MOTOR MONOFÁSICO.

Como la mayor parte de la energía es generada en corriente alterna (C.A.) muchos motores están proyectados para funcionar con este tipo de corriente. Debido a que las máquinas de C.C. trabajan en condiciones más difíciles por la acción de conmutación que requiere el uso de escobillas, porta escobillas, colector, etc que no son muy eficientes, por el contrario, algunos motores de C.A., no utilizan ni siquiera anillos deslizantes, lo que hace que el funcionamiento esté exento de averías durante largos periodos de tiempo.

Los motores de C.A. son particularmente adecuados para aplicaciones de velocidad constante, ya que la velocidad está determinada por la frecuencia de C.A. aplicada a los bornes del motor; No obstante también se construyen motores de C.A. que tienen características de velocidad variable dentro de ciertos límites.

Los motes de C.A. se proyectan para un suministro de C.A. monofásica o trifásica. Tanto el motor monofásico como el trifásico funcionan basados en el mismo principio. Este principio es que la C.A. aplicada al motor genera un campo magnético giratorio y a su vez este campo magnético giratorio hace girar al rotor del motor.

Los motores monofásicos funcionan con redes monofásicas, que es común en los hogares, y son de características asincrónicas, pero no resulta sencillo iniciar el campo giratorio, por lo cual, se tiene que usar algún elemento auxiliar. Dependiendo del método empleado en el arranque, podemos distinguir dos grandes grupos de motores monofásicos:

a) Motores monofásicos de inducción,b) Motores monofásicos de repulsión.

MOTOR MONOFÁSICO DE INDUCCIÓN.

Figura 1. Esquema de un Motor Monofásico de Inducción

Un motor de inducción monofásico es una máquina de corriente alterna, de la que solamente una parte: el rotor o el estator, está conectado a la red la otra parte trabaja por inducción, siendo la frecuencia de las fuerzas electromotrices inducidas proporcionalmente al deslizamiento. En su estructura, los tipos más comunes de motores de inducción monofásicos se parecen a los motores de jaula de ardilla polifásicos salvo por el arreglo de los devanados del estator y que su tamaño es pequeño, de potencias fraccionadas (menores a 1 HP), usados para impulsar electrodomésticos como máquinas de coser, taladros, aspiradoras, aire acondicionado, entre otros.

También existen motores monofásicos de potencia integral que va desde 1.5 HP a 10 HP para 115 V, 230 V y 440 V. Para locomotoras que requieren altos niveles de potencia se usan varios motores monofásicos de corriente alterna en serie.

Existe una gran desventaja en estos motores y es que como el devanado del estator solo posee una fase, el campo magnético del estator no puede rotar, en vez de eso primero lo impulsa en gran intensidad, luego con menos pero permanece siempre en la misma dirección debido a que no hay campo magnético rotacional, por lo tanto un motor de inducción monofásico no tiene “par de arranque”.

El par resultante de un motor monofásico es cero sólo para un deslizamiento unidad o para la velocidad síncrona en cualquier sentido. Por consiguiente, una vez que gira en cualquier sentido, el motor monofásico continuará girando en esta dirección debido a que se produce un par neto resultante a la izquierda o la derecha del punto de reposo. Es importante señalar, que el sentido de giro de las bobinas involucra la polaridad magnética correspondiente, como puede verse en la figura:

Debido a las dificultades que tiene para arrancar, está constituido de dos grupos de devanados diferentes entre sí física y eléctricamente:

1. El primero: devanado principal o de trabajo formado de conductor grueso y tiene más espiras que el devanado de arranque.

2. El segundo: devanado auxiliar o de arranque está desfasado 90º con respecto al devanado principal para producir el campo rotatorio y el par de arranque.

Una vez que el motor ha arrancado, el devanado auxiliar se desconecta del circuito.

PRINCIPIO DE OPERACIÓN

El principio de operación de un motor monofásico es bastante complejo y puede explicarse mediante las siguientes teorías:

Teoría del doble campo giratorio

Un campo magnético estacionario se puede transformar en dos campos magnéticos rotacionales (campo magnético directo y campo magnético estacionario) de igual magnitud pero de direcciones opuestas. El motor responde a cada uno de estos campos por separado, y el par neto de la máquina es el resultado de la suma de los pares obtenidos de cada uno de los 2 campos magnéticos.

Tanto el campo magnético directo como el campo inverso son producidos por la misma corriente. La corriente del campo inverso es muy pequeña y el ángulo de desfase con el campo directo hace que el par generado por este campo sea muy pequeño cuando el motor opera cerca de la velocidad sincrónica.

Figura 3. Teoría del doble campo giratorio.

Teoría de Campo Cruzado

Las tensiones del rotor producen un flujo de corriente en el mismo, pero debido a la alta reactancia del rotor la corriente atrasa a la tensión en cerca de 90°. Como el rotor está girando casi a la velocidad sincrónica, este retardo de tiempo de 90° en la corriente produce una desviación angular de casi 90° entré el plano de la tensión máxima del rotor y el plano de la corriente máxima.

El campo magnético del rotor es, por tanto, un poco menor que el campo magnético del estator debido a las pérdidas del rotor, pero difieren en casi 90° tanto en espacio como en tiempo.

Figura 4. Grafica de las intensidades de las corrientes en las bobinas

Figura 5. Corrientes inducidas en las barras del rotor debido a la rotación.Producen un flujo de Φr que actúa perpendicular al flujo Φs del estator

Cuando el rotor comienza a girar, se induce una fem de velocidad E en los conductores del rotor cuando atraviesan el flujo Φs del estator. Este voltaje se incrementa a medida que se incrementa la velocidad del rotor, y hace que fluyan corrientes IT en las barras del rotor que están frente a los polos del estator. Estas corrientes producen un flujo de corriente alterna Φr que actúa perpendicular al flujo Φs del estator. Igualmente importante es el hecho de que el flujo Φr no alcanza su valor máximo al mismo tiempo que Φs. En realidad, Φr se retrasa casi 90° con respecto a Φs, debido a la inductancia del rotor. La acción combinada de Φs y Φr produce un campo magnético rotatorio, similar al que se produce en un motor trifásico. El valor de Φr se incrementa conforme se incrementa la velocidad y llega a ser casi igual que Φs a la velocidad sincrónica.

