motores- electricos

Motores eléctricos y de combustión 1

Diseño de elementos de máquinas III

Contenido CAPITULO I .................................................................................................................... 5

MOTORES ELÉCTRICOS .............................................................................................. 5

1.0 GENERALIDADES ............................................................................................... 6

1.1 ELEMENTOS CONSTITUTIVOS ........................................................................ 6

1.2 FUNCIONAMIENTO ............................................................................................ 7

1.3 CLASIFICACIÓN .................................................................................................. 8

1.4 MOTORES DE INDUCCION TRIFÁSICOS ........................................................ 9

1.4.1 MOTORES DE JAULA DE ARDILLA ......................................................... 9

1.4.2 MOTORES DE ROTOR DEVANADO ....................................................... 15

1.5 MOTORES DE INDUCCION MONOFÁSICOS ................................................ 17

1.5.1 FUNCIONAMIENTO ................................................................................... 18

1.5.2 MOTOR DEVANADO DE FASE PARTIDA .............................................. 21

1.5.3 MOTOR DE ARRANQUE POR CAPACITOR ........................................... 22

1.5.4 MOTOR DE CAPACITOR Y FASE PARTIDA PERMANENTE ............. 24

1.5.5 MOTOR DE POLOS SOMBREADOS ....................................................... 25

1.6 MOTORES SÍNCRONOS .................................................................................... 27

1.6.1 PRINCIPIO BÁSICO DE OPERACIÓN. ..................................................... 27

1.6.2 CURVA CARACTERÍSTICA PAR-VELOCIDAD .................................... 29

1.6.3 APLICACIONES .......................................................................................... 30

1.7 MOTORES DC ..................................................................................................... 31

1.7.1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO ....................................................... 31

1.7.2 EL MOTOR DC DEVANADO EN PARALELO ....................................... 33

1.7.3 EL MOTOR DC DEVANADO EN SERIE ................................................. 33

1.7.4 EL MOTOR DC DEVANADOS COMPUESTOS ...................................... 34

1.7.4 EL MOTOR DC DE IMÁN PERMANENTE ............................................. 35

1.8 MOTORES UNIVERSALES ............................................................................... 36

1.8.1 CONSTITUCIÓN .......................................................................................... 36

1.8.2 CARACTERÍSTICAS DE FUNCIONAMIENTO ....................................... 37

1.8.3 CURVAS PAR-VELOCIDAD ..................................................................... 37

1.8.4 VENTAJAS ................................................................................................... 39

1.8.5 APLICACIONES ......................................................................................... 39



1.9 OTROS MOTORES ............................................................................................. 39

1.9.1 MOTOR DE RELUCTANCIA .................................................................... 39

1.9.2 MOTOR DE HISTÉRESIS .......................................................................... 41

1.9.3 MOTOR DE AVANCE PASO A PASO ..................................................... 43

1.9.4 MOTOR SIN ESCOBILLAS ........................................................................ 44

CAPITULO II ................................................................................................................. 47

MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ................................................................. 47

2.1 GENERALIDADES ............................................................................................. 48

2.2 CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN ........................... 48

2.2.1 MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ................................................ 48

2.2.2 MOTORES DE COMBUSTIÓN EXTERNA ............................................... 50

2.3 LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA .............................................. 50

2.3.1 LA POTENCIA DEL MOTOR DE COMBUSTION INTERNA ............... 51

2.3.2 CURVA PAR-VELOCIDAD, TORQUE-VELOCIDAD Y CONSUMO DE

COMBUSTIBLE-VELOCIDAD ........................................................................... 51

2.3.3 APLICACIONES ......................................................................................... 54



INTRODUCCIÓN

Los motores eléctrico y de combustión interna son de suma utilidad en la industria para

accionar máquinas necesarias para realizar operaciones diarias de producción. Es por

ello necesario familiarizarse con los diferentes tipos de motores que existen, sus

diferencias y sus usos originales. Nos recuerda las propiedades de cada uno y precisa la

clase de servicio que pueden ofrecernos. Entre los motores los más comunes son los

eléctricos, aunque también pueden usarse los de combustión

En el presente informe se detallan las diferentes clasificaciones de los motores tanto

eléctricos como de combustión, así como los usos apropiados y las diferentes clases en

cada subcategoría.



OBJETIVOS

Conocer los diferentes tipos de motores usados en la industria y en las

aplicaciones prácticas diarias.

Identificar las características de cada tipo de motor así como los usos

particulares y aplicaciones en general.

Desarrollar habilidades y criterios para la selección adecuada de los motores, de

acuerdo a la aplicación.



CAPITULO I

MOTORES ELÉCTRICOS



1.0 GENERALIDADES

El motor eléctrico es aquel motor que transforma la energía eléctrica en energía

mecánica, por medio de la repulsión que presenta un objeto metálico cargado

eléctricamente ante un imán permanente. Son máquinas eléctricas rotatorias.

Algunos de los motores eléctricos son reversibles, ya que pueden transformar energía

mecánica en energía eléctrica funcionando como generadores.

Son muy utilizados en instalaciones industriales, comerciales y particulares como

ventiladores, teléfonos y bombas, máquinas herramientas, aparatos electrodomésticos,

herramientas eléctricas y unidades de disco, los motores eléctricos pueden ser

impulsados por fuentes de la corriente continua, como de baterías, automóviles o

rectificadores, o por fuentes de la corriente alterna como de la rejilla de poder,

inversores o generadores.

1.1 ELEMENTOS CONSTITUTIVOS

Fig. 1 Elementos externos del motor eléctrico.



Fig. 2 Elementos internos del motor eléctrico.

1.2 FUNCIONAMIENTO

El núcleo magnético del estator tiene en su interior unas ranuras donde se alojan los

bobinados inductores. Cada bobinado está compuesto por un número par de polos

opuestos, que al circular corriente por ellos, crean un flujo magnético que atraviesa el

rotor y retorna por el estator. Este flujo tendrá dirección ascendente o descendente

según la dirección de la corriente, o sea, de la polaridad instantánea de dicha fase de la

corriente alterna. Se observa que el efecto conjunto es un campo magnético rotatorio

uniforme.

La velocidad de rotación del flujo magnético, es en este caso igual a la frecuencia de la

red (en cada ciclo el flujo gira una vuelta). A esta velocidad se le llama velocidad de

sincronismo y se define como

donde es la frecuencia de la corriente

eléctrica y es el número de polos. Cada ranura en el estator es un polo, si se le

practica más ranuras se puede aumentar el número de polos de cada bobinado.

Al situar una espira cortocircuitada en el interior del estator, y ser flujo rotatorio, la

variación de dicho flujo induce una fuerza electromotriz que crea unas corrientes en el

rotor, y estas corrientes, en presencia del campo magnético del estator crean un par de

fuerzas que hacen girar al rotor. Es decir, que para que se induzca corriente debe haber

movimiento relativo entre el flujo rotatorio y el rotor. Si el rotor gira a la misma

velocidad que el flujo, desaparece la corriente y por tanto el par de fuerzas. La

velocidad del rotor será por tanto ligeramente inferior a la del flujo del estator. A esta

velocidad se le llama velocidad de asincronismo A la diferencia entre ambas

velocidades le llamamos deslizamiento (s), y suele estar comprendido entre 1% para los

motores grandes y 8% para los motores pequeños, se representa como

donde es la velocidad de asincronismo o de giro del rotor.

Si se intercambia dos tensiones senoidales cualesquiera, el flujo magnético global gira

en sentido contrario. Por tanto, si al arrancar un motor éste gira en el sentido contrario al

deseado bastará con cambiar dos fases cualesquiera, y el motor girará en sentido

correcto.



1.3 CLASIFICACIÓN

Los motores eléctricos se pueden clasificar de varias maneras: por el tipo de

alimentación, por el número de fases de alimentación, por su velocidad de giro, por el

tipo de rotor, entre otras. A continuación se presenta un esquema de esta clasificación.

Fig.3 Clasificación de los motores eléctricos.

Los motores de corriente alterna, se usan mucho en la industria, sobretodo, el motor

trifásico asíncrono de jaula de ardilla. Los de corriente continua, suelen utilizarse

cuando se necesita precisión en la velocidad, montacargas, locomoción, etc. Los

motores universales funcionan tanto con corriente alterna como continua, se usan

mucho en electrodomésticos, son los motores con colector.

