Para comenzar nuestros estudios sobre Máquinas Eléctricas, introduzcamos algunas definiciones y establezcamos algunas
principios básicos del Electromagnetismo. Cabe señalar que hay varios tipos de motores, y en este sitio estamos
interesados en motores de corriente continua, motores de inducción y los principios básicos de los motores
Sincrónico. A partir del conocimiento de este tipo de motores, es muy fácil entender los otros tipos existentes,
porque casi todos se derivan de los mencionados anteriormente.
El estudio del Electromagnetismo trae consigo una teoría muy compleja si queremos ser exactos.
Por lo tanto, en la práctica, es deseable simplificar el problema haciendo algunas simplificaciones que
conducen a resultados muy satisfactorios y muy cercanos a los valores exactos. Así por ejemplo,
en el estudio de las Máquinas Eléctricas, algunas magnitudes son tales que el término de
el desplazamiento en las ecuaciones de Maxwell puede ignorarse sin perjuicio de la
resultado final. Este término toma en
cuenta los campos magnéticos producidos en el espacio por campos eléctricos variables en el tiempo,
y estrechamente asociado con la producción de ondas electromagnéticas.
En el transcurso de este estudio nos encontraremos con varias definiciones y símbolos para designar el
variables Entonces, a continuación se muestra una lista de los principales.
H - Intensidad del campo magnético
B - Densidad de flujo magnético (o inducción magnética)
μo - Permeabilidad magnética al vacío
μr - Permeabilidad magnética relativa
F - Fuerza magnetomotriz
N - Número de vueltas del devanado
Ac - Área transversal del núcleo
lc - Longitud del circuito magnético
g - Longitud del espacio entre circuitos magnéticos
Φ - Intensidad de flujo magnético
Para comenzar el estudio de las máquinas eléctricas, comencemos introduciendo el concepto de
Máquina CC lineal, ya que sigue los mismos principios y presenta el mismo comportamiento que la
generadores y motores reales.
Básicamente, una máquina lineal de CC consta de una batería, una resistencia y un interruptor conectados a
un par de rieles sin fricción.
Es un dispositivo que convierte la energía eléctrica en energía mecánica.
mediante un proceso conocido como inducción electromagnética. El principio de funcionamiento se basa en la interacción.
entre el campo magnético y la corriente eléctrica que fluye en la barra conductora, lo que resulta en una fuerza que impulsa
la barra a lo largo de las vías. Este fenómeno se describe mediante la Ley de Lorentz, que establece que una corriente eléctrica,
cuando se expone a un campo magnético, experimenta una fuerza perpendicular tanto a la dirección de la corriente como a la dirección del
campo magnético.
Sobre los raíles se asienta una barra metálica conductora,
tener libertad de movimiento por las vías. Se muestra un esquema básico de esta máquina.
en Figura 101-01.
La eficiencia y el rendimiento de la máquina lineal CC pueden verse afectados por varios factores, incluida la resistencia interna
de la batería y del circuito, así como la calidad de los materiales utilizados en la construcción de los rieles y barra
conductivo. Se llevan a cabo continuos estudios y experimentos para optimizar estas máquinas para diversas aplicaciones,
como sistemas de transporte y actuadores en la automatización industrial.
Figura 101-01
El comportamiento de esta máquina se puede determinar aplicando cuatro ecuaciones básicas a la máquina.
Las ecuaciones son las siguientes:
1 - La ecuación de la fuerza inducida en un conductor en presencia de un campo magnético, dada por eq. 76-02,
ya estudiado en el capítulo 76 y repetido aquí para mayor claridad.
eq. 101-01
2 - La ecuación del voltaje inducido en un conductor que se mueve en presencia de un campo magnético.
eq. 101-02
3 - Ley de voltaje de Kirchhoff para esta máquina. De la Figura 101-01, podemos escribir que:
eq. 101-03
4 - Ley de Newton para la barra conductora sobre los rieles.
eq. 101-04
Usamos estas cuatro ecuaciones como herramientas para analizar el comportamiento básico de esta máquina CC.
Cerrando la llave, podemos poner en marcha esta máquina. Así, cuando cerremos la llave, habrá un
corriente que fluye a través del circuito y podemos determinar su valor usando la ley de Kirchhoff de voltajes,
o sea
eq. 101-05
Inicialmente, la barra está en reposo, por lo que εind = 0, y la ecuación que se muestra arriba se reduce a I = V/R.
Por lo tanto, la corriente fluirá hacia abajo a través de la barra y cerrará el circuito a través de los rieles.
Sin embargo, sabemos que una corriente que fluye a través de un alambre conductor inmerso en un campo magnético induce una fuerza
en el alambre, dado por eq. 101-01. Como recordatorio, tenemos:
eq. 101-01
Y esa fuerza está dirigida a la derecha. Por lo tanto, según la ley de Newton, la barra acelerará hacia la derecha.
Pero al acelerar, la barra gana velocidad y se le inducirá un voltaje. La polaridad positiva de
El voltaje inducido en la barra está en la parte superior de la barra. Por lo tanto, la corriente fluye a través del circuito en el
sentido de las agujas del reloj.
Como vimos en el ítem anterior, el voltaje inducido, para el caso de la Figura 101-01, viene dado por eq. 101-02.
A medida que crece el voltaje inducido debido al movimiento de la barra, analizando eq. 101-05 concluimos que
la corriente a través del circuito disminuye. Eventualmente, como resultado de esta acción, la barra alcanzará una velocidad constante de
estado estacionario, tal que la fuerza neta sobre la barra se convierte en cero. Esto ocurrirá cuando
εind ha crecido hasta igualar el voltaje de la batería, V. La barra seguirá moviéndose
indefinidamente a velocidad de estado estacionario mientras no haya carga, a menos que alguna fuerza externa
venido a molestarla.
Este es precisamente el comportamiento observado al arrancar motores reales.
Supongamos que inicialmente la máquina lineal está operando en estado estable sin carga actuando sobre ella.
Ahora imaginemos que se aplica una fuerza a la barra, a la que llamamos Fcarga, en el sentido de oponerse a la
su movimiento. La aplicación de esta fuerza dará como resultado una fuerza neta sobre la barra en la dirección opuesta del movimiento,
es decir, Fliq = Fcargar - Fhilo. Como consecuencia, la fuerza hará que la barra baje
su velocidad.
Sin embargo, tan pronto como la barra comienza a desacelerarse, el voltaje inducido en la barra cae, y a medida que el voltaje inducido disminuye,
el flujo de corriente en la barra aumenta, según eq. 101-05. Por tanto, la fuerza inducida en la barra también aumenta. El efecto total de todos estos eventos es que la fuerza inducida crece hasta que se vuelve igual y opuesta a la fuerza de carga y
la barra comienza a moverse de nuevo en un estado estable, pero con una velocidad más lenta.
Ahora, hay una fuerza inducida en la dirección del movimiento de la barra. La energía también se está convirtiendo de forma eléctrica
a la forma mecánica para mantener la barra en movimiento. Y cómo se convierte la energía de forma eléctrica a
forma mecánica, por lo que está funcionando como un motor. Podemos expresar esta potencia de la siguiente manera:
