primeros motores electricos
Experimentos electromagnéticos de Faraday, 1821 Los primeros motores eléctricos fueron dispositivos electrostáticos simples, descritos en los experimentos del monje escocés Andrew Gordon y el experimentador estadounidense Benjamin Franklin en la década de 1740. El principio teórico subyacente, la ley de Coulomb, fue descubierto por Henry Cavendish en 1771, pero aún no se ha publicado. La ley fue descubierta de forma independiente en 1785 por Charles-Augustin de Coulomb, quien la publicó y ahora es ampliamente conocida y su nombre. [4] La celda electroquímica [5] inventada por Alessandro Volta en 1799 hizo posible generar una corriente continua. Después del descubrimiento de esta interacción entre corrientes y campos magnéticos, conocida como interacción electromagnética por Hans Christianrsted en 1820, pronto se avanzó mucho. André-Marie Ampère tardó solo unas pocas semanas en desarrollar la primera fórmula para la interacción electromagnética y proponer la ley de fuerza de Ampère, que describe la interacción de la corriente eléctrica y el campo magnético. fuerza mecanica En 1821, Michael Faraday demostró por primera vez los efectos del movimiento de rotación. Se sumergió un alambre que colgaba libremente en un baño de mercurio donde se colocó un imán permanente (PM). Cuando la corriente pasa a través del cable, el cable gira alrededor del imán, lo que indica que la corriente crea un campo magnético circular apretado alrededor del cable. [7] Dichos motores generalmente se demuestran en experimentos físicos, sustituyendo el mercurio (tóxico) por agua salada. Las ruedas de Barlow fueron una mejora temprana en esa demostración de Faraday, aunque estos y otros motores homopolares similares no fueron adecuados para uso práctico hasta finales de siglo.
"Auto-rotor electromagnético" de Jedlik, 1827 (Museo de Artes Aplicadas, Budapest). Los motores históricos todavía funcionan bien hoy.
James Joule mostrando a Kelvin un motor eléctrico en el Museo Hunterian de Glasgow en 1842
En 1827, el físico húngaro nyos Jedlik comenzó a experimentar con bobinas electromagnéticas. Después de que Jedlik resolviera el problema técnico de la rotación continua con la invención del conmutador, llamó a su primer dispositivo "auto-rotor electromagnético". Aunque solo se usaban para la enseñanza, en 1828 Jedrick demostró el primer dispositivo que contenía los tres componentes principales de un motor de CC práctico: el estator, el rotor y el conmutador. El dispositivo no utiliza imanes permanentes porque los campos magnéticos de los componentes estacionarios y giratorios son generados únicamente por la corriente que fluye a través de sus devanados.
motor de corriente continua
El científico británico William Sturgeon inventó el primer motor de corriente continua de conmutador capaz de hacer girar maquinaria en 1832. Siguiendo el trabajo de Sturgeon, el inventor estadounidense Thomas Davenport construyó un motor de corriente continua de tipo conmutador, que patentó en 1837. El motor funciona a 600 revoluciones por minuto y potencia la herramienta eléctrica y la imprenta. Debido al alto costo de las baterías primarias, el motor eléctrico no fue un éxito comercial y Davenport quebró. Varios inventores siguieron a Sturgeon para desarrollar motores de CC, pero todos se encontraron con el mismo problema de costo de la batería. Sin un sistema de distribución de energía disponible en ese momento, no había un mercado comercial real para estos motores.
Después de muchos otros intentos más o menos exitosos con dispositivos giratorios y alternativos relativamente débiles, el prusiano Moritz von Jacobi creó el primer motor eléctrico giratorio real en mayo de 1834. Produce una salida mecánica extraordinaria. Su motocicleta estableció un récord mundial, que Jacobi mejoró cuatro años más tarde, en septiembre de 1838. Su segunda moto era lo suficientemente poderosa como para conducir un bote de 14-personas en un río ancho. También en 1839/40, otros desarrolladores lograron fabricar motores de rendimiento similar y luego superior.
En 1855, Jedlik construyó un dispositivo capaz de realizar un trabajo útil utilizando principios similares a los utilizados por su ala giratoria electromagnética. Ese mismo año, construyó un modelo de coche eléctrico.
