Motores eléctricos, principio de operación

Motores eléctricos son una de las máquinas de mayor uso tanto en la industria como en el hogar, basta con mencionar los electrodomésticos que a diario utilizamos como la licuadora o el horno de microondas.

El principio de operación del motor eléctrico se le atribuye a Christian Oersted, quien comprobó que cuando hacía circular una corriente eléctrica por una espira (hecha con un conductor eléctrico) alrededor de una brújula, la aguja imantada de ésta se movía, exponiendo así la relación que había entre la electricidad y el magnetismo. Por lo tanto, si se hace pasar corriente por varias espiras y en su interior se coloca un imán es posible hacer girar un eje, de esta forma se concibe un motor eléctrico sencillo que incluso en nuestra educación primaria nos dimos a la tarea de realizar con alambre magneto, un par de clips, imanes y una batería. Debido a que el eje se mueve al interactuar los campos generados por las espiras de alambre, alimentadas por una batería y el campo del imán, se logra la transformación de energía eléctrica en energía mecánica.

¿Cómo operan?
La forma en como operan los motores eléctricos es cuando un conductor por el que circula una corriente eléctrica se encuentra dentro de un campo magnético, por ejemplo el de un imán, el conductor se desplaza perpendicularmente al campo magnético, es decir tiene un movimiento. Si el campo magnético es horizontal el conductor sube o baja, dependiendo del sentido de la corriente por el conductor. Si en lugar de un conductor tenemos una espira por la que circula corriente, un lado de la espira sube y el otro baja, ya que por un lado la corriente entra y por el otro sale, produciéndose de esta forma el giro de la espira, tal como se muestra en la figura 1.

En pocas palabras, el funcionamiento del motor eléctrico se basa en las fuerzas de atracción y repulsión establecidas entre un imán y una espira hecha de conductor eléctrico, a través del cual hacemos circular una corriente eléctrica para obtener un movimiento en un eje dispuesto.
Los motores eléctricos que se utilizan hoy en día tienen muchas espiras llamadas bobinas en el rotor (que es la parte giratoria del motor) y un imán grande llamado estator o campo, colocado en la parte fija del motor (alrededor del rotor).

Atendiendo al tipo de corriente utilizada para su alimentación, los motores se clasifican en:
• Motores de corriente continua
De excitación independiente
De excitación serie
De excitación (shunt) o derivación
De excitación compuesta (compound)

• Motores de corriente alterna
Motores síncronos
Motores asíncronos:
Monofásicos
De bobinado auxiliar
De espira en cortocircuito
Universal
Trifásicos
De rotor bobinado
De rotor en cortocircuito (jaula de ardilla)
Todos los motores de corriente continua así como los síncronos de corriente alterna, incluidos en la clasificación anterior, tienen una utilización y unas aplicaciones muy específicas.

Motores de corriente alterna asíncronos
Los motores de corriente alterna asíncronos, tanto monofásicos como trifásicos, son los que tienen una aplicación más generalizada gracias a su facilidad de utilización, poco mantenimiento y bajo coste de fabricación. Por ello, tanto en este artículo como en el siguiente nos centraremos en la constitución, el funcionamiento y la puesta en marcha de los motores asíncronos también conocidos como de inducción.
La velocidad de sincronismo de los motores eléctricos de corriente alterna viene definida por la expresión:

Se da el nombre de motor asíncrono al motor de corriente alterna cuya parte móvil gira a una velocidad distinta a la de sincronismo.
Aunque a frecuencia nominal la velocidad es fija para un determinado motor, hoy en día se recurre a variadores de frecuencia para regular la velocidad de estos motores, de ello hablaremos posteriormente.

