Asignaturas:
- Introducción
- Principio de funcionamiento de los motores eléctricos.
- Motor eléctrico CC con escobillas de carbón.
- Motor eléctrico DC sin escobillas de carbón.
Introducción:
Cada vez encontramos motores eléctricos en más lugares del coche. En un motor eléctrico, la corriente eléctrica se convierte en movimiento y calor. Encontramos motor eléctrico en el ajuste de espejos y asientos, pero también como motor de limpiaparabrisas en el mecanismo del limpiaparabrisas o como motor de arranque. Estos motores eléctricos funcionan a un voltaje de 12 a 14 voltios. En esta página nos limitamos a los motores eléctricos del interior y exterior.
Los motores eléctricos también proporcionan propulsión (parcialmente) eléctrica en vehículos híbridos y totalmente eléctricos. Este tipo de motor eléctrico se analiza en la página: Motores eléctricos de alta tensión.
Podemos dividir los motores eléctricos DC en:
- Motor eléctrico con escobillas de carbón (campo electromagnético y armadura).
- Motores eléctricos en serie;
- Motores eléctricos paralelos;
- Motores eléctricos sin escobillas.
Principio de funcionamiento de los motores eléctricos:
En un motor eléctrico, una corriente eléctrica se convierte en un movimiento giratorio. El movimiento es causado por dos polos magnéticos que se atraen o se repelen:
- Un polo norte y un polo sur se atraen entre sí;
- Dos polos norte se repelen;
- Dos polos sur se repelen.
Un imán tiene un polo norte y un polo sur con cargas opuestas. Cuando ese imán se parte por la mitad, de repente no tienes dos polos separados, sino dos nuevos imanes, ambos con un polo norte y un polo sur.
En la carcasa están fijados varios polos magnéticos (norte y sur). Hay un campo magnético entre los polos norte y sur. El eje de salida (la armadura) gira debido a cambios en el campo magnético.
En un motor eléctrico, dos polos del mismo nombre se colocan constantemente uno frente al otro mediante (normalmente) imanes permanentes o electroimanes. Debido a que los polos del mismo nombre se repelen, se crea un movimiento.
Motor eléctrico DC con escobillas de carbón:
Casi todos los motores eléctricos utilizados en la tecnología del automóvil están diseñados como motores de corriente continua con imanes permanentes y escobillas de carbón. En este tipo de motores eléctricos encontramos los siguientes imanes:
- Imanes permanentes (un polo norte y un polo sur): entre ellos existe un campo magnético estacionario;
- Bobinas: en ésta se genera un campo electromagnético. El campo electromagnético giratorio se genera en las bobinas.
Los imanes permanentes se encuentran a la izquierda y a la derecha del rotor y constan de un polo norte y un polo sur. Entre estos polos norte y sur existe un campo magnético estacionario que no cambia cuando el motor eléctrico está en funcionamiento o parado.
En las bobinas se genera un campo electromagnético giratorio tan pronto como fluye corriente a través de ellas. La corriente es suministrada y extraída por las escobillas de carbón a través del conmutador.
La inversión de la dirección de la corriente se realiza mediante conmutación: dos escobillas de carbón se arrastran sobre el conmutador, que consta de un lado positivo y otro negativo. La escobilla de carbón del lado positivo conduce la corriente al conductor (flechas verdes en la figura). La corriente sale del conductor a través de la escobilla de carbón por el lado negativo. La corriente que fluye a través del conductor crea un campo electromagnético.
Se crea una fuerza entre el magnetismo resultante en la armadura (el conductor) y el campo (los imanes permanentes) (flechas rojas en la imagen). Esta fuerza hace que la armadura y el conmutador giren sobre su eje. Luego, las escobillas de carbón golpean la otra parte del conmutador, invirtiendo la dirección de la corriente en la armadura. El campo magnético y la fuerza se generan en la misma dirección, de modo que la armadura vuelve a girar alrededor de su eje.
Podemos cambiar el sentido de rotación del motor eléctrico (léase: la armadura) invirtiendo el más y el menos de las escobillas de carbón.
El intercambio del más y el menos se puede realizar mediante un puente en H.
- La ECU (1) controla simultáneamente dos de los cuatro transistores o FET (4);
- Los FET (2) le dan al motor eléctrico (3) un plus y tierra. Dependiendo de qué dos FET estén encendidos, la escobilla de carbón superior es positiva y la inferior está rectificada, o viceversa;
- El potenciómetro situado junto al motor eléctrico registra la posición y el sentido de giro. No todos los motores eléctricos están equipados con potenciómetro.
ver la pagina Puente H para los posibles diseños y métodos de conmutación del puente H.
