Motores eléctricos y de combustión

Motores eléctricos y de combustión
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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
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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
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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.
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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.
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CAPITULO I
MOTORES ELÉCTRICOS
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
(
) , donde es la velocidad de la barra relativa al campo
ecuación
magnético, es el vector de densidad de campo y es la longitud del conductor.
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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:
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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.
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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
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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.
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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 711%. 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.
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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.
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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.
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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
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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 parvelocidad 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.
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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
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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.
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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.
1.5.2.1 Aplicaciones
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
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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.
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1.5.3.1 Aplicaciones
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
Diseño de elementos de máquinas III
Motores eléctricos y de combustión
25
Fig. 19 Esquema de motor de arranque por capacitor.
1.5.4.1 Aplicaciones
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.
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Motores eléctricos y de combustión
26
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.
1.5.5.1 Aplicaciones
Diseño de elementos de máquinas III
Motores eléctricos y de combustión
27
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
Diseño de elementos de máquinas III
Motores eléctricos y de combustión
28
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.
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Motores eléctricos y de combustión
29
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,
frecuencia eléctrica del sistema.
es la velocidad de sincronismo y
es la
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.
Diseño de elementos de máquinas III
Motores eléctricos y de combustión
30
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.
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31
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:
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32
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
Diseño de elementos de máquinas III
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33
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.
Diseño de elementos de máquinas III
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34
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.
Diseño de elementos de máquinas III
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35
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.
Diseño de elementos de máquinas III
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36
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.
Diseño de elementos de máquinas III
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37
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.
Diseño de elementos de máquinas III
Motores eléctricos y de combustión
38
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.
Diseño de elementos de máquinas III
Motores eléctricos y de combustión
39
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.
Diseño de elementos de máquinas III
Motores eléctricos y de combustión
40
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.
Diseño de elementos de máquinas III
Motores eléctricos y de combustión
41
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
Diseño de elementos de máquinas III
Motores eléctricos y de combustión
42
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
Diseño de elementos de máquinas III
Motores eléctricos y de combustión
43
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.
Diseño de elementos de máquinas III
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44
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
Diseño de elementos de máquinas III
Motores eléctricos y de combustión
45
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.
Diseño de elementos de máquinas III
Motores eléctricos y de combustión
46
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.
Diseño de elementos de máquinas III
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CAPITULO II
MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA
Diseño de elementos de máquinas III
47
Motores eléctricos y de combustión
48
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.
Diseño de elementos de máquinas III
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49
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:
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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
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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.
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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
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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
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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.
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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.
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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
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