Un punto de inflexión importante se produjo en 1864, cuando Antonio Pacinotti describió por primera vez la armadura toroidal (aunque originalmente se concibió en un generador de CC (es decir, generador)). Esta característica tiene bobinas agrupadas simétricamente que están cerradas entre sí y conectadas a las barras de un conmutador cuyas escobillas proporcionan una corriente casi sin fluctuaciones. Los primeros motores de CC comercialmente exitosos siguieron el desarrollo de Zénobe Gramme, quien en 1871 reinventó el diseño de Pacinotti y adoptó algunas de las soluciones de Werner Siemens.
Los beneficios para el motor de CC se derivan de la reversibilidad del motor, que fue anunciada por Siemens en 1867 y descubierta a través de las observaciones de Pacinotti en 1869 cuando Graham lo demostró accidentalmente, en la Feria Mundial de Viena de 1873, cuando puso los dos Cada uno de estos dispositivos de CC se encuentra a 2 km de distancia entre sí, utilizando uno de ellos como generador y el otro como motor eléctrico.
El rotor de tambor fue introducido en 1872 por Friedrich von Hefner-Alteneck de Siemens y Halske para reemplazar la armadura de anillo de Pacinotti, aumentando así la eficiencia de la máquina. [6] Los rotores laminados fueron introducidos al año siguiente por Siemens & Halske, lo que resultó en pérdidas de hierro reducidas y voltajes inducidos más altos. En 1880, Jonas Wenstrm proporcionó al rotor ranuras para acomodar los devanados, mejorando aún más la eficiencia.
En 1886, Frank Julian Sprague inventó el primer motor de CC práctico, un dispositivo sin chispas que mantenía una velocidad relativamente constante bajo cargas variables. Alrededor de este tiempo, los otros inventos eléctricos de Sprague mejoraron en gran medida el rendimiento de distribución de energía de la red (trabajo realizado antes del mandato de Thomas Edison), permitiendo que la energía de los motores eléctricos regrese a la red, a través de cables aéreos y postes de trole que alimentan los troles y proporcionan el sistema de control para operación eléctrica. Esto llevó a Sprague a inventar el primer sistema de tranvía eléctrico con motores eléctricos en Richmond, Virginia, en 1887-1888, un ascensor eléctrico y un sistema de control en 1892, y un metro eléctrico con vagones controlados centralmente con alimentación independiente. Este último fue instalado por primera vez en Chicago en 1892 por el South Side Elevated Railroad, donde se lo conocía coloquialmente como "L". El motor eléctrico de Sprague y sus invenciones relacionadas generaron interés y encontraron un uso generalizado en motores eléctricos industriales. El desarrollo de motores eléctricos con una eficiencia aceptable se ha retrasado durante décadas debido a que no se reconoció la importancia crítica del espacio de aire entre el rotor y el estator. Los diseños eficientes tienen espacios de aire relativamente pequeños. Por la misma razón, el automóvil de St. Louis, utilizado durante mucho tiempo en las aulas para ilustrar los principios del movimiento, es extremadamente ineficiente y no parece un automóvil moderno.
Los motores eléctricos han revolucionado la industria. Los procesos industriales ya no están limitados por la transmisión de potencia mediante ejes, correas, aire comprimido o sistemas hidráulicos. En cambio, cada máquina puede equiparse con su propia fuente de energía, que puede controlarse fácilmente mientras está en uso y mejorar la eficiencia de la transferencia de energía. Los motores eléctricos utilizados en la agricultura eliminan la fuerza muscular humana y animal de tareas como el manejo de granos o el bombeo de agua. El uso de motores eléctricos en el hogar reduce el trabajo pesado en el hogar y permite estándares más altos de conveniencia, comodidad y seguridad. Hoy, los motores eléctricos consumen más de la mitad de la electricidad producida en los Estados Unidos.
Motor AC
En 1824, el físico francés Franois Arago propuso la existencia de un campo magnético giratorio, conocido como rotación de Arago, abriendo y cerrando manualmente un interruptor, que Walter Baily demostró en 1879 como el primer motor de inducción primitivo. Durante la década de 1880, muchos inventores intentaron desarrollar motores de CA viables [31], ya que las ventajas de los motores de CA en la transmisión de alto voltaje a largas distancias se vieron contrarrestadas por la incapacidad de funcionar con motores de CA.