El flujo es intenso horizontalmente y más o menos débil verticalmente; gira en sentido contrario a las manecillas del reloj en la misma dirección del rotor. Por lo tanto la intensidad del campo a baja velocidad sigue un patrón elíptico.

Figura 6. Flujo del Campo.

INVERSIÓN DEL SENTIDO DE GIRO

La inversión del sentido de giro resulta una operación muy sencilla en un motor de fase partida, pues basta para ello permutar la conexión de los terminales del arrollamiento de trabajo o del arrollamiento de arranque.

Figura 7. Disposición correcta de las bobinas estatoricas.

La figura 8 se muestra esquemática mente el mismo motor representado en la figura 7 pero con la conexión de los terminales del arrollamiento de arranque permutada.

Figura 8. conexiones del bobinado estatórico para la inversión del sentido del giro

La explicación de esto es que el campo magnético del arrollamiento de arranque se genera antes que el del arrollamiento de trabajo. Por consiguiente, todo sucede como si el campo magnético girase desde un polo del arrollamiento de arranque hacia el polo más próximo y de igual signo del arrollamiento de trabajo.

A veces es necesario averiguar el sentido de giro de un motor y debemos reconocer a simple vista arrollamientos:

El hilo del arrollamiento de trabajo es más grueso que el del arrollamiento de arranque. Un extremo del arrollamiento de arranque suele estar conectado normalmente al

interruptor centrifugo El arrollamiento del arranque esta generalmente dispuesto encima del de trabajo.

DISPOSITIVO DE PROTECCIÓN CONTRA SOBRECARGA

La mayoría de los motores monofásicos son de efecto térmico y sirven de protección contra sobrecalentamientos peligrosos provocados por sobrecargas, fallos en el arranque, y temperatura excesiva. El dispositivo se monta en cualquier punto apropiado situado en el interior de la carcasa del motor (normalmente sobre la placa del interruptor centrífugo), y consiste en un elemento bimetálico conectado en serie con la línea de alimentación.

El elemento está formado por dos láminas metálicas que poseen distintos coeficientes de dilatación. Como ambas laminas están unidas conjuntamente, se dilatan en diferente proporción al calentarse, entonces el elemento se curva y abre el circuito

Figura 9. Elemento bimetálico de protección.

En algunos tipos de protección, los contactos vuelven a cerrarse automáticamente en cuanto el elemento bimetálico se enfría. En otros, por contrario, es preciso accionar manualmente un pulsador para que el motor se ponga nuevamente en marcha.

Este tipo de dispositivo térmico puede aplicarse a motores de una sola tensión de servicio y a motores de dos.

En el primer caso no se efectúa conexión alguna en el borne 2, el disco bimetálico y el filamento queda conectado en serie con la totalidad del arrollamiento principal

Figura 10. Conexión interna del elemento de protección.

En el segundo caso el filamento de caldeo queda conectado en serie con solo una sección del arrollamiento principal, cuando el motor funciona con la tensión más baja (el esquema izquierda de la figura), y con todo el arrollamiento cuando el motor funciona con la tensión más elevada (el esquema derecho de la figura. De este modo circula siempre la misma corriente por el filamento de caldeo.

Figura 11. Conexión interna del elemento de protección en serie.

CLASIFICACIÓN

Los motores monofásicos se clasifican de acuerdo con los métodos utilizados para producir su par de arranque. Estas técnicas de arranque difieren en el costo y en la cantidad de par producido, un ingeniero utiliza la técnica menos costosa que cumpla los requerimientos de par en una aplicación dada. Las tres principales son:

1. De polos auxiliares o también llamados de fase partida.2. Con condensador o capacitor.3. Con espira en cortocircuito o también llamados de polos partidos.

1. Motores De Fase Partida

La NEMA define el motor de fase partida como motor de inducción monofásico provisto de un arrollamiento auxiliar desplazado 90º magnéticamente respecto al arrollamiento principal y conectado en forma paralela con este último. El devanado auxiliar está diseñado para ser desconectado del circuito, a cierta velocidad dada, mediante un interruptor centrífugo.

Figura 12. Modelos de motores de fase partida.

Partes principales

Figura 13. Partes principales de un motor de fase partida.

a.- ROTOR:

El rotor se compone de tres partes fundamentales. La primera de ellas es el núcleo, formado por un paquete de láminas o chapas de hierro de elevada calidad magnética. La segunda es el eje, sobre el cual va ajustado a presión el paquete de chapas.

La tercera es el arrollamiento llamado de jaula de ardilla, que consiste en una serie de barras de cobre de gran sección, alojadas en sendas ranuras axiales practicadas en la periferia del núcleo y unidas en cortocircuitos mediante dos gruesos aros de cobre, situados uno a cada extremo del núcleo. En la mayoría de los motores de fase partida el arrollamiento rotórico es de aluminio y esta fundido de una sola pieza.

b.- ESTATOR

El estator se compone de un núcleo de chapas de acero con ranuras semicerradas, de una pesada carcasa de acero o de fundición dentro de la cual esta introducido a presión el núcleo de chapas, y de dos arrollamientos de hilo de cobre aislado alojados en las ranuras y llamados respectivamente arrollamiento principal o de trabajo y arrollamiento auxiliar o de arranque. En el instante de arranque están conectados uno y otro a la red de alimentación; sin embargo, cuando la velocidad del motor alcanza un valor prefijado el arrollamiento de arranque es desconectado automáticamente de la red por medio de un interruptor centrífugo montado en el interior del motor.

