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Sábado, Julio 11, 2020

Una mirada en retrospectiva del motor eléctrico

Una mirada retrospectiva a cómo Davenport, Faraday y Henry comenzaron el viaje del motor eléctrico que conocemos hoy en día.

La fuerza impulsora detrás de la mayoría de la automatización de hoy comienza con un motor. Se podría argumentar con confianza que incluso el aire necesita un motor para ponerlo en movimiento. Después de todo, los sistemas de aire e hidráulicos necesitan un motor para impulsar la bomba y darle fuerza al medio.

Los motores han existido por mucho tiempo. Según el Edison Tech Center, el primer motor eléctrico "real" fue inventado por Thomas Davenport de Vermont en 1834. Mientras que los experimentos anteriores de Joseph Henry y Michael Faraday incursionaron en el uso de campos electromagnéticos, fue Davenport el que hizo un motor que fue lo suficientemente potente como para realizar realmente el trabajo. La base, por supuesto, fue puesta por Henry y Faraday.

Faraday, un científico inglés, estudió el campo magnético que se proyectaba alrededor de un conductor cuando se aplicaba corriente continua. Henry, un estadounidense, trabajó con la inducción electromagnética. Después de trasladar sus estudios a la Universidad de Princeton, Henry pudo hacer un viaje a Inglaterra donde conoció a Faraday, y sus esfuerzos conjuntos son la base de los electroimanes y transformadores que usamos hoy. La medida de inducción se llama Henry, en honor a Joseph Henry, y la unidad de capacitancia del S.I. se llama Faradio, en honor a Faraday.

El principio del motor eléctrico comienza con el electroimán. El cable aislado, envuelto alrededor de un núcleo de hierro, hace que el núcleo desarrolle un campo magnético cuando se aplica electricidad al cable. Si se introduce una bobina secundaria en el campo magnético desarrollado por la bobina primaria, se puede generar movimiento. En un motor, la bobina estacionaria externa se llama estator, y la bobina giratoria interna se llama rotor. El rotor contiene bobinas bien enrolladas contenidas en una carcasa lisa para proteger las bobinas de daños durante la rotación. El rotor está sujeto a los polos magnéticos del exterior (estator). La rotación se induce a medida que los polos del rotor son atraídos y luego repelidos por los polos del estator.

La fuerza de un motor está determinada por el voltaje aplicado y la longitud del cable que forma los devanados en el núcleo del estator. El cobre es el material más común usado en bobinados; también se puede utilizar aluminio, pero el tamaño del cable debe ser de un diámetro mayor para conducir la misma cantidad de corriente que la versión de cobre.

Otro pionero temprano, Hippolyte Pixii, descubrió que, si gira el rotor en un motor, se pueden generar pulsos eléctricos desde el estacionario (estator) del motor. Esto se conoce comúnmente como generador y es el principio básico utilizado en la generación y transmisión de electricidad en todo el mundo. Los conocidos centros de generación de energía en las Cataratas del Niágara (Canadá y Nueva York) utilizan el cambio de elevación desde el lago Erie (aguas arriba) y el lago Ontario (aguas abajo) para dirigir el agua sobre las paletas de una turbina que está conectada al rotor de un generador.

Los motores eléctricos vienen en versiones de CA y CC. Existen cuatro tipos básicos de motores de CA, que incluyen inducción, universal, síncrono y polo sombreado.

En un motor universal, la bobina primaria está en el rotor con la bobina secundaria en el estator. Este tipo de motor puede ser accionado por corriente alterna (CA) o corriente continua (CC), de ahí el nombre universal. La corriente se transfiere al rotor por medio de escobillas. A medida que el rotor se mueve, las escobillas hacen contacto y se interrumpen con secciones de metal, llamadas conmutadores, conectadas a los cables de los devanados primarios. Estos motores cuentan con un alto par de arranque y pueden funcionar a altas velocidades. Como tal, un uso muy común del motor universal es en herramientas manuales y pequeños electrodomésticos, como aspiradoras y lavadoras. Una desventaja del motor universal es que las escobillas se desgastan con el tiempo y deben reemplazarse.

