Funcionamiento del motor eléctrico

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Ultima edición el 21 septiembre, 2023

El motor eléctrico es una de las invenciones más importantes de la humanidad, ya que ha permitido el desarrollo de una gran cantidad de maquinarias y aparatos eléctricos que han mejorado significativamente la calidad de vida de las personas. En este sentido, el funcionamiento del motor eléctrico se convierte en un tema de gran relevancia para aquellos interesados en la tecnología y la electrónica.

En términos generales, un motor eléctrico es un dispositivo que transforma la energía eléctrica en energía mecánica, permitiendo la generación de movimiento en una variedad de máquinas, desde pequeños electrodomésticos hasta grandes motores industriales. El funcionamiento del motor eléctrico se basa en el principio fundamental de la interacción entre un campo magnético y una corriente eléctrica, lo que permite la generación de un movimiento rotatorio.

En este contexto, es importante conocer los diferentes tipos de motores eléctricos que existen, así como sus características y aplicaciones específicas. Además, es fundamental comprender los elementos que conforman un motor eléctrico, como el rotor, el estator, los cojinetes y los devanados, entre otros.

Conceptos básicos

Antes de adentrarnos en el funcionamiento del motor eléctrico, es importante tener claros algunos conceptos básicos que nos ayudarán a entender su operación:

Electricidad

La electricidad es una forma de energía que se produce cuando se mueven cargas eléctricas. Se puede generar de diversas formas, como a través de la fricción, el magnetismo o la química. Se mide en unidades de voltios (V), amperios (A) y ohmios (Ω).

Campo magnético

El campo magnético es una fuerza que se produce cuando hay cargas eléctricas en movimiento. Se puede representar mediante líneas de fuerza que muestran la dirección y la intensidad del campo. Se mide en unidades de tesla (T) o gauss (G).

Corriente eléctrica

La corriente eléctrica es el flujo de cargas eléctricas en un circuito. Se mide en amperios (A) y puede ser de corriente continua (CC) o corriente alterna (CA).

Motor eléctrico

Un motor eléctrico es un dispositivo que convierte energía eléctrica en energía mecánica. Está compuesto por un rotor (parte móvil) y un estator (parte fija), y funciona gracias al campo magnético generado por la corriente eléctrica que circula por sus bobinas.

Bobina

Una bobina es un conductor eléctrico enrollado en forma de espiral. Cuando circula corriente eléctrica por ella, se crea un campo magnético que puede utilizarse para generar movimiento en un motor eléctrico.

Conmutador

El conmutador es un dispositivo que permite cambiar la dirección de la corriente eléctrica en un motor eléctrico de corriente continua (CC). Consiste en un anillo de metal dividido en segmentos, que se conecta a los extremos de las bobinas del rotor.

Escobillas

Las escobillas son unos contactos eléctricos que se deslizan sobre el conmutador de un motor eléctrico de corriente continua (CC). Permiten que la corriente eléctrica fluya hacia las bobinas del rotor y cambie de dirección cada vez que el rotor gira.

Velocidad

La velocidad de un motor eléctrico se mide en revoluciones por minuto (RPM). Depende de la frecuencia de la corriente eléctrica suministrada y del número de polos magnéticos del motor.

Par motor

El par motor es la fuerza que produce un motor eléctrico para mover una carga. Se mide en unidades de newton-metro (Nm) y depende de la corriente eléctrica que circula por las bobinas del rotor.

Con estos conceptos básicos en mente, podemos entender mejor cómo funciona un motor eléctrico y cómo se pueden controlar sus diferentes parámetros.

Componentes de un motor eléctrico

El motor eléctrico es un dispositivo que convierte la energía eléctrica en energía mecánica rotativa. Funciona según el principio de la ley de Faraday, que establece que un conductor que se mueve en un campo magnético experimentará una fuerza electromotriz (EMF) en su interior. Los componentes básicos de un motor eléctrico son:

1. Estator

El estator es la parte fija del motor y consta de una carcasa de metal con una serie de devanados de cobre dispuestos alrededor de su circunferencia. Estos devanados están conectados a una fuente de alimentación eléctrica y generan un campo magnético fijo y uniforme.

