se conecta en serie• Desconecta si se sobrepasa la temperatura• Normalmente hay que sustituirlos.

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Regulación de velocidad

• Síncronos solo variando la frecuencia.• Asíncronos

– Variando la frecuencia– Variando la tensión (muy bajo rendimiento)– Bobinados auxiliares

• Universales y DC variando la tensión

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Curva par velocidad en función de la tensión de un motor de inducción

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Otros actuadores

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Relés

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Electroválvulas

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Bobina de Helmholtz

• Dos espiras iguales separadas por una distancia igual a su radio.

• Produce un campo uniforme en su interior

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Piezos

• Pzt• Cuando se les aplica un tensión se estiran• Cuanto se estiran generan tensión

Ca

mp

o E

léctr

ico

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Piezo Tubos

• Aplicando tensiones opuestas a los electrodos, conseguimos que el tubo se curve hacia los lados

• Se consiguen movimientos en el orden de los nanómetros

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Motores inchworm

• El la combinación de varios piezos, conseguimos grandes rangos con mucha precisión.

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Otros nanoposicionadores

• En este caso conseguimos un movimiento rotatorio del triangulo, haciendo que empuje la pieza azul.

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Producción de calor

• Efecto Joule

• Inducción

• Calentamiento dieléctrico

• Células peltier

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Inducción

• Solo sirve para materiales conductores• Hacemos circulas corrientes de inducción en la

pieza a calentar• Se consigue un calor muy localizado

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Calentamiento dieléctrico

• Se produce con microondas

• Moléculas polares

• Solo materiales no

conductores

• Calor muy localizado

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Células Peltier

• Es una bomba de calor• Hay una cara que se

enfría y otra que se calienta

• Se utilizan con CC sin rizado

• Para control se deben utilizar largos tiempos

El efecto Peltier fue descubierto en 1834. Cuando una corriente pasa a través de una unión de dos diferentes tipos de conductores produce un cambio de temperatura. Sin embargo, la aplicación práctica de este concepto requiere el desarrollo de semiconductores que sean buenos conductores de la electricidad y pobres conductores del calor - el equilibrio perfecto para las características TEC (Termoeléctricas). Hoy en día se utiliza principalmente el Telurido de Bismuto como material semiconductor, dopado fuertemente para crear un exceso (tipo-n) o una deficiencia (tipo-p) de electrones

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Células Peltier II

• Enchufar siempre con el lado caliente conectado a

un radiador

• Bajo rendimiento enfriando, aproximadamente 30%

• Es una forma sencilla de conseguir frío sin partes

móviles

• Si las usamos para calentar el rendimiento es del

130%

motores y actuadores

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