En 1885, Galileo Ferraris inventó el primer motor de inducción sin conmutador AC. Ferraris mejoró sus primeros diseños al producir unidades más avanzadas en 1886. En 1888, la Real Academia de Ciencias de Turín publicó el estudio detallado de Ferraris sobre la base para el funcionamiento de los motores eléctricos, pero en ese momento concluyó que "un dispositivo basado en este principio no puede tener ningún significado comercial como motor eléctrico".
El posible desarrollo industrial fue concebido por Nikola Tesla, quien inventó su motor de inducción autónomo en 1887 y lo patentó en mayo de 1888. Ese mismo año, Tesla presentó su artículo sobre el AIEE de un nuevo sistema para motores y transformadores de CA como se describe en tres patentes de motores bifásicos de cuatro polos del estator: uno con un rotor de cuatro polos que forma un motor de reluctancia sin arranque automático, y el otro con El rotor bobinado constituye un motor de inducción de arranque automático, y el tercer tipo es un verdadero motor síncrono, que respectivamente proporciona potencia de CC de excitación a los devanados del rotor. Sin embargo, una patente presentada por Tesla en 1887 también describía un motor de inducción de rotor en cortocircuito. George Westinghouse había adquirido los derechos de Ferraris ($1,000) e inmediatamente compró las patentes de Tesla ($60,000, más $2.50 por auto de caballos de fuerza vendidos hasta 1897 pagados en 2010),[32] contrató a Tesla para desarrollar el motor eléctrico y encargó a CF Scott que ayudara a Tesla; sin embargo, Tesla se fue a otro lugar en 1889. [Citas excesivas] Se descubrió que el motor de inducción de CA de velocidad constante no era adecuado para los tranvías, [31] pero los ingenieros de Westinghouse lo adaptaron con éxito para impulsar una operación minera en Telluride, Colorado en 1891. [ 53][54][55] Westinghouse realizó su primer motor de inducción práctico en 1892 y desarrolló una familia de motores de inducción polifásicos de 60 Hz en 1893, pero estos primeros motores de Westinghouse se construyeron con motores de dos fases de rotor bobinado. Posteriormente, BG Lamme desarrolló el rotor bobinado de varilla giratoria. [45]
Al promover firmemente el desarrollo de la tecnología trifásica, Mikhail Dolivo-Dobrovolsky inventó el motor de inducción trifásico en 1889, que es tanto de rotor de ardilla como de rotor devanado con un varistor de arranque, y en 1890 inventó el transformador de tres brazos. Entre AEG y Maschinenfabrik Oerlikon, Doliwo-Dobrowolski y Charles Eugene Lancelot Brown desarrollaron modelos más grandes, una jaula de ardilla de 20 hp y un rotor devanado de 100 hp con un varistor de arranque. Estos fueron los primeros motores asíncronos trifásicos adecuados para la operación práctica. Winstrom ha estado desarrollando máquinas trifásicas similares desde 1889. En la Exposición Electrotécnica Internacional de Frankfurt en 1891, se demostró con éxito el primer sistema trifásico de larga distancia. Tiene una potencia nominal de 15 kV y se extiende 175 km desde Laufen Falls en el Neckar. La central de Lauffen consta de un alternador de 240 kW 86 V 40 Hz y un transformador elevador, mientras que en la exposición un transformador reductor alimenta un motor de inducción trifásico de 100 hp que alimenta una cascada artificial, que representa la transferencia del transformador original. fuente de energía. ] La inducción trifásica ahora se usa en la gran mayoría de las aplicaciones comerciales. Sin embargo, afirmó que los motores eléctricos de Tesla no eran prácticos debido a las pulsaciones bifásicas, lo que lo llevó a ceñirse a su trabajo trifásico.
En 1891, GE comenzó a desarrollar el motor asíncrono trifásico [45] en 1896, GE y Westinghouse firmaron un acuerdo de licencia cruzada para el diseño del rotor de bobinado de barra, más tarde conocido como rotor de jaula. Las mejoras en el motor de inducción surgieron de estos inventos e innovaciones, de modo que el motor de inducción de 100-caballos de fuerza ahora tiene las mismas dimensiones instaladas que el motor de 7.5-caballos de fuerza de 1897.
componentes
Rotor del motor (izquierda) y estator (derecha)
rotor[editar]
Artículo principal: Rotor (eléctrico)
En un motor eléctrico, la parte móvil es el rotor, que hace girar el eje para transmitir potencia mecánica. El rotor normalmente contiene conductores que transportan corrientes que interactúan con el campo magnético del estator para crear una fuerza que hace girar el eje. Alternativamente, algunos rotores llevan imanes permanentes, mientras que los estatores sujetan los conductores.