2. Rotor

El rotor es la parte móvil del motor y se encuentra en el interior del estator. Está compuesto por un eje y un núcleo de hierro laminado con ranuras en su superficie. En estas ranuras se alojan los devanados del rotor, que están conectados a través de anillos colectores a los cepillos del motor.

3. Devanados

Los devanados son las espiras de cobre que se encuentran en el interior del estator y del rotor. Están diseñados para soportar grandes corrientes eléctricas y generar campos magnéticos cuando se alimentan con electricidad.

4. Cepillos

Los cepillos son elementos que se encargan de establecer la conexión eléctrica entre los devanados del rotor y el circuito eléctrico externo. Están compuestos por un material conductor, como el grafito, y se deslizan sobre los anillos colectores del rotor para suministrar energía a los devanados del rotor.

5. Anillos colectores

Los anillos colectores son componentes que se encuentran en el rotor y que permiten la conexión eléctrica con los cepillos. Están fabricados de materiales conductores, como el cobre o el latón, y se encuentran fijados al eje del rotor.

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Cada uno de estos componentes desempeña un papel crucial en el funcionamiento del motor, que convierte la energía eléctrica en energía mecánica rotativa.

Tipos de motores eléctricos

Existen varios tipos de motores eléctricos, cada uno diseñado para cumplir diferentes funciones y adaptarse a distintas situaciones. A continuación, se describen los tipos más comunes:

Motores de corriente continua (CC)

Los motores de corriente continua son los más antiguos y comunes. Funcionan mediante el flujo de corriente eléctrica en una dirección constante, generando un campo magnético que hace girar el rotor. Estos motores son muy versátiles y se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones, desde juguetes hasta vehículos eléctricos.

Motores de corriente alterna (CA)

Los motores de corriente alterna son los más utilizados en la industria. Funcionan mediante la variación de la dirección de la corriente eléctrica, lo que crea un campo magnético que hace girar el rotor. Estos motores son eficientes y económicos, y se utilizan en máquinas de lavandería, herramientas eléctricas y equipos de climatización, entre otros.

Motores síncronos

Los motores síncronos tienen un rotor que gira a la misma velocidad que el campo magnético generado por la corriente eléctrica. Estos motores se utilizan en aplicaciones que requieren una velocidad constante, como en los relojes y en los sistemas de control de procesos industriales.

Motores asíncronos

Los motores asíncronos, también conocidos como motores de inducción, tienen un rotor que gira a una velocidad menor que el campo magnético generado por la corriente eléctrica. Estos motores son muy eficientes y se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones, como en los ventiladores, bombas y compresores.

Motores paso a paso

Los motores paso a paso funcionan mediante la aplicación de corriente eléctrica en secuencias específicas, lo que hace que el rotor gire en pequeños pasos. Estos motores son muy precisos y se utilizan en máquinas de impresión, robótica y equipos de automatización.

Es importante conocer las diferencias entre los diferentes tipos de motores eléctricos para poder tomar decisiones informadas al momento de seleccionar el motor adecuado.

Principio de funcionamiento

El motor eléctrico es una máquina que convierte la energía eléctrica en energía mecánica. El principio de funcionamiento se basa en la interacción entre un campo magnético y una corriente eléctrica.

Componentes principales de un motor eléctrico

  • Estator: es la parte fija del motor, compuesta por un núcleo de hierro y varias bobinas de alambre.
  • Rotor: es la parte móvil del motor, también compuesta por un núcleo de hierro y varias bobinas de alambre.
  • Escobillas: son piezas de grafito que permiten la conexión eléctrica entre el estator y el rotor.
  • Cojinetes: son rodamientos que permiten el movimiento del rotor.