También pueden clasificarse de acuerdo al tipo de rotor: motores de anillos rozantes,

motores con colector y motores de jaula de ardilla.



Algunas sub clasificaciones que pueden encontrarse dentro de los motores síncronos son

los motores síncronos trifásicos, los motores asíncronos sincronizados y los motores con

un rotor de imán permanente. Dentro del número de fases de alimentación se tienen

motores monofásicos, bifásicos, trifásicos, motores con arranque auxiliar bobinado, con

arranque auxiliar bobinado y con condensador.

1.4 MOTORES DE INDUCCION TRIFÁSICOS

Es un motor que es construido sin el circuito principal de campo dc del motor síncrono

completo. Solo tiene los devanados de amortiguación y se llama motor de inducción

porque el voltaje del rotor (que produce la corriente y el campo magnético del rotor) es

inducido en los devanados del rotor en lugar de estar físicamente conectados a través de

alambres. Los motores de inducción tienen la característica de que no necesitan una

corriente dc de campo externa para poder operar, es decir, que ellos mismos tienen la

capacidad de inducir el voltaje del interior del rotor.

Existen dos tipos diferentes de rotores que pueden disponerse dentro del estator de un

motor de inducción, uno de ellos se llama jaula de ardilla y el otro es llamado rotor

devanado.

1.4.1 MOTORES DE JAULA DE ARDILLA

Un rotor jaula de ardilla consiste en una serie de barras conductoras dispuestas entre

ranuras labrada en la cara del rotor y cortocircuitadas en cada extremo por anillos de

cortocircuitado. Este diseño hace referencia a una jaula de ardilla por que los

conductores examinados en si mismos se parecen a la rueda de ejercicio de las ardillas o

hámster.



Fig. 4 Motor de inducción de jaula de ardilla.

1.4.1.1 Funcionamiento

Fig. 5 Rotor de un motor de inducción de jaula de ardilla.

Al aplicar al estator un conjunto trifásico de voltajes, un conjunto trifásico de corrientes

estatóricas se crean que producen un campo magnético que rota a la velocidad

sincrónica. Este campo magnético rotacional pasa sobre las barras de rotor e induce

voltaje en ellas. El voltaje inducido en una barra determinada del rotor está dado por la

ecuación ( ) , donde es la velocidad de la barra relativa al campo

magnético, es el vector de densidad de campo y es la longitud del conductor.



La velocidad de las barras de la parte superior del rotor, con relación al campo

magnético, tiende en sentido contrario de modo que el voltaje inducido en las barras

inferiores es contrario a las superiores y esto origina un flujo de corriente en las barras.

Como el conjunto del rotor es inductivo, la corriente pico del rotor queda en atraso con

relación al voltaje pico del rotor, por lo que el flujo de corriente del rotor produce un

campo magnético del rotor .

El par inducido de la maquina está dado por . Y eso implica que la

dirección del par resultante va en sentido del campo rotatorio y entonces el rotor se

acelera en esa dirección.

Sin embargo existe un límite superior finito para la velocidad del motor. Si el rotor

estuviera rotando a la velocidad del sincronismo, las barras del rotor serian estacionarias

con respecto al campo magnético y no habría voltaje inducido, y por ello mismo no

habría corriente en el rotor no tampoco campo magnético rotórico, con esto el par

inducido seria cero y el rotor se frenaría como resultado de las perdidas por rozamiento.

En consecuencia un motor de inducción puede acelerar hasta una velocidad cercana a la

de sincronismo pero nunca puede alcanzarla por completo. En operación normal los

campos magnéticos del rotor y estator rotan conjuntamente a la velocidad de

sincronismo, mientras que el rotor en si gira a una velocidad menor.

1.4.1.2 Potencia y par de salida.

La potencia de salida del motor se ve reducida por las pérdidas que existen desde la

entrada de la potencia eléctrica hasta la salida de la potencia mecánica.

Dentro de estas pérdidas se encuentran:

Perdidas en el cobre del estator

Perdidas en el núcleo ( producidas por la histéresis y corrientes parasitas)

Perdidas por rozamiento propio y del aire

Perdidas misceláneas

En el caso del par de salida, desde el punto de vista físico, la ecuación del par de salida

es la siguiente:



De las ecuaciones se observa que el par inducido depende del ángulo entre ambos

campos magnéticos, cabe destacar que para operación en vacío, el valor de los campos

magnéticos y del ángulo formado entre ellos es pequeño y en la presencia de cargas

grandes el valor de las tres características también aumenta.

Fig. 6 Campos magnéticos a) para cargas ligeras b) cargas pesadas.

1.4.1.3 Curva característica par-velocidad

Esta curva característica brinda información valiosa del motor, por ejemplo:

1. El par de inducido del motor es cero en la velocidad de sincronismo

2. El par máximo no puede ser excedido

3. El par de arranque es mayor que el par a plena carga, por lo tanto el motor

arrancara portando cualquier carga que pueda alimentar a plena potencia

4. El par inducido varía con el cuadrado del voltaje aplicado.



Fig. 7 Curva característica par velocidad de un motor de inducción.

1.4.1.4 Clases de diseño de motores de inducción .Clasificación según la NEMA

Es posible producir gran variedad de curvas par-velocidad cambiando las características

del rotor de los motores de inducción. La International Electrotechnical Commission

(IEC) y la National Electrical Manufacturers Association (NEMA) han definido una

serie de diseños estándar. Estos diseños estándar se relacionan con las clases de diseño,

de modo que un motor individual puede ser relacionado con un motor de diseño o clase

específico.

Los diseños son la Clase A, Clase B, Clase C y Clase D.

Fig. 8 Curva característica par-velocidad de diferentes clases de motor de inducción.

Diseño Clase A

Son de diseño estándar con un par de arranque y corriente de arranque normal y bajo

deslizamiento. El par máximo es 200% o 300% el de plena carga y ocurre a un



deslizamiento menor de 20%. El par de arranque equivale por lo menos al nominal de

los motores grandes y 200% o más para los motores pequeños.

El problema principal de esta clase es la alta corriente de irrupción en el arranque. Si la

potencia sobrepasa 7.5 hp se debe utilizar alguna forma de voltaje reducido para evitar

caídas de voltaje en el sistema de potencia al cual están conectados.

Últimamente estos motores han sido reemplazados por motores clase B.

Aplicaciones:

Se usan en ventiladores, sopladores, bombas, tornos y otras máquinas herramientas.

Diseño Clase B

Tienen par de arranque normal, baja corriente de arranque y bajo deslizamiento.

Produce casi el mismo par de arranque que el de clase A con cerca de 25% menos

corriente. El par máximo es mayor o igual a 200% del par de carga nominal, pero menor

que el de diseño clase A, debido al aumento de la reactancia del rotor. El deslizamiento

es bajo (menor del 5%) aun a plena carga.

Aplicaciones:

Bombas centrífugas, ventiladores, sopladores y máquinas herramientas como

rectificadoras y tornos.

Las aplicaciones son parecidas a los de clase A, pero se prefieren estos porque requieren

poca corriente de arranque, por lo cual los han reemplazado ampliamente.

Diseño Clase C

Tiene alto par de arranque con bajas corrientes de arranque y bajo deslizamiento (menos

de 5%) a plena carga. El par máximo es un poco menor que el de clase A, mientras que

el par de arranque es hasta 250% del de plena carga. Son construidos con rotores de

doble jaula de ardilla, son los más costosos.

La corriente de arranque suele ser menor que para la clase B, para el mismo par

torsional de arranque. La regulación de velocidad es buena y más o menos igual que

para el tipo B.

Aplicaciones:

Se utilizan para cargas con alto par de arranque: bombas, compresores y

transportadores, sistemas de refrigeración y en molinos de bolas o de rodillos.



Diseño Clase D

Tiene alto par de arranque (275% o más del nominal) y una baja corriente de arranque,

tienen alto deslizamiento a plena carga debido a la resistencias rotóricas, alrededor de 7-

11%. La regulación de velocidad es mala y arroja grandes cambios de velocidad con

cargas variables. A veces se le denomina motor de alto deslizamiento.

Aplicaciones:

Se usa para aplicaciones que requieren acelerar cargas de inercias muy altas, en especial

grandes volantes utilizados en troqueladoras o cortadoras.