c.- ESCUDOS O PLACAS TERMICAS

Los escudos o placas térmicas, están fijados a la carcasa del estator por medio de tornillos o pernos; su misión principal es mantener el eje del rotor en posición invariable. Cada escudo tiene un orificio central previsto para alojar el cojinete, sea de bolas o de deslizamiento, donde descansa el extremo correspondiente del eje rotórico. Los dos cojinetes cumplen las siguientes funciones: sostener el peso del rotor, mantener a este exactamente centrado en el interior del estator, permitir el giro del rotor con la mínima fricción y evitar que el rotor llegue a rozar con el estator.

d.- INTERRUPTOR CENTRIFUGO

El interruptor centrífugo va montado en el interior del motor. Su misión es desconectar el arrollamiento de arranque en cuanto el rotor ha alcanzado una velocidad predeterminada. El tipo más corriente consta de dos partes principales, una fija y otra giratoria. La parte fija está situada por lo general en la cara interior del escudo frontal del motor y lleva dos contactos, por lo que su funcionamiento es análogo al de un interruptor unipolar. En algunos motores modernos la parte fija del interruptor está montada en el interior del cuerpo del estator. La parte giratoria va dispuesta sobre el rotor.

Figura 14. Interruptor centrifugo.

El funcionamiento de un interruptor es el siguiente: mientras el rotor esta en reposo o girando apoca velocidad, la presión ejercida por la parte móvil del interruptor mantiene estrechamente cerrados los dos contactos de la parte fija. Cuando el rotor alcanza aproximadamente el 75 % de su velocidad de régimen, la parte giratoria cesa de presionar sobre dichos contactos y permite que se separen, con lo cual el arrollamiento de arranque queda automáticamente desconectado de la red de alimentación.

e.- ARROLLAMIENTOS ESTATORICOS

Un arrollamiento de trabajo o principal, a base de conductor de cobre grueso aislado, dispuesto generalmente en el fondo de las ranuras estatóricas y un arrollamiento de arranque o auxiliar, a base de conductor de cobre fino aislado, situado normalmente encima del arrollamiento de trabajo. Ambos arrollamientos están unidos en paralelo.

Figura 15. Enrollamientos principales

Funcionamiento

Figura 16. Esquemas de funcionamiento.

En el momento del arranque los bobinados principal y auxiliar se hallan conectados a la red de alimentación, las corrientes que circulan por ambos arrollamientos crean un campo magnético giratorio en el interior del motor. Este campo giratorio induce corrientes en el arrollamiento rotórico, las cuales generan a su vez otro campo magnético. Ambos campos magnéticos reaccionan entre si y determinan el giro del rotor.

El arrollamiento de arranque solo es necesario para poner en marcha el motor, es decir, para engendrar el campo giratorio, por tanto cuando el motor ha alcanzado aproximadamente el 75% de su velocidad de régimen, el interruptor centrifugo se abre y deja afuera y deja fuera de servicio el arrollamiento de arranque; el motor sigue funcionando entonces únicamente con el arrollamiento de trabajo principal.

Si las velocidades del campo magnético giratorio y la del rotor son iguales, no se inducirá f.e.m., debido a que no habría movimiento relativo entre los campos del estator y rotor. Al no haber f.e.m., no existirá corriente inducida y por lo tanto no se inducirá el par motor, entonces se hace necesario que el rotor gire a una velocidad menor que el campo magnético giratorio del estator. Esta diferencia de velocidad se llama "resbalamiento".

El par de motor de éstos motores oscila entre 1500 y 3000 r.p.m., dependiendo si el motor es de 2 ó 4 polos, teniendo unas tensiones de 125 y 220 V. La velocidad es prácticamente constante. Para invertir el giro del motor se intercambian los cables de uno solo de los devanados (principal o auxiliar), algo que se puede realizar fácilmente en la caja de conexiones o bornes que viene de serie con el motor.

Motores de fase partida para dos velocidades de régimen

Puesto que la velocidad de cualquier motor asíncrono es función, del número de polos del mismo, si se desea variar la velocidad de un motor de fase partida es preciso variar también su muero de polos.

Hay tres métodos para conseguir dos velocidades de régimen distintas.

1) Disponer un arrollamiento de trabajo auxiliar, sin ningún arrollamiento de arranque suplementario: Este tipo de motor con doble velocidad de régimen lleva tres arrollamientos. Por lo general se bobinan con 6 y 8 polos, y alcanzan una velocidad de 1150 y 875 R.P.M., repectivamente.se usan principalmente para accionar ventiladores. Un interruptor centrifugo de doble contacto conecta automáticamente el arrollamiento de trabajo octopolar a la red cuando se desea que el motor gire a velocidad menor.

Figura 17. Conexión para dos velocidades en el MFP.

2) Disponer dos arrollamientos de trabajo y dos arrollamientos de arranque: Al rebobinar un motor de este tipo, con 4 arrollamientos, deberá asimismo tenerse buen cuidado de alojar las bobinas de cada uno en las ranuras que le corresponden.

Figura 18. Conexión interna de los polos para una mejor velocidad.

1) Disponer el llamado principio de los polos consecuentes (sin necesidad de arrollamiento adicional alguno): Cuando los polos de un arrollamiento se conectan de manera que todos ellos sean del mismo signo, se engendra un número de polos magnéticos igual al doble del número de polos bobinados.

Figura 19. Líneas de fuerza en un régimen de velocidades.

Esquema de potencia de un motor de fase partida.

Figura 20. Esquema de Potencia.

Conexión de los polos en los motores de fase partida para dos tensiones de servicio.

La mayoría de los motores de fase partida están construidos para funcionar a una sola tensión de servicio. No obstante se fabrican también motores para dos tensiones (normalmente 115V y 230V).

Los motores de este tipo poseen por lo general un arrollamiento auxiliar construido por una sola sección. Para permitir el cambio de una tensión a otra es preciso llevar al exterior los cuatro terminales del arrollamiento de trabajo, y si el sentido de giro tiene que poderse invertir desde el exterior, es necesario también que los dos terminales del arrollamiento de arranque salgan fuera.

Cuando el motor debe funcionar a 115V, las dos secciones del arrollamiento principal se conectan en paralelo, cuando el motor debe trabajar a 230V, las secciones se conectan en serie.