El motor síncrono se desarrolló en 1925 y es similar a un motor de inducción, pero se mueve según la frecuencia de línea. A una frecuencia dada, el motor gira a una velocidad constante. La velocidad está determinada por el número de bobinas utilizadas. Los motores de este tipo no pueden manejar un par variable y pueden detenerse.

El motor de polo sombreado es un motor monofásico de corriente alterna que tiene una sola bobina con el eje girando en el medio. El eje está hecho de acero con bandas de cobre entrelazadas. Cuando se aplica electricidad a la bobina, un retraso en el flujo que pasa alrededor de la bobina hace que la intensidad del magnetismo se mueva alrededor de la bobina, haciendo que el eje (rotor) gire. Este tipo de motor tarda en arrancar pero, una vez a velocidad, genera un buen par constante. Para este propósito, se usa comúnmente para conducir un ventilador o un abrelatas.

El motor de CC viene en dos tipos, con escobillas y sin escobillas. La función del motor CC con escobillas es la misma que el motor universal descrito anteriormente. Hay cinco tipos de motores CC: bobinado en derivación, bobinado en serie, imán permanente, compuesto y excitados por separado.

Los motores de CC de imanes permanentes pueden funcionar a altas velocidades, lo que los hace excelentes para su uso en aplicaciones de transporte.

En aplicaciones de motores de CC sin escobillas, los tipos principales son motores paso a paso y sin núcleo (o sin hierro). El motor CC paso a paso mueve el rotor en pasos incrementales. Esto se hace usando electroimanes dentados alrededor de una pieza de núcleo de hierro en forma de engranaje. El voltaje de excitación viene en forma de onda cuadrada. Cada paso equivale a un paso del núcleo. La velocidad se varía aumentando o disminuyendo la frecuencia de los pasos. Se usa una segunda señal para cambiar la dirección (polaridad) de la señal de onda cuadrada.

Hoy en día, podemos usar una combinación de los motores detallados hasta ahora, pero es el desarrollo posterior del motor paso a paso el que ha proporcionado el mayor avance en tecnología. Un motor paso a paso es preciso, ya que proporciona movimiento en función del número de pasos (pulsos) que se le proporcionan. Sin embargo, el paso a paso es un sistema de bucle abierto, ya que no tiene un dispositivo de retroalimentación. Para ejecutar un m preciso

Además, se debe hacer referencia al motor stepper en el encendido para saber en qué posición se encuentra. Los steppers tienen una función limitada porque no pueden conducir nada por encima de sus capacidades. Hacerlo resultará en pulsos perdidos y posicionamiento incorrecto.

Llevando el paso a paso al siguiente nivel, se agrega un encoder para crear un control de bucle cerrado. Este sistema de circuito cerrado es lo que conocemos como un sistema servo. La principal diferencia de un paso a paso está en el software. No hay una clase específica de motor que lo haga servo. Es en el algoritmo del amplificador y del software que el motor y el método de retroalimentación crean el movimiento preciso, la alta velocidad y el par que esperamos de un servo sistema.
Los avances en la tecnología de motores se centran en una mejor eficiencia para reducir el costo de operación y, en todos los tipos de motores, un mejor rendimiento en paquetes cada vez más pequeños. Los servosistemas han evolucionado hasta el punto en que el amplificador y el motor están en un solo paquete. El cableado de campo se simplifica al nivel donde un solo cable puede transportar energía, control y comunicaciones.

A principios del siglo XIX, se jugaba con electroimanes. Henry no solo fue el padre de la inductancia sino el inventor de la base del transformador. Uno de los primeros inventos de Henry fue un separador de minerales. Fue en 1831 cuando Davenport, el inventor de Vermont, fue testigo por primera vez de este dispositivo y unos años más tarde se le ocurrió el primer motor eléctrico. Cinco años después, en 1836, Henry desarrolló la "batería", un dispositivo que luego utilizó Samuel Morse para enviar pulsos eléctricos a través de los cables a grandes distancias. Henry fue el primer secretario del Smithsonian, importante para el desarrollo del Servicio Meteorológico Nacional y el segundo presidente de la Academia Nacional de Ciencias. Fue el asesor científico del presidente Abraham Lincoln.

Estamos casi 200 años más allá de los primeros experimentos de Henry, Faraday y Davenport. Se han logrado avances sorprendentes en los años siguientes.

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