La mala regulación de velocidad se usa como ventaja en algunas aplicaciones como

cizallas, prensas de freno para lámina, grúas, elevadores y bombas de pozo petrolero.

Al permitir que el motor desacelere bastante cuando aumentan las cargas, el sistema

tendrá una respuesta suave y reducirá los choques y tirones a que se somete el sistema

de accionamiento y la máquina conducida.

1.4.2 MOTORES DE ROTOR DEVANADO

El otro tipo de rotor es el rotor devanado, el cual tiene un grupo completo de devanados

trifásicos que son las imágenes especulares de los devanados del estator. Las fases de

los devanados del rotor están conectados usualmente en y los extremos de los tres

alambres del rotor están unidos a anillos rozantes dispuestos sobre el eje del rotor. Los

devanados del rotor están cortocircuitados a través de escobillas montadas en los anillos

rozantes. En este tipo de rotor, sus corrientes rotóricas son accesibles en las escobillas

del estator, donde pueden ser examinadas y donde se puede insertar resistencia extra al

circuito del rotor.

Se debe hacer notar que los motores de inducción con rotor devanado son más costosos

que los de rotor de jaula de ardilla y requieren mayor mantenimiento debido al desgaste

asociado con las escobillas y a sus anillos rozantes, debido a estas razones, los motores

de inducción con rotor devanado tienen muy poca utilización.

Este tipo de rotor tiene devanados eléctricos conectados a través de anillos deslizantes al

circuito exterior de corriente. La inserción selectiva de resistencia en el circuito del rotor

permite adaptar el funcionamiento del motor a las necesidades del sistema, y permite

cambiar con facilidad relativa para responder a cambios del sistema, o para variar en

realidad la velocidad del motor.



1.4.2.1 Curva característica par-velocidad

El par del motor es proporcional al cuadrado del voltaje de alimentación y está en

relación inversa con el tamaño de las impedancias del estator y la reactancia del rotor.

Cuanto menores sean las reactancias de una máquina, mayor es el par máximo que

puede desarrollar. El deslizamiento al cual ocurre el deslizamiento es directamente

proporcional a la resistencia del rotor, pero el valor del par máximo es independiente del

valor de la resistencia del rotor.

Las figura 9 muestra los resultados obtenidos al cambiar la resistencia en el circuito del

rotor. Las cuatro curvas pertenecen al mismo motor, la curva cero representa el

funcionamiento sin resistencia eléctrica, se parece al diseño clase B. Las curvas 1, 2 y 3

muestran el funcionamiento con valores de resistencia cada vez mayores. De esta

manera, el par torsional de arranque y le regulación de le velocidad (suavidad) pueden

adaptarse a la carga. Puede obtenerse un ajuste de la velocidad bajo determinada carga

hasta en 50% de la velocidad con carga total.

Fig. 9 Curva velocidad-par para cambios en la resistencia del rotor.

En la figura 10 se muestra la forma como se regula esta resistencia, por medio de

resistencias externas.



Fig. 10 Motor devanado con control por resistencias externas.

1.4.2.2 Aplicaciones

Es posible sacar ventaja de esta característica de los motores de inducción de rotor

devanado para arrancar cargas muy pesadas. Si se inserta una resistencia en el circuito

del rotor, se puede ajustar el máximo par para que ocurra en las condiciones de

arranque. Entonces el par máximo posible estaría disponible para arrancar cargas

pesadas. Por otra parte, cuando la carga esta en movimiento, se puede quitar la

resistencia extra del circuito y el par máximo llegará cerca de la velocidad sincrónica de

operación normal.

El motor de rotor devanado se utiliza en aplicaciones como prensas de imprenta, equipo

para triturar, transportadores y malacates.

1.5 MOTORES DE INDUCCION MONOFÁSICOS

Los Motores monofásicos se utilizan extensamente en el rango de potencias fraccionaria

basta 1.5-2 kW, deben, su nombre a que para su funcionamiento só1o requieren

disponer de una alimentación monofásica. Su modelación se establece aprovechando el

circuito equivalente obtenido para los motores de inducción trifásicos. Su principal

inconveniente es que carecen de torque de partida por lo cual debe incluirse algún

sistema para su arranque.

La necesidad del motor de inducción monofásico se explica de la siguiente forma:

existen muchas instalaciones, tanto industriales como residenciales a las que las

distribuidoras de energía eléctrica solo proporciona un servicio de CA monofásico.

Además en todo lugar casi siempre hay necesidad de motores pequeños que trabajen

con suministro monofásico para impulsar diversos artefactos electrodomésticos.



La mayoria de los motores monofásicos son pequeños, de caballaje fraccionario, es

decir menos de 1hp, sin embargo se pueden fabricar con un caballaje superior: 1, 1.5, 2,

3, 5, 7.5 y 10 hp tanto para 115V como para 230V en servicio monofásico e incluso

para 440V entre los limites de 7.5 y 10 hp. Aunque existen tamaños especiales que van

desde algunos cientos hasta algunos de miles de hp en servicio de locomotoras, con

motores de serie monofásicos de ca.

1.5.1 FUNCIONAMIENTO

Puesto que solo existe una fase en los devanados del estator el campo magnético no

rota, en lugar de esto pulsa primero con gran intensidad y luego lo hace con menor

intensidad, pero en la misma dirección, esto conlleva que el motor no tenga par de

arranque. Es por ello que se utilizan diferentes métodos para iniciar el giro del motor.

Puesto que el campo magnético no rota, no hay movimiento relativo entre el campo del

estator y las barras del rotor, por ello no se produce voltaje inducido por el movimiento

relativo, no fluye corriente por dicho movimiento y por lo tanto no hay par de arranque.

Sin embargo, se induce un voltaje en las barras del rotor por acción de transformador

y como dichas barras están cortocircuitadas se produce corriente.

Pero este campo magnético esta alineado con el campo magnético del estator y no

produce par neto sobre el motor.

Como el rotor esta detenido, el motor parece un transformador con el devanado

secundario cortocircuitado.

El hecho de que los motores de induccion no posean par intrinseco de arranque fue un

impedimiento grave para su desarrollo temprano. El comienzo del desarrollo de los

motores de induccion fue a finales de la decada de 1880 y a principios de la decada de

1890, lo primeros motores de induccion eran monofasicos a 133 Hz. Con los materiales

y tecnicas disponibles entonces, fue imposible construir un motor que funcionara bien.

El motor de induccion solo llego a ser un producto comercial cuando se desarrollaron

los sistemas de potencia trifasicos de 60 Hz a mediados de la decada de 1890.

Sin embargo una vez que el motor comiena a girar, se induce un par en el. Existen dos

teorias basicas que explican el porque se produce un par en el rotor una vez comienza a

girar, cada una de ellas se describiran a continuacion.

1.5.1.1 Teorías de funcionamiento



Teoría de doble campo giratorio.

La teoría de doble campo giratorio de los motores de inducción monofásicos establece

que un campo magnético estacionario pulsante se puede transformar en dos campos

magnéticos rotacionales de igual magnitud pero en sentido opuesto, el motor responde a

cada uno de los campos magnéticos por separado y el par neto en la maquina será la

suma de los pares debido a cada uno de los dos campos magnéticos.

Fig. 11 (a) Característica torque-velocidad de un motor trifásico. (b) curvas par-

velocidad de los dos campos magnéticos estatóricos iguales y que rotan en direcciones

opuestas.

La característica par-velocidad de un motor de inducción trifásico, resultado de su

único campo magnético rotacional se muestra en la ¡Error! No se encuentra el origen

e la referencia.figura 11.

Un motor de inducción monofásico responde a cada uno de los dos campos magnéticos

presentes en el, en consecuencia, el par inducido neto en el motor es la diferencia entre

las dos curvas par-velocidad, en la figura 12, se muestra este par neto, debe notarse que

a velocidad cero no hay par neto; de ahí que el motor no tenga par de arranque.

La caracteristica par-velocidad mostrada en la figura no es una descripción muy exacta

del par de un motor de inducción monofásico. Esta se formó por superposición de dos

características trifásicas e ignoro el hecho de que ambos campos magnéticos están

presentes simultáneamente en el motor monofásico.