Principio de funcionamiento

Al aplicar una corriente eléctrica al estator, se crea un campo magnético que interactúa con las bobinas del rotor, generando un movimiento. El rotor gira debido a la fuerza que ejerce el campo magnético sobre las bobinas, lo que produce el movimiento mecánico.

El cambio de polaridad en las bobinas del estator produce un cambio en el campo magnético, lo que permite que el rotor siga girando. Las escobillas permiten que la corriente eléctrica fluya desde la fuente de energía hasta el estator, manteniendo el campo magnético y el movimiento del rotor.

Ejemplo de aplicación del principio de funcionamiento

Un ejemplo de aplicación del principio de funcionamiento del motor eléctrico es en un taladro. Al conectar el taladro a una fuente de energía, se aplica corriente eléctrica al estator, lo que genera un campo magnético que hace girar el rotor. Esto permite que el taladro pueda perforar materiales sólidos.

Los componentes principales del motor son el estator, el rotor, las escobillas y los cojinetes.

Características y parámetros de los motores eléctricos

Los motores eléctricos son dispositivos que convierten la energía eléctrica en energía mecánica, lo que permite que se utilicen en una gran variedad de aplicaciones, desde electrodomésticos hasta grandes maquinarias industriales.

Características de los motores eléctricos

  • Velocidad: los motores eléctricos pueden tener una velocidad constante o variable, dependiendo del tipo de aplicación para la que se utilicen. La velocidad se mide en revoluciones por minuto (RPM).
  • Potencia: la potencia de un motor eléctrico se mide en vatios (W) y determina la cantidad de trabajo que puede realizar en un determinado período de tiempo.
  • Eficiencia: la eficiencia de un motor eléctrico se refiere a la cantidad de energía eléctrica que se convierte en energía mecánica. Un motor eléctrico eficiente puede ahorrar energía y reducir costos.
  • Par: el par se refiere a la fuerza que produce un motor eléctrico para mover una carga. Se mide en newton metro (Nm) y es importante para determinar la capacidad del motor para realizar trabajos pesados.

Parámetros de los motores eléctricos

  • Tensión: la tensión es la cantidad de energía eléctrica que se necesita para hacer funcionar el motor. Se mide en voltios (V) y debe ser compatible con la fuente de alimentación eléctrica.
  • Corriente: la corriente es la cantidad de energía eléctrica que fluye a través del motor. Se mide en amperios (A) y está directamente relacionada con la potencia del motor.
  • Frecuencia: la frecuencia se refiere a la cantidad de ciclos por segundo que la fuente de alimentación eléctrica proporciona. Se mide en hertz (Hz) y es importante para determinar la velocidad del motor.
  • Factor de potencia: el factor de potencia se refiere a la cantidad de energía eléctrica que se convierte en energía mecánica. Un factor de potencia alto indica que el motor es eficiente y puede ahorrar energía.
  • Temperatura: la temperatura es un parámetro importante a considerar en los motores eléctricos, ya que un aumento en la temperatura puede reducir su vida útil y afectar su rendimiento.

Ejemplos de motores eléctricos

Hay muchos tipos diferentes de motores eléctricos, cada uno con sus propias características y parámetros. Algunos ejemplos comunes son:

  • Motor de corriente continua (DC): este tipo de motor es adecuado para aplicaciones que requieren una velocidad variable y un control preciso, como en robots y maquinarias CNC.
  • Motor de corriente alterna (AC): este tipo de motor es adecuado para aplicaciones que requieren una velocidad constante, como en ventiladores y bombas.
  • Motor de inducción: este tipo de motor es adecuado para aplicaciones que requieren un alto par y una velocidad constante, como en compresores y maquinarias pesadas.
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Es importante considerar estos factores al seleccionar un motor eléctrico para una tarea específica.