COMPONENTES
Los motores en la actualidad son de construcción distinta a lo que se mencionó al inicio, sin embargo el principio de operación es básicamente el mismo. Es decir, un motor eléctrico está constituido por un circuito magnético y dos eléctricos, uno colocado en la parte fija conocida como estator (o campo) y otro en la parte móvil (o rotor). El circuito magnético está formado por chapas apiladas en forma de cilindro en el rotor y en forma de anillo en el estator.
El cilindro se introduce en el interior del anillo y, para que pueda girar libremente, hay que dotarlo de un entrehierro constante. Va adosado al eje del motor y puede estar ranurado en su superficie para colocar el bobinado inducido (motores de rotor bobinado) o bien se le incorporan conductores de gran sección soldados a anillos del mismo material en los extremos del cilindro (motores de rotor en cortocircuito) similar a una jaula de ardilla.
El anillo se compone de ranuras en su parte interior para colocar el bobinado inductor y se envuelve exteriormente por una pieza metálica con soporte llamada carcasa. El eje se apoya en unos rodamientos de acero para evitar rozamientos; y se saca al exterior para transmitir el movimiento, y lleva acoplado un ventilador para refrigeración. Los extremos de los bobinados se sacan al exterior y se conectan a la placa de bornes.
El motor puede operar de forma invertida, es decir cuando se mueve el eje y obtenemos una diferencia de potencial o tensión eléctrica en sus terminales, en este caso se le conoce como generador eléctrico.
El campo magnético creado por un bobinado trifásico alimentado por corriente alterna es de valor constante pero giratorio y a la velocidad de sincronismo. Este fenómeno se puede compr bar con el estudio de las posiciones que va ocupando la resultante del flujo, atendiendo a los sentidos de corriente que van tomando los conductores en el bobinado.
Esto lo podemos apreciar mejor en la siguiente imagen:

En el instante 0, la fase A tiene valor cero, la fase B tiene valor negativo, por lo que la corriente circula desde B2 hasta B1, y la fase C tiene valor positivo, entonces la corriente circula desde C1 hasta C2. En el bobinado se crea una bobina ficticia y en este instante la resultante del flujo se sitúa entre las ranuras 7 y 8.

El signo positivo representa que la corriente entra en el plano y el signo negativo que sale del plano.
El ciclo de la corriente se divide en seis partes iguales pasando ahora al instante 1, donde vemos que la fase A tiene valor positivo, la fase B sigue teniendo valor negativo y la fase C tiene valor positivo.
En este instante la resultante del flujo se sitúa entre las ranuras 9 y 10, con lo que ha avanzado un sexto de la circunferencia en el tiempo que ha transcurrido desde el instante 0 al 1.
Si vamos aplicándolo sucesivamente a los demás instantes, podemos ver que de uno a otro siempre avanza un sexto de vuelta igual que el tiempo que transcurre de un instante a otro el periodo de la corriente, lo que nos indica que el flujo es giratorio y su velocidad coincide con la velocidad del sistema de corriente alterna. El funcionamiento del motor asíncrono o de inducción se basa en la acción del flujo giratorio generado en el circuito del estator sobre las corrientes inducidas por dicho flujo en el circuito del rotor. El flujo giratorio creado por el bobinado del estator corta los conductores del rotor, por lo que se generan fuerzas electromotrices inducidas.
Suponiendo cerrado el bobinado del rotor, es de entender que sus conductores serán recorridos por corrientes eléctricas. La acción mutua del flujo giratorio y las corrientes existentes en los conductores del rotor originan fuerzas electrodinámicas sobre los propios conductores que arrastran al rotor haciéndolo girar.
La velocidad de rotación del rotor en los motores asíncronos de inducción es siempre inferior a la velocidad de sincronismo, es decir la velocidad del flujo giratorio. Para que se genere una fuerza electromotriz en los conductores del rotor debe existir un movimiento relativo entre los conductores y el flujo giratorio. A la diferencia entre la velocidad del flujo giratorio y del rotor se le llama deslizamiento.
La velocidad de estos motores, según el principio de funcionamiento y la frecuencia, tiene que ser una velocidad fija, algo menor que la de sincronismo.
Gracias a los avances en la electrónica de potencia, actualmente se fabrican arrancadores estáticos que pueden regular la velocidad de estos motores actuando sobre la frecuencia de la alimentación del motor, es decir, convierten la frecuencia de la red en una distinta que se aplica al motor. De ahí que reciban el nombre de convertidores de frecuencia, pudiendo regular la velocidad, amortiguar el arranque e incluso frenarlo.