Tipos de motores eléctricos y sus características
Los motores eléctricos convierten la energía eléctrica en energía mecánica. Se basan en el principio de inducción electromagnética. Se pueden utilizar en una variedad de aplicaciones, por ejemplo, como solución de accionamiento en máquinas industriales.
Tipos de motores eléctricos
Existen diferentes tipos de motores eléctricos, cada uno de los cuales tiene diferentes funciones y propiedades. Los tipos de motores eléctricos que se utilizan hoy en día se dividen categóricamente en motores de CC y motores de CA. En el caso de los motores de corriente alterna, se distingue entre motores síncronos y de inducción.
La construcción de motores eléctricos suele ser la siguiente:
- Estator: El estator es un imán eléctrico o permanente que está conectado permanentemente, por ejemplo rígidamente, a la carcasa del motor.
- Rotor: El rotor es un electroimán que se encuentra entre los polos del estator en el eje del motor. Según el diseño se distingue entre motores rotativos (eje de motor giratorio) y motores lineales (eje deslizante).
- Conmutador (inversor de polos): El conmutador consta de dos o más segmentos de un anillo colector, aislados entre sí, a través de los cuales se suministra corriente al rotor. Dos contactos deslizantes, que están conectados a una fuente de alimentación, la presionan desde el exterior.
- 1 - Rotor
- 2 - Escobilla
- 3 - Bobina
- 4 - Entrehierro
- 5 - Imán permanente
Se utilizan varios métodos de control de bucle abierto y/o cerrado para controlar motores eléctricos. Los métodos comunes incluyen la modulación de ancho de pulso (PWM), el control de voltaje directo o la regulación orientada al campo.
Motores de CC (motores de CC)
Los motores de CC funcionan con una dirección de corriente constante y generan par. Son útiles en aplicaciones que requieren un control preciso de velocidad y par, como las máquinas CNC. Los siguientes motores son ejemplos de motores de CC:
- Motor de CC con escobillas: El conmutador funciona con contactos que entran en contacto mediante la presión del resorte. Se llaman escobillas y están hechas, por ejemplo, de carbón. Gracias a las escobillas, la potencia se puede regular fácilmente mediante la tensión de funcionamiento aplicada.
- Motor de CC con escobillas: En lugar del conmutador mecánico, un sensor eléctrico mide el ángulo del rotor de los motores sin escobillas de CC.
- Motorreductor: Se utiliza una caja de cambios para reducir o, en casos excepcionales, también aumentar la velocidad de rotación original a un valor definido.
- Motor paso a paso: Los motores paso a paso están disponibles como motores rotativos y como motores lineales. Los motores se pueden ajustar a pequeños pasos de posicionamiento mediante un gran número de pares de polos (dientes). Suelen controlarse con codificadores de posición giratorios o lineales. Estos motores son adecuados para trabajos de posicionamiento exigentes, como la impresión 3D. Cabe señalar que la sobrecarga o el tamaño insuficiente pueden provocar errores de paso.
Ventajas y desventajas de los motores de CC
Las ventajas de los motores de CC incluyen:
- Alto par de arranque, lo que los hace adecuados para aplicaciones de servicio pesado.
- Se pueden controlar con precisión, lo que se consigue principalmente con la velocidad de rotación. Esto los hace adecuados para aplicaciones que requieren un posicionamiento preciso y un funcionamiento suave.
- Control de par muy fiable y sencillo, incluso posible a baja velocidad de rotación.
- Reversibilidad: La dirección de rotación se puede cambiar fácilmente invirtiendo la dirección actual.
- Está disponible un amplio rango de velocidades.
- Los motores de CC sin escobillas son duraderos, requieren poco mantenimiento y son más silenciosos
Las desventajas son:
- El uso de escobillas implica intervalos de inspección frecuentes, normalmente cada tres meses, lo que conlleva mayores costes de mantenimiento.
- Susceptibilidad a condiciones ambientales adversas: El diseño relativamente abierto facilita la penetración del polvo y la suciedad.