Llevando
El rotor está soportado por cojinetes que permiten que el rotor gire sobre su eje. Los cojinetes, a su vez, están soportados por la carcasa del motor. El eje del motor se extiende a través del rodamiento hacia el exterior del motor, donde se aplica la carga. Debido a que la fuerza de la carga se aplica fuera del rodamiento exterior, la carga está suspendida. [59]
estator
Artículo principal: Estator
El estator es la parte fija del circuito electromagnético del motor y suele estar formado por bobinados o imanes permanentes. El núcleo del estator consta de muchas láminas de metal delgadas llamadas laminaciones. Las laminaciones se utilizan para reducir las pérdidas de energía que se producirían si se utilizara un núcleo sólido.
entrehierro
La distancia entre el rotor y el estator se denomina entrehierro. Los espacios de aire tienen un impacto significativo y, por lo general, son lo más pequeños posible, ya que los espacios de aire grandes pueden tener un fuerte impacto negativo en el rendimiento. Es la principal fuente de bajo factor de potencia para el funcionamiento del motor. La corriente de excitación aumenta a medida que aumenta el entrehierro. Por lo tanto, el espacio de aire debe minimizarse. Además del ruido y las pérdidas, los pequeños espacios también pueden causar problemas mecánicos.
Rotor de polo saliente
Bobinado[editar]
Artículo principal: Bobinado
Un devanado es un cable colocado en una bobina, generalmente envuelto alrededor de un núcleo ferromagnético blando laminado, para formar polos cuando se energiza.
Los motores vienen en dos configuraciones básicas de polos de campo: salientes y no salientes. En una máquina de polos salientes, el campo magnético de los polos se crea mediante devanados enrollados en los polos debajo de las caras de los polos. En las máquinas de polos no salientes o de campo distribuido o de rotor circular, los devanados se distribuyen en ranuras de cara polar. [60] Un motor de polo sombreado tiene una parte enrollada de un polo que retarda la fase del campo magnético de ese polo.
Los conductores de algunos motores eléctricos consisten en metales más gruesos, como tiras o láminas de metal, generalmente cobre o aluminio. Estos suelen ser impulsados por inducción electromagnética.
conmutador
Artículo principal: Conmutador (eléctrico)
Pequeño motor DC para juguetes y su conmutador
Un conmutador es un mecanismo utilizado para cambiar la entrada de la mayoría de los motores de CC y algunos motores de CA. Consiste en segmentos de anillos colectores aislados entre sí y del eje. La corriente de armadura del motor se suministra a través de escobillas estacionarias en contacto con el conmutador giratorio, lo que provoca la inversión de corriente requerida y, a medida que el rotor gira de polo a polo, alimenta el motor de la mejor manera posible. [61][62] En ausencia de esta inversión de corriente, el motor frenará hasta detenerse. Los motores de imanes permanentes y de inducción conmutados externamente están reemplazando a los motores conmutados electromecánicos, dada la tecnología mejorada en los campos de los controladores electrónicos, el control sin sensores, los motores de inducción y los motores de imanes permanentes.
Suministro y control de motores
Fuerza de motor
Como se mencionó anteriormente, los motores de CC generalmente se alimentan mediante conmutadores de anillos deslizantes. La conmutación del motor de CA se puede lograr utilizando un conmutador de anillo deslizante o una conmutación externa, y puede ser de tipo de control de velocidad fija o variable, y también puede ser de tipo síncrono o asíncrono. Los motores eléctricos de uso general pueden funcionar con CA o CC.
control del motor
Al ajustar el voltaje de CC aplicado a los terminales, los motores de CC pueden funcionar a velocidades variables.
Los motores de CA, que normalmente funcionan a velocidad fija, se alimentan directamente de la red o mediante un arrancador suave de motor.
Los motores de CA que funcionan a velocidad variable están alimentados por varios inversores de potencia, variadores de frecuencia o tecnologías de conmutadores electrónicos.
El término conmutador electrónico a menudo se asocia con aplicaciones de motores de CC sin escobillas autoconmutados y motores de reluctancia conmutados.