Motor eléctrico DC sin escobillas de carbón:
El motor de corriente continua (CC) sin escobillas es un motor síncrono. El control eléctrico ha sustituido las escobillas de carbón. Este tipo de motor eléctrico es muy similar al motor de CA síncrono de imanes permanentes, como se utiliza en la tren motriz de vehículos eléctricos. La principal diferencia entre los dos motores es el control: el motor de CA se controla con una tensión alterna sinusoidal modulada y el motor de CC con una tensión de onda cuadrada.
El estator suele contener tres o seis bobinas (U, V y W) y el rotor es un imán permanente. La siguiente imagen muestra la estructura esquemática del motor de CC con la progresión del voltaje a través de las tres bobinas. En realidad, entre los polos se instalan varios sensores Hall para determinar la posición del rotor.
La unidad de control determina qué bobinas debe controlar en función de la posición del rotor.
En la siguiente imagen la bobina U+ está energizada. La forma en que se enrolla la bobina alrededor del polo determina si será un polo norte o sur. En este ejemplo, la U+ es el polo norte y la U- es el polo sur.
El rotor está diseñado como un imán permanente. Como se describe en los párrafos anteriores, el rotor se posiciona o gira como resultado de un campo magnético cambiante a través de las bobinas.
Para girar el rotor en sentido contrario a las agujas del reloj desde la posición que se muestra en la figura anterior, las bobinas en V se energizan.
La V+ se convierte en el polo norte, la V- en el polo sur. El rotor de imán permanente gira;
los polos norte y sur se atraen entre sí, al igual que los polos sur y norte del otro lado del imán.
Ahora las bobinas W se energizan para girar el rotor otros 60 grados.
La bobina W+ se convierte en el polo norte y la W- en el polo sur. El rotor gira y toma su nueva posición.
El rotor de la siguiente imagen ha girado 180 grados desde la primera situación; en la primera imagen el polo sur apuntaba hacia arriba; Ahora ese es el Polo Norte.
La polaridad de la bobina U+ y la bobina U- se invierte, lo que hace que la corriente fluya a través de las bobinas en sentido inverso. Esto convierte a la U+ en un polo sur y a la U- en un polo norte.
El rotor con imán permanente sigue girando debido al cambio en el campo magnético.
Para girar el rotor nuevamente 60 grados, la V- se convierte en un polo norte y la V+ en un polo sur. El rotor adopta la nueva posición.
Una vez más el rotor gira 60 grados como resultado de un cambio en el campo magnético en las bobinas:
La bobina W- es el polo norte y la W+ es el polo sur.
En las seis situaciones descritas anteriormente, dos bobinas se activan constantemente al mismo tiempo. También solemos encontrar motores DC sin escobillas con tres bobinas en lugar de seis. En el caso de tres bobinas, las bobinas U, V y W también se excitan una tras otra, pero no se produce ningún cambio de polaridad.
El motor CC sin escobillas es un motor potente adecuado para aplicaciones donde se requiere un par elevado tanto para el arranque como para velocidad media y alta. A menudo se confunden el motor CC sin escobillas y el motor paso a paso. Esto no es sorprendente, porque el funcionamiento y el control de los motores tienen muchas similitudes: ambos motores se accionan creando un campo magnético entre las bobinas y el rotor con imanes permanentes. Sin embargo, además de la terminología, ambos motores tienen diferencias significativas, principalmente en la aplicación y, por tanto, en la elección de los materiales.
El motor paso a paso es básicamente un motor de CC sin escobillas, pero se aplica en un campo diferente. Mientras que el motor de CC se utiliza principalmente para funcionamiento prolongado a altas velocidades, vemos el motor paso a paso en aplicaciones donde un ajuste en una posición exacta es lo más importante.
El motor de CC que se muestra se controla cada rotación de 60° del rotor. Este posiblemente se podría reducir a 30° si energizamos cuatro bobinas simultáneamente entre cada control, obteniendo así una posición intermedia. Sin embargo, un motor paso a paso es capaz de ajustar incrementos de 1,8° a 0,9°. Esto demuestra además que el motor paso a paso es adecuado para posiciones muy precisas.
Las diferentes versiones, los métodos de control por la ECU y las aplicaciones se pueden encontrar en la página motor paso a paso.