- La compra suele ser cara, especialmente en el caso de los motores de CC sin escobillas, ya que requieren un control más complejo que un simple control de escobillas.
Motores de CA
En los motores de corriente alterna, el voltaje cambia regularmente debido a cambios constantes en la dirección de la corriente. La velocidad de rotación del motor está determinada por la frecuencia de la red y el número de polos. Hay motores de CA monofásicos y trifásicos. Los motores de CA monofásicos se utilizan principalmente en máquinas y electrodomésticos más pequeños, mientras que los motores de CA trifásicos se utilizan principalmente en aplicaciones industriales debido a su mayor potencia nominal y eficiencia. Los siguientes motores son ejemplos de motores de CA:
- Motor de inducción: La velocidad de rotación del motor no está exactamente sincronizada con la frecuencia de la corriente alterna conectada. Esta diferencia permite que el rotor gire. Suelen trabajar con corriente alterna trifásica, que es muy utilizada en la industria, por lo que el motor de inducción es uno de los motores más utilizados. Los motores de inducción se pueden dividir en monofásicos y trifásicos.
- Motor síncrono: La velocidad del rotor es sincrónica con el campo magnético giratorio del estator. Esto da como resultado una alta precisión y una velocidad de rotación constante, lo cual es importante, por ejemplo, para las máquinas herramienta. Los motores síncronos se pueden dividir en monofásicos y trifásicos.
Servomotores:
Un servomotor puede ser un motor de CC, un motor asíncrono o un motor síncrono. Estos motores tienen un servoaccionamiento y normalmente su propia electrónica de control. Un servoaccionamiento es un sistema de control electrónico que posiciona un motor de forma precisa y controlada y también permite cambios de velocidad para realizar movimientos precisos en diversas aplicaciones, como robótica, máquinas CNC y sistemas de automatización.
Ventajas y desventajas de los motores de CA
Las ventajas de los motores de CA incluyen:
- Son más duraderos y necesitan menos mantenimiento si no se utilizan escobillas
- El diseño cerrado da como resultado una menor entrada de suciedad
- Mayor eficiencia
- Son posibles altas velocidades
- Generalmente son más rentables
La desventaja es, por ejemplo, que debido a las vibraciones más fuertes producen un mayor ruido. Debido al diseño, la velocidad de rotación solo puede controlarse cambiando la frecuencia y/o puede controlarse en incrementos cambiando los pares de polos. Es posible que se requieran componentes adicionales para un control preciso. Además, los motores de CA no son adecuados para aplicaciones móviles porque las baterías suministran tensión CC (o esto solo es posible con componentes adicionales, como por ejemplo inversores).
Dependiendo de las condiciones locales y la aplicación deseada, se puede utilizar una amplia variedad de diseños de motores eléctricos, es por eso que MISUMI ofrece una amplia gama de motores.
Principios de funcionamiento de un motor eléctrico utilizando el ejemplo de un motor de CC
Cuando una corriente eléctrica fluye a través de la bobina del rotor en un motor de CC, el rotor comienza a girar. Cada media vuelta hace que el conmutador invierta la polaridad para garantizar el movimiento continuo del motor. De lo contrario, el motor solo giraría hasta que el polo norte del rotor se enfrentara al polo sur del estator y se detuviera en esta posición. Un motor con rotor de dos polos no arranca automáticamente en todas las posiciones, por lo que en los motores eléctricos se suelen utilizar rotores de tres o más polos. El principio es algo diferente para los motores lineales: En lugar de un rotor, esta aplicación utiliza un rotor (carro) guiado linealmente equipado con varias bobinas que se mueve en línea recta. Los imanes permanentes se instalan a intervalos regulares. Mediante el control específico de las bobinas, los rotores se mueven mediante campos magnéticos según el mismo principio de funcionamiento que en el motor rotativo. Las bobinas controladas pueden estar dispuestas de forma invertida tanto en el rotor como en el recorrido lineal del estator.
Factores que caracterizan a los motores eléctricos
Las características de los motores son fundamentales para su rendimiento y aplicación en diversas áreas técnicas e industriales.