Eficiencia en el funcionamiento

El funcionamiento eficiente del motor eléctrico es esencial para maximizar su rendimiento y prolongar su vida útil. La eficiencia se refiere a la capacidad del motor eléctrico para convertir la energía eléctrica en energía mecánica sin pérdidas significativas.

Factores que afectan la eficiencia del motor eléctrico

  • Desgaste: El desgaste de las piezas internas del motor eléctrico puede disminuir su eficiencia.
  • Tamaño: Un motor eléctrico demasiado grande para la tarea puede ser menos eficiente debido a la sobrecarga de energía.
  • Temperatura: El sobrecalentamiento del motor eléctrico puede reducir su eficiencia.
  • Carga: Una carga excesiva o insuficiente puede afectar negativamente la eficiencia del motor eléctrico.
  • Velocidad: La velocidad a la que opera el motor eléctrico puede afectar su eficiencia.

Cómo mejorar la eficiencia del motor eléctrico

  • Mantenimiento regular: Realizar un mantenimiento regular puede ayudar a prevenir el desgaste y prolongar la vida útil del motor eléctrico.
  • Selección adecuada: Seleccionar el motor eléctrico adecuado para la tarea puede garantizar su eficiencia y minimizar la sobrecarga de energía.
  • Control de temperatura: Mantener el motor eléctrico a una temperatura adecuada puede aumentar su eficiencia y prolongar su vida útil.
  • Carga adecuada: Cargar el motor eléctrico adecuadamente puede garantizar su eficiencia y evitar el desgaste innecesario.
  • Uso de variadores de frecuencia: Los variadores de frecuencia pueden ayudar a controlar la velocidad del motor eléctrico y aumentar su eficiencia.

El mantenimiento regular, la selección adecuada, el control de temperatura, la carga adecuada y el uso de variadores de frecuencia son algunas de las formas en que se puede mejorar la eficiencia del motor eléctrico.

Métodos de control

En el funcionamiento del motor eléctrico, es importante contar con métodos de control que permitan regular su velocidad y torque, así como también protegerlo de posibles sobrecargas o fallos. A continuación, se explican los principales métodos de control:

Control de velocidad

Existen diferentes métodos para controlar la velocidad de un motor eléctrico, entre los cuales destacan:

  • Control por variación de voltaje: Consiste en variar la cantidad de voltaje que se suministra al motor, lo que a su vez afecta su velocidad. Este método es utilizado en motores de corriente continua.
  • Control por variación de frecuencia: Se utiliza principalmente en motores de corriente alterna y consiste en variar la frecuencia de la corriente eléctrica que se suministra al motor.
  • Control por modulación de ancho de pulso (PWM): Este método consiste en variar el ancho de los pulsos de la señal eléctrica que alimenta el motor, lo que permite controlar su velocidad.

Control de torque

El control de torque es importante para evitar sobrecargas en el motor eléctrico y garantizar su correcto funcionamiento. Algunos métodos de control de torque son:

  • Control por retroalimentación: Se utiliza un sensor que mide el torque del motor y envía una señal al controlador, que ajusta la cantidad de energía que se suministra al motor para mantener el torque constante.
  • Control por limitación de corriente: Se establece un límite máximo de corriente que puede suministrarse al motor, lo que evita sobrecargas y protege el motor.

Protección del motor

Además de los métodos de control de velocidad y torque, es importante contar con sistemas de protección que eviten daños al motor eléctrico. Algunos de estos sistemas son:

  • Protección térmica: Se utiliza un sensor que mide la temperatura del motor y, si esta supera un cierto límite, se detiene el suministro de energía al motor para evitar daños por sobrecalentamiento.
  • Protección por sobrecarga: Se establece un límite máximo de corriente que puede suministrarse al motor, lo que evita sobrecargas y protege el motor.
  • Protección por falla de suministro eléctrico: Se utiliza un sistema de UPS (Uninterruptible Power Supply) que permite mantener el suministro de energía al motor en caso de fallos en el suministro eléctrico.