Fig. 12 Característica par-velocidad de un motor monofásico de inducción, teniendo en

cuenta la limitación de corriente sobre el campo magnético rotacional inverso, causada

por la presencia del campo magnético rotacional directo.

Teoría de campo cruzado.

La teoría de campo cruzado en los motores monofásicos de inducción estudia el motor

de inducción desde el punto de vista diferente. Esta teoría se ocupa de los voltajes y

corrientes que el campo magnético estacionario del estator puede inducir en las barras

del rotor cuando éste está en movimiento.

Si un motor monofásico de inducción cuyo rotor se ha puesto en marcha por algún

medio externo, en las barras del rotor se induce voltaje cuyo valor pico ocurre en los

devanados que pasan directamente bajo los devanados del estator. Estos voltajes

rotóricos producen un flujo de corriente en el rotor pero, debido a la alta reactancia de

este, la corriente atrasa el voltaje en casi . Puesto que el rotor gira cerca de la

velocidad síncrona, esos de atraso en la corriente producen un desplazamiento

angular de casi entre el plano del voltaje pico del rotor y el plano de la corriente

pico.

El campo magnético del rotor es un tanto menor que el del estator debido a las perdidas

en el rotor, difieren cerca de tanto en espacio como en tiempo. Si se suman en

diferentes tiempos estos dos campos magnéticos, se observa que el campo magnético

total en el motor está rotando. Con un campo magnético rotacional presente en el motor

de inducción, este desarrollara un par neto en la dirección del movimiento y ese par

mantendrá girando al motor.

1.5.1.2 Métodos de arranque



El motor monofásico de inducción no tiene un par de arranque intrínseco. Esto podría

limitar grandemente sus aplicaciones pues gran cantidad de sistema requieren un par

elevado de arranque. Sin embargo existen tres técnicas para arrancar con carga, se

clasifican por el método utilizado para producir el par de arranque, estas son:

1. Devanados de fase partida

2. Devanados con capacitor

3. Polos estatóricos sombreados

Todas estas técnicas tienen como fin último, lograr que uno de los dos campos

magnéticos giratorios sea más fuerte que el otro en el motor y, en consecuencia, dar a

este apoyo inicial en una u otra dirección.

1.5.2 MOTOR DEVANADO DE FASE PARTIDA

Un motor de fase partida, es un motor de inducción monofásico de dos devanados

estatóricos, uno principal (M) y otro auxiliar (P).

Como la corriente en el auxiliar adelanta la corriente del devanado principal, el campo

magnético alcanza su valor máximo antes que el campo magnético principal , en

consecuencia el campo magnético rota en la dirección de . Este campo provee un par

de arranque.

El devanado principal está conectado en forma continua con la corriente y el devanado de

arranque conectado solo durante el arranque del motor. El devanado de arranque crea un

pequeño desplazamiento de fase, el cual a su vez cauda el par torsional inicial para arrancar y

acelerar el rotor. Después de que el rotor llega a 75% de su velocidad sincrónica, un interruptor

centrífugo desconecta el devanado de arranque y el rotor continúa trabajando con el devanado

principal. El escalón en la curva indica esta desconexión.



Fig. 13 Característica par-velocidad resultante

Tiene un par de arranque moderado, aproximadamente el 150% del de plena carga.

Tiene buena eficiencia y está diseñado para un funcionamiento continuo. La regulación

de velocidad es buena.

Fig. 14 Esquema de motor de fase partida.


Se utilizan en máquinas de negocios en electrodomésticos, bombas centrífugas,

ventiladores, maquinas herramientas, podadoras eléctricas de césped y aplicaciones

parecidas.

1.5.3 MOTOR DE ARRANQUE POR CAPACITOR

En este caso e dispone de un capacitor en serie con el devanado auxiliar del motor.

Seleccionando de manera adecuada el tamaño del capacitor, la fuerza magneto motriz

de la corriente de arranque en el devanado auxiliar puede ajustarse para igualar la fuerza



magneto motriz del devanado principal, y puede lograrse que el ángulo de fase de la

corriente del devanado auxiliar adelante en 90° la corriente del devanado principal. En

este caso el motor se comportará como si estuviera conectado a una fuente trifásica,

proporcionando un mayor par de arranque.

Fig. 15 Curva característica par-velocidad

Tiene dos devanados, el principal y el de arranque, un capacitor está conectado en serie

con el devanado de arranque y produce un par torsional de arranque mayor que para el

de fase partida. Es de 250% o más que el de plena carga. También se usa un interruptor

centrífugo. Tiene buena regulación de velocidad y buena eficiencia en funcionamiento

continuo. La desventaja es el interruptor y el capacitor es voluminoso.

Fig. 16 Esquema de motor de arranque por capacitor.




Se usan mucho en máquinas que necesitan alto par de arranque como los

transportadores de carga muy pesada, compresores de refrigeración, y las bombas y

agitadores para líquidos densos.

1.5.4 MOTOR DE CAPACITOR Y FASE PARTIDA PERMANENTE

Se conecta siempre un capacitor en serio con el devanado de arranque. El par de

arranque suele ser muy bajo, un 40% del de plena carga.

La ventaja es que se puede adaptar el funcionamiento de marcha, y la regulación de

velocidad, para que sean adecuados para la carga, al seleccionar el valor adecuado de

capacitancia. No requiere interruptor centrífugo.

Fig. 17 Curva característica par-velocidad



Fig. 19 Esquema de motor de arranque por capacitor.


Se usa en cargas con poca inercia como en ventiladores y sopladores.

1.5.5 MOTOR DE POLOS SOMBREADOS

Es básicamente un pequeño motor de jaula de ardilla que además solo tiene devanado

principal y en lugar de un devanado auxiliar unos polos salientes y una parte de cada

polo está envuelta por una bobina cortocircuitada llamada bobina de sombreo. El

devanado principal es una bobina simple conectada a la fuente de CA. La bobina

produce un flujo total que se puede considerar constituido por tres componentes ,

y , todo en fase.



Fig. 20 Motor de polos sombreados.

Solo tiene un devanado, el principal o de marcha. La reacción para el arranque se

produce por la presencia de una banda de cobre alrededor de un lado de cada polo, la

banda, con baja resistencia “sombrea” el polo y produce un campo magnético rotatorio

para arrancar el motor.

Sin embargo el método de polos sombreados produce menor par de arranque que

cualquier otro tipo de arranque de motores de inducción, poco costoso pero tiene baja

eficiencia, regulación de velocidad mala y debe enfriarse con ventilador durante su

funcionamiento normal.

Fig. 21 Característica par-velocidad de motor de polo sombreado.




Se usa principalmente en ventiladores y sopladores montados en el eje, donde el aire se

hace pasar sobre el motor. En algunas bombas pequeñas, en juguetes y

electrodomésticos de uso intermitente, debido a su bajo costo.

1.6 MOTORES SÍNCRONOS

Este motor es totalmente distinto del motor de inducción con jaula de ardilla o rotor

devanado, trabaja a la velocidad sincrónica, sin deslizamiento.

Los motores síncronos son máquinas síncronas que se utilizan para convertir potencia

eléctrica en potencia mecánica de rotación. La característica principal de este tipo de

motores es que trabajan a velocidad constante que depende solo de la frecuencia de la

red y de otros aspectos constructivos de la máquina. A diferencia de los motores

asincrónicos, la puesta en marcha requiere de maniobras especiales a no ser que se

cuente con un sistema automático de arranque. Otra particularidad del motor síncrono es

que al operar de forma sobreexcitado consume potencia reactiva y mejora el factor de

potencia.

Fig. 22 Motor síncrono motor síncrono trifásico con anillos rozantes y conexión en

estrella.

1.6.1 PRINCIPIO BÁSICO DE OPERACIÓN.

Debe arrancarse y acelerarse con un medio distinto a sus mismos componentes, porque

producen un par torsional muy pequeño cuando su velocidad es cero. En forma típica

habrá un devanado aparte del tipo de jaula de ardilla, dentro del rotor normal, que

acelera el principio el eje del motor. Cuando la velocidad del motor esta a unos puntos

porcentuales de la velocidad sincrónica, se puede excitar los polos del campo del motor

y el motor entra en sincronismo. En ese momento, la jaula de ardilla se vuelve



ineficiente y el motor continua trabajando a su velocidad normal, sin importar las

variaciones en la cargas, hasta un límite llamado par torsional de desenganche. Una

carga mayor que el par torsional de desenganche saca al motor se sincronía y lo hace

parar.