Figura 21. Diagrama de conexión en los polos para dos tensiones.

Para bobinar un motor de doble tensión de servicio se ejecuta primero una de las secciones del arrollamiento principal, procediendo de modo idéntico al empleado para motores de una sola tensión. La segunda sección se bobina luego directamente encima de la primera utilizando hilo de igual diámetro y alojando al mismo número de espiras en las propias ranuras. Entonces se lleva al exterior los dos terminales de cada sección. Es muy importante arrollar los polos de cada sección de modo que sean alternativamente de signo contrario, pues de no hacerlo así, el motor no funcionara.

Figura 22. Diagrama de fases para la conexión de los polos para dos tensiones

Rebobinado de un motor de fase partida

Cuando un motor deja de funcionar correctamente, conviene seguir una norma definida para determinar las reparaciones que exige su nueva puesta en marcha. Las pruebas necesarias para identificar y localizar las posibles averías de un motor se detallan a continuación.

Ante todo inspeccionar visualmente el motor con objeto de descubrir averías de índole mecánico.

Comprobar si los cojinetes están en buen estado. Para ello se intenta mover el eje hacia arriba y hacia abajo dentro de cada cojinete.

Verificar si algún punto de los arrollamientos de cobre están en contacto con los núcleos de hierro estatórico o retórico.

Una vez comprobado que el rotor gira sin dificultad la prueba siguiente consiste en poner la prueba en marcha.

Si existe algún defecto interno en el motor puede ocurrir que salten los fusibles, que comience a humear, que gire lentamente con ruido o permanezca estático. Cualquier de estos síntomas es indicio seguro de que existe una avería interna. Si las pruebas demuestran que los arrollamientos están quemados, es preciso rebobinar el motor para dejarlo nuevamente en condiciones de servicio.

Obs.: antes de desmotar el motor conviene marcar con un punzón los escudos y la carcasa, de tal forma de volver a montar mas tarde en el lado correcto.

La reparación de un motor de fase partida con un arrollamiento averiado comprende varias operaciones independientes, las más importantes de las cuales tenemos

Toma de datos Extracción del arrollamiento defectuoso Aislamiento de las ranuras Rebobinado conexión del nuevo arrollamiento Verificación eléctrica del mismo Secado e impregnación

b.- EXTRACCION DE LAS BOBINAS DEL ESTATOR:

Cuando solo es preciso reemplazar el arrollamiento de arranque, pueden extraerse fácilmente las bobinas defectuosas del mismo cortando los conductores por un lado del estator y tirando luego de ellas tirando del lado opuesto.

Pero cuando es todo el estator el que debe ser rebobinado, resultaría sumamente difícil y entretenido intentar sacar los arrollamientos del núcleo estatórico sin ablandar o carbonizar antes el barniz y el aislamiento con que están protegidos. Por regla general los arrollamientos quedan extremadamente endurecidos a causa de su impregnación con barniz, y tratar de extraerlos sin carbonizarlos previamente exigiría un tiempo considerable.

En muchos talleres se acostumbra colocar el estator en una estufa de secado durante varias horas a unos 200°C, y después dejarlo enfriar por sí solo. Pero antes de introducir el estator a la estufa suelen cortarse las cabezas posteriores de bobinas a ras de ranura con auxilio de escoplo neumático o eléctrico. Basta normalmente 15 minutos para calentar las bobinas hasta el punto de permitir su fácil extracción.

Figura 23. Extracción del bobinado estatórico.

c.- AISLAMIENTO DE LAS RANURAS:

Antes de disponer los arrollamientos en sus respectivas ranuras es preciso colocar en las mismas un determinado aislamiento con objeto de evitar que el conductor recubierto tenga algún punto de contacto directo con el núcleo de hierro.

Existen diferentes materiales aislantes apropiados para esta finalidad. Algunos de los más corrientes usados son:

Mylar. Dacron – Mylar. Nomex. Nomex – Mylar – Nomex.

d.- REBOBINADO CONEXIÓN DEL NUEVO ARROLLAMIENTO:Un motor de fase partida puede rebobinar de tres maneras distintas:

1) A mano2) Con bobinas moldeadas3) Con madejas

En la práctica se usan indistintamente los tres procedimientos, ya que cada uno ofrece determinadas ventajas. Sea el que fuera el procedimiento elegido, se dispone primero el arrollamiento de trabajo íntegro en las ranuras, y luego el de arranque, encima. Como ya se ah dicho, es conveniente poner un aislamiento adecuado entre uno y otro. Una vez dispuesto el arrollamiento de arranque encima del de trabajo, se introduce en la parte superior de cada ranura una cuña de configuración apropiada, cuya función es mantener los conductores bien sujetos en el interior de las ranuras y asegurados contra el efecto de las vibraciones.

f.- VERIFICACION ELECTRICA DEL MISMO

Una vez concluido el rebobinado y efectuadas las conexiones es muy conveniente verificar eléctricamente uno y otras con objeto de detectar posibles cortocircuito entre espiras, contactos, masa, conexiones erróneas o interrupciones.

Estas pruebas deben efectuarse antes de proceder al secado. Cuando ya se han efectuado todas las conexiones, o pruebas, el estator se introduce en una estufa de secado, donde debe permanecer aproximadamente 1 hora a una temperatura de 120°C.

Con este precalentamiento se consigue eliminar la humedad de los arrollamientos y facilitar así la penetración del barniz

2. Motores de arranque con condensador

Figura 24. Modelos de motores de arranque con condensador

En algunos casos, el par de arranques es insuficiente para arrancar una carga sobre el eje del motor, para esto se puede utilizar motores con arranque por capacitor, con esto se dispone de un capacitor en serie con el devanado auxiliar del motor.