Es importante elegir el método de control adecuado en función de las características del motor y de la aplicación en la que se utilizará.

Métodos de control

En el funcionamiento del motor eléctrico, es importante contar con métodos de control que permitan regular su velocidad y torque, así como también protegerlo de posibles sobrecargas o fallos. A continuación, se explican los principales métodos de control:

Control de velocidad

Existen diferentes métodos para controlar la velocidad de un motor eléctrico, entre los cuales destacan:

  • Control por variación de voltaje: Consiste en variar la cantidad de voltaje que se suministra al motor, lo que a su vez afecta su velocidad. Este método es utilizado en motores de corriente continua.
  • Control por variación de frecuencia: Se utiliza principalmente en motores de corriente alterna y consiste en variar la frecuencia de la corriente eléctrica que se suministra al motor.
  • Control por modulación de ancho de pulso (PWM): Este método consiste en variar el ancho de los pulsos de la señal eléctrica que alimenta el motor, lo que permite controlar su velocidad.

Control de torque

El control de torque es importante para evitar sobrecargas en el motor eléctrico y garantizar su correcto funcionamiento. Algunos métodos de control de torque son:

  • Control por retroalimentación: Se utiliza un sensor que mide el torque del motor y envía una señal al controlador, que ajusta la cantidad de energía que se suministra al motor para mantener el torque constante.
  • Control por limitación de corriente: Se establece un límite máximo de corriente que puede suministrarse al motor, lo que evita sobrecargas y protege el motor.

Protección del motor

Además de los métodos de control de velocidad y torque, es importante contar con sistemas de protección que eviten daños al motor eléctrico. Algunos de estos sistemas son:

  • Protección térmica: Se utiliza un sensor que mide la temperatura del motor y, si esta supera un cierto límite, se detiene el suministro de energía al motor para evitar daños por sobrecalentamiento.
  • Protección por sobrecarga: Se establece un límite máximo de corriente que puede suministrarse al motor, lo que evita sobrecargas y protege el motor.
  • Protección por falla de suministro eléctrico: Se utiliza un sistema de UPS (Uninterruptible Power Supply) que permite mantener el suministro de energía al motor en caso de fallos en el suministro eléctrico.
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Es importante elegir el método de control adecuado en función de las características del motor y de la aplicación en la que se utilizará.

Métodos de arranque

El motor eléctrico es una máquina que convierte la energía eléctrica en energía mecánica, y su funcionamiento depende en gran medida del método de arranque que se utilice. A continuación, se explican los métodos de arranque más comunes:

Arranque directo

El arranque directo es el método más simple y económico, consiste en conectar el motor eléctrico directamente a la fuente de alimentación. Este método es adecuado para motores pequeños y de baja potencia que no requieren un gran esfuerzo para arrancar.

Este método tiene la ventaja de ser sencillo y económico, pero presenta el inconveniente de que el motor eléctrico sufre un gran impacto en el momento del arranque, lo que puede provocar sobrecalentamiento y desgaste prematuro de los componentes.

Arranque estrella-triángulo

El arranque estrella-triángulo es un método que se utiliza para motores de alta potencia que requieren un esfuerzo mayor para arrancar. Consiste en reducir la tensión de alimentación del motor eléctrico durante el arranque, para disminuir el impacto sobre los componentes.

El arranque estrella-triángulo se realiza en dos etapas: en la primera etapa, el motor se conecta en configuración estrella, lo que reduce la tensión entre cada fase y el neutro a un tercio de la tensión de la fuente de alimentación. En la segunda etapa, el motor se conecta en configuración triángulo, lo que aumenta la tensión entre cada fase y permite que el motor alcance su velocidad nominal.

Arranque suave

El arranque suave es un método que se utiliza cuando se requiere un arranque muy suave y progresivo, para evitar el impacto sobre los componentes del motor eléctrico. Este método se utiliza en motores de alta potencia y en aplicaciones que requieren un control preciso de la velocidad.