Para un motor síncrono de dos polos, la corriente de campo del motor produce un

campo magnético , luego un conjunto trifásico de voltajes se aplica al estator de la

maquina, el cual produce un flujo de corriente trifásica en los devanados. Este conjunto

trifásico de corrientes en el devanado produce un campo magnético uniforme rotacional

. En este caso están presentes los dos campos magnéticos en la maquina, de esta

manera el campo magnético rotatorio de la maquina tiende a alinearse con el campo

estatórico, es debido a esto que se produce el movimiento del motor, ya que el campo

producido por el rotor siempre “persigue” al campo magnético del estator, cabe

destacar que el campo estatórico es también rotacional, gracias a esta característica, el

motor convierte la potencia eléctrica en mecánica.

El valor del torque producido por el motor depende del ángulo entre los campos

magnéticos (pero hasta cierto punto), entre mayor sea el ángulo, mayor es el par sobre

el rotor de la máquina.

Fig. 23 Motor Síncrono de dos polos.

La condición necesaria para que la maquina sea un motor síncrono, es que el campo

magnético del rotor vaya detrás del campo magnético del estator, como ya se mencionó,

a mayor ángulo entre ambos campo, se producirá un mayor torque, la figura siguiente

muestra el diagrama del campo magnético resultante.



Fig. 24 Diagrama del campo magnético del motor síncrono

1.6.2 CURVA CARACTERÍSTICA PAR-VELOCIDAD

Los motores síncronos suministran potencia a cargas, las cuales son dispositivos de

velocidad constante. Al estar conectados a sistemas de potencia mucho más grande que

los motores individuales, los sistemas de potencia aparecen como barrajes infinitos

frente a los motores. Esto significa que el voltaje en los terminales y la frecuencia del

sistema serán constantes e independientes de la cantidad de potencia tomada por el

motor. La velocidad por lo tanto estará asociada a la frecuencia eléctrica aplicada, de

modo que la velocidad del motor es independiente de la carga. Esto se puede observar

en la siguiente ecuación:

Donde es el número de polos, es la velocidad de sincronismo y es la

frecuencia eléctrica del sistema.

La velocidad en estado estacionario del motor es constante desde vacío hasta el par

máximo que el motor puede entregar. La regulación de velocidad para los motores

síncronos es .

La ecuación de par es la siguiente . La ecuación indica que el

máximo par ocurrirá cuando , sin embargo, los valores normales de plena carga

son mucho menores que el par máximo.



Fig. 25 Curva característica par-velocidad de un motor síncrono. Puesto que la

velocidad es constante, su regulación de velocidad es cero.

1.6.3 APLICACIONES

Se consiguen de tamaños entre subfracionarios para relojes e instrumentos hasta varios

cientos de caballos de potencia, para impulsar grandes compresores, bombas o

sopladores.

Una de las aplicaciones más importantes de los motores síncronos, es que estos tienen la

capacidad de adelantar el factor de potencia de un sistema. En la mayoría de sistemas,

siempre existe la presencia de cargas inductivas, es por ello que se deben colocar cargas

capacitivas que adelanten el factor de potencia. Con un motor síncrono esto es posible,

esto ayudara a bajar los costos del sistema, ya que este aporta potencia reactiva y

puesto que esta no viaja en líneas de transmisión de alta resistencia, la corriente de

transmisión disminuye y con ello, como se mencionó anteriormente, los costos.

Hay muchas cargas que pueden trabajar con velocidad constante y con ello aceptar un

motor síncrono, sin embargo, puede existir a posibilidad que las cargas del sistema

necesiten velocidad variable, por lo tanto el motor síncrono operará en vacío, en este

caso se les llama capacitor síncrono. Cuando se presenta esta aplicación, el motor no

tiene salida para poder conectar una carga, es decir, el eje no salía del marco del motor,

sin embargo en la actualidad los capacitores estáticos convencionales resultan más

económicos (en costo y utilización) que los capacitores síncronos.

Por lo general un motor síncrono es más caro que un motor de inducción convencional,

sin embargo su capacidad de operación de este a factores de potencia en adelanto para

corregir el factor de potencia del sistema ahorra dinero a las plantas industriales.



1.7 MOTORES DC

La máquina de corriente continua puede ser utilizada tanto como generador o como

motor, aunque en la actualidad su uso está dado como motor, ya que la generación de

energía en corriente continua se logra mediante equipos rectificadores, de mejor

eficiencia y menor costo.

En cuanto a su uso como motor, tiene gran importancia en la industria automotriz ya

que los vehículos, cuentan con un número importante de motores de pequeña potencia

(limpiaparabrisas, motor de arranque, levanta vidrios, calefactor, etc.)

1.7.1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

En el estator se origina el campo principal, el cual representaremos por un flujo

magnético.

La alimentación del rotor se efectúa con corriente continua, manteniendo la polaridad de

la máquina, tal como se muestra en la figura:

Fig. 26 Alimentación del rotor de un motor de corriente continua.

En la posición del rotor mostrada la corriente a la armadura entra por el borne positivo

de la máquina, haciendo el recorrido indicado por las flechas. De acuerdo al sentido de

la corriente en cada conductor y dado que los mismos están en presencia del campo

magnético originado por el estator, sobre ellos aparecen fuerzas con el sentido indicado.

Estas fuerzas producen un par que hace girar al mismo. Luego de un giro de 90°, los

carbones cortocircuitan las delgas, por lo que la corriente de alimentación se cierra a

través de las mismas, tal como se muestra en la figura:



Fig. 27 Circulación de la corriente en la armadura cuando se cortocircuitan las delgas

En este instante la corriente no circula por la espira, lo cual trae aparejado que no

originen fuerzas, pero la máquina sigue girando ya que tiene otros conductores que

aportan que no se han colocado para simplificar el estudio.

Al seguir girando la máquina la corriente en los conductores del rotor invierte su sentido

de circulación de forma tal que siguen aportando par en el mismo sentido, tal como se

muestra en la figura:

Fig. 28 Sentido de circulación de la corriente en la armadura después de un giro superior

a 90°

En el motor también por el hecho de tener los conductores del rotor, girando en

presencia de un campo magnético, se induce en los mismos una fuerza electromotriz,

que en este caso se llama contra electromotriz.

Los motores DC son accionados por una fuente de potencia DC. A menos que se

especifique lo contrario, se supone que el voltaje de entrada es constante, puesto que



esta suposición simplifica el análisis de los motores y la comparación entre los

diferentes tipos de ellos.

Motores DC de uso general:

1. El motor DC devanado en paralelo.

2. El motor DC devanado en serie.

3. El motor DC devanados compuestos.

4. El motor DC de imán permanente.

1.7.2 EL MOTOR DC DEVANADO EN PARALELO

El campo electromagnético se conecta en paralelo con la armadura giratoria. La curva

velocidad-par muestra una regulación de velocidad relativamente buena hasta

aproximadamente el doble del par de carga total, y la velocidad disminuye con rapidez

después de ese punto. La velocidad en vacío solo es un poco mayor que la velocidad a

carga total.

Se usan principalmente en ventiladores y sopladores pequeños.

Fig. 29 Curva velocidad- par el motor DC devanado en paralelo

1.7.3 EL MOTOR DC DEVANADO EN SERIE

El campo electromagnético se conecta en serie con la armadura giratoria. La curva

velocidad-par es una pendiente, dando al motor un funcionamiento suave.



El par de arranque es muy alto, hasta 800% del par torsional nominal de carga total.

Una desventaja es que, teóricamente la velocidad sin carga es ilimitada, el motor podría

llegar a una velocidad peligrosa si se desconectara la carga por accidente. Se debe usar

detectores de sobrevelocidad, que desconecten la corriente.

Es adecuado para grúas, malacates y dispositivos de tracción para vehículos.

Fig. 30 Curva velocidad- par el motor DC devanado en serie

1.7.4 EL MOTOR DC DEVANADOS COMPUESTOS

Emplea un campo en serie y un campo en paralelo. Tiene un funcionamiento al

intermedio entre el devanado serie y paralelo. Posee un par torsional de arranque

bastante alto y una característica suave de rapidez, pero tiene una velocidad en vacío

controlada en forma inherente.