Este tipo de motor es similar en su construcción al de fase partida en cuanto a cambio de giro, etc. También disponen de dos devanados, uno auxiliar y otro principal. Sobre el devanado auxiliar se coloca un condensador en serie, que tiene como función el de aumentar el par de arranque, entre 2 y 4 veces el par normal. Como se sabe, el condensador desfasa la fase afectada en 90°, lo cual quiere decir, que el campo magnético generado por el devanado auxiliar se adelanta 90° respecto al campo magnético generado por el devanado principal. Gracias a esto, el factor de potencia en el momento del arranque, está próximo al 100%, pues la reactancia capacitiva del condensador (XC) anula la reactancia inductiva del bobinado (XL).

Su rango de operación va desde fracciones de 1/3 HP hasta 15 HP. Es utilizado ampliamente en muchas aplicaciones de tipo monofásico, tales como accionamiento de máquinas herramientas (taladros, pulidoras, etcétera), compresores de aire, refrigeradores, sierras, etc. En la figura se muestra un motor de arranque con capacitor.

Figura 25. Conexión del motor de arranque con condensador

La desventaja es que los motores de capacitor dividido permanente tienen par de arranque menor que los motores de arranque por capacitor puesto que el capacitor debe ser dimensionado para balancear las corrientes en los devanados principal y auxiliar en condiciones normales de carga. Dado que la corriente de arranque es mucho mayor que la corriente de carga normal, un capacitor que balancee las fases en cargas normales las deja muy desbalanceadas en condiciones de arranque.

Otro problema frecuente de dificultades son los condensadores defectuosos. Si el motor se arranca y se para muchas veces en un corto tiempo, es muy posible que entren en corto circuito los condensadores. Por lo tanto, este motor se utiliza en aplicaciones domésticas e industriales en las que hay pocos arranques en cortos periodos.

3. Motor con espira en cortocircuito o de polos partidos o Polos estatóricos sombreados:

Figura 26. Motores de polos partidos.

Un motor de inducción de polos sombreados es aquel que sólo tiene el devanado principal. En lugar de tener devanado auxiliar, tiene polos salientes, y una parte de cada polo está envuelta por una bobina cortocircuitada llamada bobina de sombreo. Un flujo variable con el tiempo se induce en los polos debido al devanado principal. Cuando el flujo del polo varía, induce un voltaje y una corriente en la bobina de sombreo, las cuales se oponen al cambio del flujo original. Esta oposición retarda los cambios de flujo bajo las partes sombreadas de las bobinas y produce entonces un ligero desequilibrio entre los dos campos magnéticos rotacionales opositores del estator. La rotación neta se dirige desde la parte de la cara polar no sombreada hacia la sombreada.

Este método de polos sombreados reduce menor par de arranque que cualquier otro tipo de arranque de motores e inducción, el par de arranque es muy inferior respecto a un motor de fase partida, alrededor del 60%. La espira en corto ocupa 1/3 del polo saliente. La posición de la espira determina el sentido de giro del rotor. Las espiras en los polos, guardan un desfase de 180°. Generalmente no utiliza sistema de enfriamiento. La velocidad dependerá del número de polos que posea el motor, y se puede variar, modificando la resistencia de la bobina polar. Éstos son mucho menos eficientes y tienen mayor deslizamiento que otros tipos de motores de inducción monofásicos. Se fabrican para bajas potencias, de 1 a 20 Cv. Se utiliza poco este tipo de motor.

Puesto que los motores de polo sombreado cuentan con una bobina de sombreo para su par de arranque, no hay manera fácil de invertir la dirección de rotación de tales motores. Para llevar a cabo la inversión, es necesario instalar dos bobinas de sombreo en cada cara polar y cortar selectivamente una de ellas.

Figura 27. Esquema del motor de polos partidos.

Principio de funcionamiento

Figura 28. Principio de funcionamiento.

Cuando se alimenta la bobina polar con un voltaje alterno, esta es recorrida por una corriente alterna I1, la cual produce un flujo 1 alterno. El flujo 1 (las líneas rojas en el diagrama) induce en la espira una corriente alterna I2 opuesta a la corriente I1.

La corriente alterna I2 produce el flujo 2 (líneas verdes en el diagrama) el cual es opuesto al flujo 1, por lo tanto el flujo 2 repele al flujo 1 y lo desvía.

El flujo 1 induce en las barras del rotor (en celeste) una corriente alterna I3 la cual también es opuesta a la corriente I1. La corriente I3 produce el flujo 3 (ver línea azul en el diagrama), opuesto al flujo1.

El flujo 2 y 3 están en fase y desfasados con respecto al flujo 1 por lo tanto cuando el flujo 1 es mínimo, los flujos 2 y 3 son máximos, y se da en ese momento la atracción entre el flujo 2 y el flujo 3, ocasionando que el rotor gire.

De manera más directa:

Al alimentar la bobina polar aparece una corriente I que produce el flujo 1. El flujo 1 a su vez induce una corriente I2 en la espira en corto y en las barras del rotor, produciéndose los flujos 2 y 3. Estos últimos flujos que de acuerdo a la Ley de Lenz son opuestos al flujo 1. Cuando el flujo 1 se anula, los flujos 2 y 3 son máximos, de ahí que el norte del flujo 3 es atraído por el sur del flujo 2, iniciándose el giro del rotor por efecto de un campo deslizante.

Figura 29. Conexión del motor de polos partidos.

4. Motores de reluctancia síncronos o con arranque propio

Todos los tipos de motor de inducción descritos con anterioridad pueden ser convertidos en un motor de reluctancia síncrono de autoarranque. Cualquier cosa que haga que la reluctancia del entrehierro sea una función de la posición angular del rotor con respecto al eje de la bobina del estator producirá par de reluctancia cuando el rotor gira a velocidad síncrona. Por ejemplo, suponga que se eliminan algunos dientes de un rotor de jaula de ardilla, y se dejan las barras y anillos intactos, como en un motor de inducción de jaula de ardilla común.

Figura 30. Motor de Reluctancia.