Existen diferentes formas de realizar un arranque suave, como el uso de variadores de frecuencia, arrancadores electrónicos o resistencias de arranque. Todos estos métodos permiten reducir la tensión y la corriente durante el arranque, para evitar el impacto sobre el motor eléctrico.

Es importante elegir el método adecuado para evitar el desgaste prematuro del motor y garantizar su correcto funcionamiento.

Aplicaciones en la industria

Los motores eléctricos son una parte esencial de la industria moderna y son utilizados en una amplia variedad de aplicaciones. Estos motores convierten la energía eléctrica en energía mecánica, lo que permite que sean utilizados en muchas áreas diferentes. A continuación, se detallan las principales aplicaciones de los motores eléctricos en la industria:

1. Maquinaria

Los motores eléctricos se utilizan en una gran cantidad de maquinaria industrial, como por ejemplo:

  • Máquinas herramienta
  • Máquinas textiles
  • Máquinas de embalaje
  • Máquinas de impresión
  • Máquinas de procesamiento de alimentos

En estas aplicaciones, los motores eléctricos son utilizados para proporcionar la energía necesaria para que la maquinaria funcione correctamente.

2. Transporte

Los motores eléctricos también se utilizan en una amplia variedad de vehículos de transporte, como por ejemplo:

  • Automóviles eléctricos
  • Autobuses eléctricos
  • Trenes eléctricos
  • Barcos eléctricos

En estos casos, los motores eléctricos son utilizados para proporcionar la energía necesaria para que el vehículo se mueva.

3. Bombas y ventiladores

Los motores eléctricos también son utilizados en una gran variedad de aplicaciones de bombeo y ventilación, como por ejemplo:

  • Bombas de agua
  • Bombas de aceite
  • Ventiladores industriales
  • Compresores de aire

En estos casos, los motores eléctricos son utilizados para proporcionar la energía necesaria para mover el fluido o el aire a través del sistema.

4. Generación de energía

Los motores eléctricos también se utilizan en la generación de energía eléctrica, como por ejemplo en las centrales eléctricas. En estas aplicaciones, los motores eléctricos son utilizados para hacer funcionar los generadores de energía, que convierten la energía mecánica en energía eléctrica.

Gracias a su capacidad para convertir la energía eléctrica en energía mecánica, los motores eléctricos son una herramienta esencial para la producción y el transporte de bienes y servicios en todo el mundo.

En conclusión, el motor eléctrico se ha convertido en una pieza clave en la industria y en la vida cotidiana, debido a su eficiencia y bajo impacto ambiental. Su funcionamiento se basa en la interacción entre campos magnéticos y corriente eléctrica, lo que lo hace ideal para un gran número de aplicaciones. Además, la tecnología continúa avanzando y mejorando, lo que nos hace pensar en un futuro donde los motores eléctricos serán aún más eficientes y versátiles. Sin duda, el motor eléctrico es una de las grandes invenciones de la humanidad y su impacto en el mundo seguirá siendo fundamental por muchos años más.

En conclusión, el funcionamiento del motor eléctrico se basa en la interacción entre un campo magnético y una corriente eléctrica que produce un movimiento rotativo en el eje del motor. La eficiencia y el rendimiento de un motor eléctrico dependen de varios factores, como la potencia, el tipo de motor, el control de velocidad y la calidad de los materiales utilizados en su construcción. Los motores eléctricos son ampliamente utilizados en una variedad de aplicaciones, desde electrodomésticos hasta vehículos eléctricos, y su importancia en la industria y la sociedad en general sigue creciendo a medida que avanzamos hacia un futuro más sostenible y tecnológico.

JORGE CABRERA BERRÍOS Administrator
Ingeniero Electrónico por la UNI, con maestría y doctorado por la University of Electro-Communications (Japón).

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