Es adecuado para grúas, que pueden perder de repente sus cargas. Trabaja lento cuando

la carga es grande para mayor control y seguridad, y más rápido cuando la carga es

ligera para aumentar la productividad.



Fig. 31 Curva velocidad- par el motor DC devanado compuesto

1.7.4 EL MOTOR DC DE IMÁN PERMANENTE

En lugar de usar electroimanes, este motor usa imanes para producir el campo para la

armadura. La corriente directa pasa por la armadura. El campo es casi constante siempre

y da como resultado una curva lineal de velocidad-par. También la corriente tomada

varía linealmente con el par.

Se aplica en ventiladores y sopladores para enfriar paquetes de circuitos electrónicos en

aviones, actuadores pequeños de control en aviones, respaldo de potencia en

automóviles, para ventanas y asientos, y ventiladores en automóviles, para calefacción y

acondicionamiento de aire. Con frecuencia, esos motores tienen reductores de velocidad

integrales, para producir una salida de baja velocidad y alto par torsional.



Fig. 32 Curva velocidad- par el motor DC de imán permanente

1.8 MOTORES UNIVERSALES

El motor universal es un tipo de motor eléctrico que puede funcionar tanto con corriente

continua como con corriente alterna. Dichos motores poseen recubiertos o laminados

los polos de campo y la carcasa del estator para evitar así que las pérdidas en el núcleo

no sean muy grandes.

Fig. 33 El motor universal.

El motor universal no corre peligro de embalarse debido a que por ser de pequeñas

dimensiones, la potencia correspondiente a las pérdidas mecánicas representa un

elevado porcentaje. No obstante, cuando funcionan en vacío, el rotor llega alcanzar una

velocidad muy grande, hasta de 20.000 rpm, que no es peligrosa en este tipo de motor.

1.8.1 CONSTITUCIÓN

Es similar a la de un motor serie de corriente continua, aunque con algunas

modificaciones:

Los núcleos polares, y todo el circuito magnético, están construidos con chapas

de hierro al silicio aisladas y apiladas para reducir la pérdidas de energía por

corrientes parásitas que se producen a causa de las variaciones del flujo

magnético cuando se conecta a una red de corriente alterna.

Menor número de espiras en el inductor con el fin de no saturar magnéticamente

su núcleo y disminuir así las pérdidas por corrientes de Foucault y por histéresis,

aumentar la intensidad de corriente y, por lo tanto, el par motor y mejorar el

factor de potencia.



El rotor tiene bobinas eléctricas conectadas con el circuito externo a través de un

conmutador en el eje, que es un tipo de ensamble de anillos deslizantes formado por

varios segmentos de cobre, sobre los que cabalgan las escobillas de carbón

estacionarias. El contacto se mantiene con una ligera presión de resortes.

1.8.2 CARACTERÍSTICAS DE FUNCIONAMIENTO

En corriente continua es un motor serie normal con sus mismas características.

En corriente alterna se comporta de manera semejante a un motor serie de

corriente continua. Como cada vez que se invierte el sentido de la corriente, lo

hace tanto en el inductor como en el inducido, con lo que el par motor conserva

su sentido.

Menor potencia en corriente alterna que en continua, debido a que en alterna el

par es pulsante. Además, la corriente está limitada por la impedancia, formada

por el inductor y la resistencia del bobinado. Por lo tanto habrá una caída de

tensión debido a la reactancia cuando funcione con corriente alterna, lo que se

traducirá en una disminución del par.

Mayor chispeo en las escobillas es ocasionado por la acción del transformador

que induce voltajes en los devanados bajo conmutación. Estas chispas acortan la

vida de las escobillas y puede ser fuente de radio interferencia en algunos

medios.

1.8.3 CURVAS PAR-VELOCIDAD

Fig. 34 Comparación característica par-velocidad de un motor universal cuando opera

conectado a fuentes AC y DC.



En la figura anterior se muestra una característica típica par-velocidad de un motor

universal. Esta característica difiere de la característica par-velocidad de la misma

máquina que opera conectada a una fuente de voltaje dc por dos razones:

1. Los devanados del inducido y de campo tienen reactancias bastantes grandes.

Una parte significativa del voltaje de entrada caen a través de estas reactancias;

por tanto, es menor para un voltaje de entrada dado durante la operación ac

que durante la operación dc. Puesto que para una corriente del

inducido y un par inducidos dados el motor es más lento en corriente alterna que

en corriente continua

2. Además, el voltaje máximo de un sistema ac es √ veces su valor rms,de modo

que podría ocurrir saturación magnética, cerca de la corriente máxima de la

máquina. Esta saturación podría reducir significativamente el flujo rms del

motor para un nivel de corriente dado y tiende a reducir el par inducido de la

máquina.

A continuación se muestran un conjunto de típico de curvas velocidad-par torsional para

una versión de motor universal de alta velocidad, se muestra el funcionamiento para

corriente alterna de 60Hz y 25 Hz, y para DC. Observe que la operación cerca de la

carga nominal es parecida, independientemente de la naturaleza de la corriente. Tiene

una mala regulación de velocidad.



Fig. 35 Curvas de operación de un motor universal.

1.8.4 VENTAJAS

Que pueden construirse para cualquier velocidad de giro y resulta fácil conseguir

grandes velocidades

Poseen un elevado par de arranque.

La velocidad se adapta a la carga.

1.8.5 APLICACIONES

El uso de estos motores en corriente alterna está muy extendido por el mayor par de

arranque respecto al de los motores de inducción y por su elevada velocidad de rotación,

lo que permite reducir su tamaño y su precio. Debido a las grandes velocidades de giro

se tiene una alta relación potencia a peso y de potencia a tamaño, por lo que se usa para

accionar herramientas manuales como taladros, sierras, licuadoras, electrodomésticos

pequeños, utensilios de cocina, ventiladores, juguetes, etc.

1.9 OTROS MOTORES

1.9.1 MOTOR DE RELUCTANCIA

Depende del par de reluctancia para operar. Este par es el que es inducido en un objeto

de hierro, en presencia de un campo magnético externo que obliga a que el objeto se

alinee con dicho campo.

El par de reluctancia aparece cuando el campo externo induce un campo magnético

interno en el hierro del objeto y por lo tanto aparece un par entre los dos campos, que

gira el objeto hasta alinearlo con el campo externo.



Fig. 36 Estator y rotor de un motor de reluctancia.

El par aplicado a este motor es proporcional a ( ) donde es el ángulo

eléctrico entre los campos magnéticos del rotor y del estator. Por lo tanto el par

de reluctancia es máximo cuando

Este es un motor sincrónico porque el rotor está ligado a los campos magnéticos

del estator hasta cuando se excede el par máximo del motor.

Este motor no tiene par de arranque.

Se puede construir un motor de reluctancia de autoarranque que opere a velocidad

sincrónica hasta que sea excedido su par de reluctancia máximo, modificando el rotor de

un motor de inducción.

Fig. 36 Rotor de un motor de reluctancia de autoarranque.

Este rotor tiene polos salientes para operación en estado estacionario como motor de

reluctancia y también tiene jaula de ardilla o devanados de amortiguación para el

arranque. El estator puede ser monofásico o trifásico.



Fig. 38 Característica par-velocidad de un motor de reluctancia de autoarranque o motor

sincrónico de inducción.

1.9.2 MOTOR DE HISTÉRESIS

Usa el fenómeno de histéresis para producir un par mecánico. El rotor es un cilindro liso

de material magnético sin dientes, protuberancias o devanados.

El estator puede ser monofásico o trifásico, si es monofásico se debe usar un capacitor

permanente con un devanado auxiliar para proveer un campo magnético tan uniforme

como sea posible y así reducir las pérdidas del motor.

Fig. 39 Motor de histéresis



Si se aplica una corriente trifásica (o monofásica al motor con devanado auxiliar) al

estator, aparece un campo magnético rotacional dentro de la máquina. Este campo

magnetiza el metal del rotor e induce polos dentro de él.