La figura de la izquierda muestra una laminación de un motor cuando es diseñado para usarse con un estator de cuatro polos. El motor arrancará como motor de inducción y con cargas livianas alcanzará velocidad con un pequeño valor de deslizamiento. El par de reluctancia surge de la tendencia del rotor de tratar de alinearse en la posición de reluctancia mínima con respecto a la onda de flujo directo en el entrehierro que gira de manera síncrona. Con un deslizamiento pequeño, este par alterna o cambia lentamente de dirección; así el rotor es acelerado durante un medio ciclo positivo de la variación del par y se desacelera durante el subsiguiente medio ciclo negativo. Si el momento de inercia del rotor y su carga mecánica son suficientemente pequeños, el rotor acelerará con una velocidad de deslizamiento hasta una velocidad síncrona durante un medio ciclo de aceleración del par de reluctancia.

Entonces, el rotor se sincroniza y continúa funcionando a velocidad síncrona. La presencia de cualquier onda de flujo a través del estator que gira en retroceso producirá variación del par y pérdidas adicionales, pero el funcionamiento síncrono se mantendrá siempre que el par de carga no sea excesivo.

En la figura de la derecha se muestra una característica par-velocidad típica de un motor de reluctancia síncrono de arranque con fase dividida. Observe los altos valores del par. La razón de esto es que para obtener características de motor síncrono satisfactorias, es necesario construir motores de reluctancia síncronos en bastidores que serían adecuados para motores de inducción de dos o tres veces la capacidad del motor síncrono. Obsérvese también que el efecto principal del rotar de polo saliente en la característica del motor de inducción se representa cuando está en reposo, donde es evidente una considerable "intermitencia"; es decir, el par varía considerablemente con la posición del rotor.

La desventaja de estos motores es que requiere de un número elevado de terminales y conexiones, además que su accionamiento es demasiado ruidoso.

Una de las funciones habituales de los motores de reluctancia son el posicionamiento de piezas, herramientas, partes de máquinas, montacargas y demás. En muchas tareas de posicionamiento, en particular en máquinas-herramienta, no se permiten sobre oscilaciones en la posición final. Así, los parámetros de la regulación de posición serán tomados teniendo en cuenta dicha exigencia.

5. Motores de histéresis

El fenómeno de histéresis puede ser utilizado para producir par mecánico. En su forma más simple, el rotar de un motor de histéresis es un cilindro liso de acero magnéticamente duro, sin devanados o dientes. Se coloca adentro de un estator acanalado que porta devanados distribuidos que son diseñados para que produzcan una distribución de flujo espacial casi senoidal, puesto que las ondulaciones de la onda de flujo incrementan en gran medida las pérdidas.

Figura 31. Motor de Histeresis.

En motores monofásicos, los devanados del estator por lo general son del tipo de capacitar dividido permanente, como en la figura 9.6. El capacitar se elige para que produzca condiciones bifásicas aproximadamente balanceadas en los devanados del motor. El estator produce entonces un campo en el entrehierro principalmente de espacio fundamental que gira a velocidad síncrona.

Las condiciones magnéticas instantáneas en el entrehierro y el rotar se indican en la figura para un estator de dos polos. El eje SS' de la fuerza magnetomotriz en el estator gira a velocidad síncrona. Debido a la histéresis, la magnetización del rotar se retrasa con respecto a la onda inducida de la fuerza magnetomotriz, por lo tanto el eje RR' de la onda de flujo del rotar se retrasa con respecto al eje de la onda de la fuerza magnetomotriz en el estator, en un ángulo de retraso de histéresis 8 (figura 9. lOa). Si el rotar está inmóvil, se produce par de arranque proporcional al producto de las componentes fundamentales de la fuerza magnetomotriz del estator, del flujo de rotar y del seno del ángulo de par 8. Entonces, el rotor acelera si el par de la carga es menor que el par desarrollado del motor.

En tanto el rotar gire a menos de la velocidad síncrona, cada región del rotar se somete a un ciclo de histéresis repetitivo a frecuencia de deslizamiento. Mientras el rotar acelera, el ángulo de retraso 8 permanece constante si el flujo es constante, como el ángulo 8 depende simplemente del lazo de histéresis del material del rotor y es independiente de la velocidad a la cual el lazo es recorrido. El motor desarrolla por consiguiente un par constante justo hasta la velocidad síncrona, como se muestra en la característica par-velocidad idealizada de la figura 9 .1Ob. Esta característica es una de las ventajas del motor de histéresis. En contraste con un motor de reluctancia, el cual debe "sincronizar" su carga con una característica par-velocidad de motor de inducción, un motor de histéresis sincroniza cualquier carga que pueda acelerar, no importa cuán grande sea la inercia. Después de alcanzar la sincronía, el motor continúa funcionando a velocidad síncrona y ajusta su ángulo de par para desarrollar el par requerido por la carga.

Por naturaleza, el motor de histéresis es silencioso y produce rotación uniforme de su carga. Además, el rotar requiere el mismo número de polos que el campo del estator. El motor se presta para funcionamiento síncrono a diversas velocidades cuando el estator está devanado con varios conjuntos de enrollarnientos y utiliza conexiones que cambian los polos. El motor de histéresis puede acelerar y sincronizar cargas inerciales elevadas porque su par es uniforme desde el reposo hasta velocidad síncrona. Estos motores poseen ventajas particularidades en aquellos casos en los que se requiere poner en rotación cuerpos de gran movimiento de inercia (giróscopos).

MOTORES MONOFÁSICOS DE REPULSIÓN.

Figura 32. Motor monofásico de repulsión.

Es un motor monofásico provisto de un arrollamiento estatórico destinado s ser conectado a una red de alimentación, y de un arrollamiento rotórico unido a un colector. Las escobillas que frotan sobre el colector están unidas en cortocircuito y dispuestas de manera que el eje del campo magnético creado por el arrollamiento esté inclinado respecto al eje del campo magnético estatórico. Este tipo de motores tiene una característica de velocidad muy variable con la carga.

Para invertir el sentido de rotación se desplazan las escobillas a unos 15º eléctricos del centro de los polos del estator en el sentido contrario al original.