Torque y velocidad
El par de un motor indica cuánta fuerza puede ejercer sobre un eje. La velocidad de rotación se refiere a la velocidad a la que se mueve el eje o el elemento rotor de un motor lineal. Los motores están diseñados para diferentes pares y velocidades de rotación según la aplicación. Las características de velocidad de rotación-par son importantes para el dimensionamiento del motor. Representan la relación entre la velocidad de rotación y el par y pueden diferir significativamente en algunos casos para diferentes tipos de motores (eléctricos) y puntos de funcionamiento.
Densidad de potencia
La densidad de potencia de los motores eléctricos se refiere a la relación entre la potencia generada por el motor y su tamaño o masa. Los motores eléctricos modernos pueden tener una alta densidad de potencia y, por lo tanto, pueden entregar mucha potencia en un diseño compacto. La densidad de potencia generalmente se mide en vatios por kilogramo (W/kg) o vatios por centímetro cúbico (W/cm3), dependiendo de si se está considerando el peso o el volumen del motor.
Controlabilidad
La controlabilidad de los motores eléctricos se refiere a la capacidad de controlar o regular la velocidad, el par y otros parámetros operativos del motor de una determinada manera. Esto es particularmente útil en aplicaciones que requieren un control preciso.
- Velocidad de rotación: Al regular la velocidad de rotación, el motor se puede adaptar a diversos requisitos de velocidad.
- Par: El control del par es útil, por ejemplo, para cargas variables. Los motores eléctricos se pueden controlar para proporcionar el par necesario para mover o superar cargas.
- Dirección: Al cambiar la dirección de la corriente o utilizar circuitos especiales, se puede personalizar un motor para aplicaciones que dependen de la dirección. Entre ellos se encuentran, por ejemplo, motores de accionamiento en cintas transportadoras o elevadores.
- Posicionamiento y precisión: Un posicionamiento y un control precisos son decisivos, por ejemplo, en las máquinas CNC. Aquí se utilizan a menudo motores paso a paso o servomotores.
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Vida útil y mantenimiento
La vida útil de un motor eléctrico depende de varios factores. El tipo de motor, las condiciones de funcionamiento, el mantenimiento y la calidad de fabricación pueden influir, por ejemplo. Estos son algunos de los factores clave que afectan la vida útil de un motor eléctrico:
- Tipo de motor: Algunos tipos de motores son más robustos y duraderos que otros. Por ejemplo, debido a su diseño sin escobillas, los motores de CC sin escobillas (BLDC) generalmente tienen una vida útil más larga que los motores de corriente continua con escobillas.
- Condiciones de funcionamiento: Factores como la temperatura, la humedad, las cargas de choque y las vibraciones pueden influir significativamente en la vida útil. Para ello también sirven los dispositivos de protección del motor, como la protección contra sobrecalentamiento y la protección contra sobretensiones.
- Ciclo de trabajo: La duración y la frecuencia de funcionamiento afectan la vida útil. Los motores que funcionan en funcionamiento continuo suelen tener una vida útil más corta.
- Mantenimiento En general, los motores eléctricos requieren poco mantenimiento, siendo la excepción los motores eléctricos con escobillas/contactos abrasivos. Sin embargo, la inspección y el mantenimiento periódicos, por ejemplo de rodamientos y piezas de desgaste, pueden prolongar significativamente el ciclo de vida de un motor.
Refrigeración del motor eléctrico
La refrigeración de los motores eléctricos es fundamental para garantizar que funcionen de manera eficiente y permanezcan dentro de temperaturas de funcionamiento seguras. El sobrecalentamiento puede acortar significativamente la vida útil de un motor eléctrico y provocar fallos de funcionamiento. A continuación se muestran algunos métodos comunes para enfriar o refrigerar motores eléctricos:
- Aire acondicionado
- Aletas de refrigeración y disipadores de calor
- Refrigerante
- Refrigeración de aceite
- Refrigeración líquida
- Sensores de temperatura y controles