Cuando el motor opera por debajo de su velocidad sincrónica, hay dos fuentes de par

dentro de él. La mayor parte del par es producido por histéresis. Cuando el campo del

estator barre alrededor de la superficie del rotor, el flujo del rotor no puede seguirlo

exactamente debido a que el metal del rotor experimenta gran pérdida por histéresis.

Cuanto mayor sea la pérdida intrínseca por histéresis en el material del rotor, mayor es

el ángulo al cual el campo magnético del rotor atrasa al del estator. Como los campos

del rotor y del estator están a distintos ángulos, se produce un par finito en el motor.

El campo del estator produce corrientes parásitas en el rotor, las cuales producirán su

propio campo y aumentará aún más el par sobre el rotor. Cuanto mayor sea el

movimiento relativo entre el rotor y el campo magnético del estator, mayores serán las

corrientes parásitas y los pares debidos a estas.

Cuando el motor alcanza la velocidad sincrónica, el flujo del estator deja de efectuar el

barrido a través del rotor y éste actúa como un imán permanente. En consecuencia el par

inducido en el motor es proporcional al ángulo entre el rotor y el campo magnético del

estator hasta un ángulo máximo fijado por la histéresis en el rotor.

Características notables:

La cantidad de histéresis en un motor específico es función únicamente de la

densidad de flujo del estator del material del cual está elaborado, el par de histéresis

del motor es aproximadamente constante para cualquier velocidad desde cero hasta

la velocidad de sincronismo.

El par debido a las corrientes es aproximadamente proporcional al deslizamiento del

motor.

Fig. 40 Característica par-velocidad de un motor histéresis



Al tomar estos dos factores en conjunto, se ve su incidencia en la forma de la

característica par-velocidad del motor de histéresis.

Como el par de un motor de histéresis a cualquier velocidad menor a la sincrónica, es

mayor que su par máximo sincrónico, un motor de histéresis puede acelerar cualquier

carga durante su operación normal.

Se puede construir un motor de histéresis muy pequeño con polo sombreado en el

estator para crear un pequeño motor sincrónico de autoarranque y baja potencia. Se usa

como mecanismo de manejo de relojes eléctricos, y está sincronizado a la frecuencia de

la línea del sistema de potencia y es tan exacto como la frecuencia del sistema de

potencia al cual está conectado.

1.9.3 MOTOR DE AVANCE PASO A PASO

Características:

El estator es polifásico, pero no requiere fuente de suministro de potencia

trifásica.

Este motor se diseña para girar un número específico de grados por cada pulso

eléctrico recibido de su unidad de control. Los pasos típicos son 7.5 o 15° por

pulso.

Son utilizados en sistemas de control que regulan la posición del eje u otra pieza

de una máquina.

Fig. 41 Estator bipolar trifásico con rotor de imán permanente.

Se aplica un voltaje DC a la fase a del estator y no se aplica voltaje a las fases b y c, se

induce un par en el rotor, el cual lo alinea con el campo del estator.



Se desconecta la fase a y se aplica un voltaje DC negativo a la fase c. el nuevo campo

del estator rota 60° con respecto a la posición anterior y el rotor sigue girando alrededor

de ese campo. Continuando este modelo es posible construir una tabla que muestre la

posición del rotor como función del voltaje aplicado al estator del motor. Si el voltaje

producido por la unidad de control cambia con cada pulso de entrada en el orden de la

tabla 1 el motor de avance de paso a paso avanza 60° con cada pulso.

Si se quiere un motor con paso más pequeño, se aumenta el número de polos.

El número de grados mecánicos correspondientes a un número de grados eléctricos es:

Derivando la anterior ecuación con respecto al tiempo, tenemos:

Hay seis pulsos de entrada por revolución eléctrica, por lo tanto la relación entre la

velocidad del motor en rpm y el número de pulsos por minuto es

, pulsos por minuto.

Hay dos tipos básico de motores de avance paso a paso, los cuales se diferencian

únicamente en la construcción del rotor: el de imán permanente y el de reluctancia,

El motor de paso a paso de imán permanente puede producir más par que el de

reluctancia, puesto que el par proviene tanto del campo del imán permanente del rotor

como de los efectos de reluctancia.

Con frecuencia estos motores se fabrican con devanado estatórico de cuatro fases en

lugar del devanado trifásico. Un devanado de este tipo reduce los pasos entre pulso de

60° eléctricos a 45°. Esto se hace para que se produzca más par.

1.9.4 MOTOR SIN ESCOBILLAS

Opera desde una fuente de potencia DC. Los motores DC pequeños, tienen la desventaja

del excesivo chisporroteo y desgaste de las escobillas. Estos motores son demasiados

pequeños para utilizar devanados de compensación e interpolos, por lo tanto la reacción

del inducido y los efectos

tienden a producir chisporroteo en las escobillas de



conmutación. Además la alta velocidad rotacional de estos motores causa desgaste

creciente en las escobillas y requieren mantenimiento regular cada pocos miles de horas.

Si el motor debe trabajar en un ambiente de baja presión, el desgaste de las escobillas

puede ser tan grande que deben remplazarse después de poco menos de una media hora

de operación.

Para lograr un motor bastante confiable, poco ruidoso y de larga vida útil se combinan

aspectos de un motor pequeño, como un motor de avance paso a paso de imán

permanente, con un sensor de posición del rotor y un circuito de conmutación

electrónico de estado sólido.

Fig. 42 Motor DC sin escobillas y su unidad de control.

El rotor del motor DC sin escobillas es similar al del motor de avance paso a paso de

imán permanente, excepto que no es saliente. El estator puede tener tres o más fases.

Componentes básicos de un motor sin escobillas:

Un motor de imán permanente

Un estator con devanado de tres, cuatro o más fases.

Un sensor de posición del rotor.

Un circuito electrónico para controlar las fases del devanado del rotor.

Este motor funciona energizando una bobina del estator, con un voltaje constante.

Cuando se energiza la bobina, ésta produce un campo magnético estatórico y se induce

un par sobre el rotor, dado por

El cual tiende a alinear el rotor con el campo magnético del estator.

Por medio del sensor de posición, el circuito de control sabrá cuando está casi alineado

el rotor con el campo magnético del estator. En ese momento se desconecta la bobina a

y se energiza la bobina b, luego el par experimentado es en sentido contrario y continua

rotando. El proceso se repite de forma indefinida energizando las bobinas en orden a, b,

c, d, -a,-b, -c, -d, y por lo tanto el motor gira continuamente.



La electrónica del circuito de control se puede utilizar para controlar tanto la velocidad

como la dirección del motor. El efecto neto de este diseño es un motor que opera

conectado a una fuente de potencia DC con control total sobre la velocidad y la

dirección de rotación.

Este tipo de motores están disponible hasta unos 20 W, pero tiene muchas ventajas en el

rango de tamaño en el que están disponibles.

Algunas de estas ventajas son:

Relativamente alta eficiencia.

Larga vida y alta confiabilidad.

Poco o ningún mantenimiento.

Es menos ruidoso comparado con un motor con escobillas.

Son posibles muy altas velocidades (mayores a 50,000 rpm).

La principal desventaja radica en que si se tienen dos motores semejantes, el motor DC

sin escobillas es más costoso que el DC con escobillas.



CAPITULO II

MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA



2.1 GENERALIDADES

2.2 CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN

Los motores los podemos clasificar en dos tipos:

1) motores de combustión Interna

2) motores de combustión externa

2.2.1 MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA

Los motores de combustión interna son aquellos motores en los que la combustión se

realiza dentro o en el interior de una cámara de combustión esta es totalmente cerrada y

se le aporta combustible para ser quemado. Aquí podemos encontrar los motores de los

camiones y automóviles.

2.2.1.1 Clasificación De Los Motores De Combustión Interna.

La clasificación que se la da a los motores es variada y va según el tipo de combustible

que emplea, el número de cilindros que utiliza, el número de carreras por ciclo, la

disposición interna de sus elementos, etc. En resumidas cuentas estos se clasifican

según las características constructivas y de funcionamiento.

Clasificación según el tipo de combustible empleado:

Los combustibles los podemos encontrar en tres estados de materia.

1) Sólido

Un ejemplo claro de combustibles sólidos podemos encontrar el carbón mineral, es un

combustible empleado en muchas generadoras de eléctricas en el mundo, estas

generadoras se encargan de fabricar energía eléctrica, por decirlo así, para que luego

esta llegue hasta nuestros hogares.