Se caracterizan por tener buen par de arranque, a pesar de que se tiene una mala regulación de velocidad. Además la velocidad se puede controlar, variando el voltaje aplicado al motor.

Se los puede encontrar en prensas de imprenta en las que se desea una regulación de la velocidad del miembro impulsor.

Funcionamiento:

Al conectarse a la corriente monofásica se crea un campo magnético en el estator y se induce otro campo en el inducido. Si estos dos campos están descentralizados una 15º eléctricos, entonces, se crea un par de arranque que hace que el inducido del motor gire, Así pues, la aplicación el principio de que polos iguales se repelen da al motor su nombre de motor de repulsión.

Partes

Figura 33. Partes del motor de repulsión.

1. Un núcleo laminado del estator con un devanado similar al de la fase partida. El estator tiene generalmente, cuatro, seis u ocho polos.

2. Un rotor con ranuras en la que va colocado un devanado, similar al de un motor de c.c. El colector es de tipo axial.

3. Escobillas de carbón, conectadas entre sí por medio de alambres de cobre relativamente gruesos. El porta escobillas es desplazable.

4. Dos escudos en los extremos de hierro colado, que alojan los cojinetes y sujetos al bastidor del motor.

5. Dos cojinetes que sostienen el eje del inducido centrado, pueden ser lisos o de balas.

Clasificación

Motor de repulsión sólo en el arranque

Figura 34. Motor de repulsión en el arranque.

Es el motor monofásico provisto de los mismos arrollamientos que uno de repulsión, en el cual, al alcanzarse una velocidad predeterminada, el arrollamiento rotórico queda puesto en cortocircuito o bien conectado en forma de resultante equivalente a uno en jaula de ardilla. Este tipo arranca como motor de repulsión, pero una vez en régimen de servicio funciona como motor de inducción, es decir, con una característica de velocidad casi constante.

Existen dos tipos: El de levantamiento de escobillas y el de escobillas rodantes.

El estator y el rotor son iguales al de un motor de repulsión. Se diferencia en que tiene un mecanismo centrífugo que funciona al 75% de la velocidad de régimen. En el tipo de levantamiento de escobillas al llegar al 75% de la velocidad de régimen, levanta las escobillas y el motor sigue funcionando por inducción.

En el tipo de escobillas rodantes, el mecanismo centrífugo cortocircuita las delgas del colector al llegar el inducido al 75% de la velocidad de régimen y sigue funcionando por inducción.

A este tipo de motores se los puede encontrar en refrigeradores, compresores, bombas.

Propiedades:

- Fuerte par de arranque. - Buena regulación de la velocidad. - La rotación se invierte de la misma forma que para el motor de repulsión.

Motor de inducción-repulsión

Figura 35. Motor de inducción repulsión

El funcionamiento es igual al de un motor de arranque por repulsión y marcha por inducción, sin embargo, no tiene mecanismo centrífugo. Es un motor monofásico cuyo rotor lleva, además del arrollamiento propio de un motor de repulsión, otro de jaula de ardilla. Este tipo funciona simultáneamente como motor de repulsión y como motor de inducción, y su característica de velocidad puede ser variable o constante.

La única característica que comparten en común es la presencia de un devanado retórico unido a un colector. Estos motores se alimentan con corriente monofásica procedente de una red de iluminación o de fuerza, según la potencia de los mismos.

Los motores de inducción-repulsión se aplican donde se requiere arrancar cargas pesadas sin demandar demasiada corriente. Se fabrican de 1/2 HP hasta 20 HP, y se aplican con cargas típicas como: compresores de aire grandes, equipo de refrigeración, etc.

Algunas propiedades de este motor son:

- Buen par de arranque. - Buena regulación de la velocidad. - Debido a que no tiene mecanismo centrífugo tiene poco mantenimiento. - Actualmente es el más utilizado de los motores de repulsión.

MOTOR UNIVERSAL

Figura 36. Motor Universal

El motor universal se denomina así por ser el único motor que puede conectarse tanto a corriente alterna como a corriente continua. Cuando el motor universal se conecta a la corriente continua con una carga constante, la velocidad y la potencia aumentan proporcionalmente con el voltaje aplicado.

Cuando el motor universal se conecta a la corriente alterna con carga constante, la velocidad y la potencia aumentan proporcionalmente con el voltaje aplicado a partir de los 3000 r.p.m. (revoluciones por minuto). En el motor universal la velocidad dada para un voltaje en corriente alterna es inferior que la que se obtendría si se aplica el mismo voltaje pero en corriente continua.

Los motores universales se construyen para potencias menores a los 0.5 CV y velocidades de hasta 3000 r.p.m. y presentan un buen rendimiento.

El principio de funcionamiento del motor universal está determinado por el efecto motor que produce un conductor recorrido por una corriente eléctrica y que está sometido a un campo magnético. Por acción magnetomotriz existirá un desplazamiento y por ende una rotación.

Los motores universales miniatura, como los que se utilizan en máquinas de afeitar y en juguetería, por ejemplo, tienen el inducido mucho más simple; casi siempre con tres bobinas arrolladas sobre núcleos en estrella. El colector, para que ocupe menos espacio, deja de ser de tambor para convertirse en un colector de disco. También el estator es muy simple, con una sola bobina.

En algunos juguetes que funcionan con C.A. el inductor es de dos piezas, una de ellas es móvil. El movimiento de esta parte del inductor (que se produce siempre que se interrumpe la corriente) arrastra el dispositivo del cambio de marchas.

Ventajas y desventajas de los motores universales

Entre las ventajas de estos motores deben contarse éstas:

Que pueden construirse para cualquier velocidad de giro y resulta fácil conseguir grandes velocidades, cosa que no puede conseguirse con otros motores de c.a.

Funcionan indistintamente con c.c. y/o con c.a. Poseen un elevado par de arranque. La velocidad se adapta a la carga. Para regular la velocidad de giro basta con conectar un reóstato en serie con el inducido.

Las desventajas de estos motores son:

Que contienen elementos delicados que requieren una revisión periódica; es preciso entonces comprobar el desgaste del colector, de las escobillas, el envejecimiento de los muelles que las oprimen contra las delgas del colector, etc.