2) Líquidos

En combustibles líquidos encontramos la gasolina, el gasoil comúnmente conocido

como diésel.



Los Motores a Gasolina

Son aquellos en donde la mezcla de combustible y aires e realiza fuera de la cámara de

combustión por medio de un dispositivo que va integrado al motor llamado carburador.

Después dicha mezcla entra a la cámara de combustión, donde es comprimida por un

pistón y es finalmente encendida por medio de una chispa que la proporciona un

elemento llamado bujía.

Los Motores Diésel

En estos la mezcla de aire y combustibles e realiza dentro de la misma cámara de

combustión. Primero ingresa a esta el aire que luego es comprimido y después es

inyectado el combustible finamente pulverizado casi para cuando el pistón se encuentra

en el punto muerto superior, por lo tanto, este es calentado sin necesidad de chispa

realizándose la combustión del combustible.

3) Gaseosos

Para combustibles gaseosos encontramos el gas natural, el hidrógeno en la cual ya hay

muchas investigaciones tendientes a vehículos propulsados por este tipo de combustible

en investigación y desarrollo de la pila de hidrógeno.

Clasificación según el número de carreras del pistón por ciclo:

a) Las clasificación que existen por el número de carreras es la siguiente encontramos si

ocurre un ciclo por vuelta este es llamado como motor de dos tiempos

Es característico para la clasificación de dos tiempos encontrar que para motores de dos

tiempos Diesel son utilizados para motores que son utilizados para navegación de hasta

50000 C.V. y con revoluciones de 100 a 150 r.p.m.

Y este mismo tipo de motores en gasolina son utilizados en disposiciones pequeñas es

decir para motobombas, guadañadoras, motocicletas de hasta 250 c.c.

b) O si encontramos que este mismo ciclo es completado ya no en un sino en dos

vueltas este se denomina como motor de cuatro tiempos.

Clasificación según el número de cilindros

Esta clasificaron solo obedece al número de cilindros el cual consta o compone el motor

entonces:



Para un motor de un cilindro se llamara monocilindro, estos los encontramos en las

motocicletas.

Para un motor de dos o más cilindros este tomara el nombre de policilindros. Estos son

los mayormente utilizados en automóviles y camiones y los encontramos en

disposiciones de cuatro, seis, ocho y doce cilindros.

Clasificación según la disposición de los cilindros:

La disposición de los cilindros está referida a la forma del bloque con respecto al eje del

cigüeñal. Por lo general encontramos disposiciones en línea, en V, Horizontales

opuestos o también llamados boxer, en w o con filas paralelas de cilindros estos dos

últimos son disposiciones muy raras.

Clasificación según el número de válvulas por cilindro:

Existen motores en los cuales encontramos 2, 3, 4 e incluso más válvulas por cilindro.

Las más comunes son los motores de 2 y 4 válvulas por cilindro.

Clasificación según el sistema de alimentación de aire

Encontramos en este tipo de clasificación motores de aspiración natural o atmosférico y

también motores con turbocompresor o compresor volumétrico, es decir, son motores

sobrealimentados.

2.2.2 MOTORES DE COMBUSTIÓN EXTERNA

En esto la combustión se realiza de forma externa es decir fuera del motor como tal, la

producción de energía calorífica se da en un sistema y luego pasa a otro sistema para

realizar la transformación de esta. Un ejemplo de esta son las antiguas locomotoras de

vapor y las turbinas de gas. Son los que mueven los aviones jet, de propulsión a chorro,

a reacción, o más vulgarmente llamados "reactores". Estos motores no tienen gran

aplicación en el diseño de máquinas por lo que se obviarán.

2.3 LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA



Un motor de combustión interna, motor a explosión o motor a pistón, es un tipo de

máquina que obtiene energía mecánica directamente de la energía química de un

combustible que arde dentro de la cámara de combustión. Su nombre se debe a que

dicha combustión se produce dentro de la máquina en fuera de la maquina en sí misma.

2.3.1 LA POTENCIA DEL MOTOR DE COMBUSTION INTERNA

Los fabricantes de motores miden la potencia de éste de dos maneras:

Potencia indicada: es la energía entregada por unidad de tiempo en el pistón por el gas

que se expande en el interior del cilindro. Es la potencia obtenida del proceso de

combustión. Prácticamente no le dice nada al usuario final sobre la potencia del motor

porque parte de esta potencia la usa para mover sus propios elementos constituyentes

internos tales como el cigüeñal, los pistones, el volante entre otros, y para vencer la

fricción de sus piezas para poder funcionar.

Potencia al freno: es la energía mecánica utilizable que se obtiene de un motor en el

eje de salida del mismo. Es la potencia que el motor entrega en el volante, después de

haber vencido las fuerzas de fricción interna.

2.3.2 CURVA PAR-VELOCIDAD, TORQUE-VELOCIDAD Y CONSUMO DE

COMBUSTIBLE-VELOCIDAD

Estas curvas también son llamadas curvas de rendimiento del motor y cada motor posee

sus propias curva características. Las curvas características de un motor muestran, a

partir de la velocidad a la que funciona el motor, cuál es su potencia, cuál es su torque o

par, y cuál es su consumo de combustible.

La potencia se incrementa a medida que aumentan las revoluciones por minuto del

motor, hasta un punto donde no aumenta más. Ese punto indica la potencia máxima que

puede entregar ese motor a la velocidad máxima o nominal. A esa velocidad también se

le llama velocidad gobernada y es la velocidad máxima permitida por el fabricante del

motor.

En la curva de torque puede verse que este va aumentando su valor a medida que

aumentan las revoluciones, llegando a obtener su valor máximo a ciertas revoluciones

(más o menos a un 60-75% de las revoluciones nominales del motor) y luego

disminuye.



El consumo específico de combustible tiene un mínimo a cierta velocidad del motor y a

mayor o menor velocidad aumenta. La velocidad a la cual se da este mínimo, coincide

con la velocidad a la cual el torque es máximo.

Fig. 43 Potencia indicada y potencia al freno para un motor de gasolina

Fig. 44 Consumo de combustible para un motor de gasolina



Fig. 45 Potencia indicada y al freno a plena carga para un motor de gasolina con

aspiración natural de aire.

Fig. 46 curvas de consumo e combustible y potencia de un motor MAN V12-1360



Fig. 47 Curvas de potencia y datos de consumo del motor CATERPILLAR 3412-DITA

2.3.3 APLICACIONES

Son los motores comúnmente utilizados en aplicaciones autónomas (independientes de

la red eléctrica) empleándose en los automóviles, motos y ciclomotores, camiones y

demás vehículos terrestres, incluyendo maquinaria de obras públicas, maquinaria

agrícola y ferrocarril; también son de este tipo los motores marinos, incluidos los

pequeños motores fuera borda.

En aplicaciones estacionarias, se emplean en grupos generadores de energía eléctrica,

normalmente de emergencia, entrando en funcionamiento cuando falla el suministro

eléctrico, y para el accionamiento de máquinas diversas en los ámbitos industrial

(bombas, compresores, etc.) y rural (cortacésped, sierras mecánicas, etc.) generalmente

cuando no se dispone de alimentación eléctrica.También se usan en aplicaciones para

máquinas de mezclar como granos, para hacer mezcla entre otras.



CONCLUSIÓN

Los motores se usan como fuentes de potencia directa en máquinas, desde pequeñas

como relojes hasta grandes como tractores, grúas y máquinas industriales. Cada

aplicación particular requiere ciertas características a cumplir por este, es por eso que

existen diversidad de ellos, especialmente los eléctricos, los cuales debido a sus ventajas

como la instalación, operación y niveles de ruido, son muy populares.

Existe diversidad de motores tanto eléctricos como de combustión y dependiendo de su

aplicación, disponibilidad y economía se escogen, atendiendo principalmente las cargas

nominales con los cuales trabajan, así como las condiciones en el arranque. De acuerdo

al tipo así es la forma de arranque de cada uno y las características constructivas y de

operación normal.



BIBLIOGRAFÍA

1-. Mott Robert L, Diseño de elementos de máquinas, 4ª Edición,Editorial Pearson.

2- Chapman S., Maquinas Eléctricas, 3ª Edición, Editorial Mc Graw Hill

motores- electricos

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