El contacto deslizante entre colector y escobillas produce chispas que pueden perturbar el funcionamiento de los receptores de radio y de televisión que se encuentran en zona próxima al motor.

Por causa de la gran velocidad de giro, estos motores son algo ruidosos. Su inducido es de difícil reparación, casi siempre resulta más ventajoso sustituirlo por

otro nuevo.

Aplicación y Usos de los motores universales

El motor universal tiene la característica par-velocidad descendente, fuertemente empinada de un motor dc serie, de modo que no es adecuado para aplicaciones de velocidad constante. Sin embargo, por ser compacto y dar más par por amperio que cualquier otro motor monofásico, se utiliza en aplicaciones donde se requieren un peso ligero y alto par.

Aplicaciones típicas de este motor son las aspiradoras eléctricas, los taladros y las herramientas manuales similares, así como los utensilios de cocina.

Este tipo de motor se puede encontrar tanto para una máquina de afeitar como para una locomotora, esto da una idea del margen de potencia en que pueden llegar a ser construidos.

Constitución de un Motor Universal

Figura 37. Partes de un Motor Universal

Carcasa: carcasa suele ser por lo regular de acero laminado, de aluminio o de fundición con dimensiones adecuadas para mantener firmes las chapas del estator. Los polos suelen estar afianzados a la carcasa con pernos pasantes. Con frecuencia se construye la carcasa de una pieza, con los soportes o pies del motor.

Bobinas conductoras: Se las conoce con el nombre de inductor o campos inductores. Se representa junto con otras partes componentes, consiste en un paquete de chapas de forma adecuada, fuertemente prensadas y fijadas mediante remaches o pernos.

Bobina inducido: Es el rotor bobinado y se le conoce con el nombre de inducido o armadura. Es similar al de un motor de C.C. pequeño. Consiste en un paquete de chapas que forma un núcleo compacto con ranuras normales u oblicuas y un colector al cual van conectados los terminales del arrollamiento inducido. Tanto el núcleo de chapas como el colector, van sólidamente asentados sobre el eje.

Escobillas: Son fabricadas de carbón por ser un material suave y un coeficiente de temperatura negativo.

Resortes: Sirven para mantener las escobillas en su lugar por medio de presión mecánica.

Tapas o escudos: Sirven para sostener el eje del motor y dar la estructura mecánica al motor. Como en todos los motores, van montados en los lados frontales de la carcasa y asegurados con tornillos. En los escudos van alojados los cojinetes, que pueden ser de resbalamiento o de bolas, en los que descansan los extremos del eje. En muchos motores universales pueden desmontarse sólo un escudo, pues el otro está fundido con la carcasa. Los porta escobillas van por lo regular sujetos al escudo frontal mediante pernos.

Principio de funcionamiento del motor eléctrico universal

Este motor está construido de manera que cuando los devanados: inducido e inductor están unidos en serie a través de las escobillas y circula una corriente por ellos, se forman dos flujos magnéticos, que al ser recorrido por la corriente y sometido a la influencia del campo magnético inductor, se desplaza, dando origen al giro del rotor.

Figura 38. Esquema de fuerza del Motor Universal

El par de arranque se sitúa en 2 ó 3 veces el par normal.

La velocidad cambia según la carga. Cuando aumenta el par motor disminuye la velocidad. Se suelen construir para velocidades de 3000 a 20000 r.p.m. Para poder variar la velocidad necesitamos variar la tensión de alimentación, normalmente se hace con un reóstato o resistencia variable.

Figura 38. Conexión del Motor Universal a un reóstato.

El cambio de giro es controlable, solo tenemos que intercambiar una fase en el estator o en el rotor, nunca en los dos, lo cual es fácilmente realizable en la caja de conexiones o bornes que viene incorporado con el motor.

Cuando el motor es alimentado, se produce que las corrientes circulan en el mismo sentido, tanto el estator como en el rotor, pero en el cambio de ciclo cambia el sentido en los dos, provocando el arranque del motor.

El funcionamiento cerca de la carga clasificada es similar para todas las fuentes, comenzar el esfuerzo de torsión es alto y la regulación de la velocidad es pobre, la velocidad es muy alta en las cargas que son bajas. Teóricamente, en la carga cero la velocidad llega a ser infinita, así algunos motores universales deben emplear controles de velocidad.

Detección, localización y reparación de averías en motores universales

Reparación: Las averías que pueden presentarse en los motores universales son las mismas que ocurren en los de motores continua. A continuación, se enumeran las más corrientes:

Si se producen chispas abundantes en funcionamiento, las causas pueden ser:

Terminales de bobinas conectados a delgas que no corresponden. Polos inductores con cortocircuito. Interrupción en las bobinas del inducido. Cortocircuito en las bobinas del inducido. Terminales de bobinas invertidos. Cojinetes desgastados. Láminas de mica salientes. Sentido de rotación invertidos.

Si el motor se calienta en exceso, puede ser debido a:

Cojinetes desgastados. Falta de engrase en los cojinetes. Bobinas con cortocircuitos. Sobrecarga. Arrollamientos inductores con cortocircuitos. Escobillas mal situadas.

Si el motor desprende humo, las causas pueden ser:

Inducido con cortocircuitos. Cojinetes desgastados. Arrollamientos inductores con cortocircuitos. Tensión inadecuada. Sobrecarga.

Si el par motor es débil, puede ser debido a:

Bobinas con cortocircuitos. Arrollamientos inductores con cortocircuitos. Escobillas mal situadas. Cojinetes desgastados.

Pruebas: Tanto el arrollamiento inductor como el del inducido deben verificarse detenidamente antes y después de su montaje. El arrollamiento inductor se comprobará en busca de contactos a masa, cortocircuitos, interrupciones e inversiones de polaridad. No hay que olvidar que antes de rebobinar un inducido hay que verificar el colector en busca de posibles delgas en cortocircuito o contactos a masa.