CAPÍTULO 2: SISTEMAS DE TRACCIÓN-FRENADO
2.1. Jeumont Heidmann (JH)
2.1.1. Motores de Corriente Continua
Aunque la construcción mecánica de los motores y los generadores de corriente continua es muy similar, sus funciones son muy diferentes. La función de un generador es generar una diferencia de potencial cuando se mueven conductores en un campo magnético, mientras que la de un motor es producir una fuerza giratoria llamada par, que produce una rotación mecánica.
Principio de Funcionamiento
Oersted descubrió que la electricidad se puede usar para producir movimiento. Aprovechando este descubrimiento, Faraday construyó en 1821 el primer motor eléctrico del mundo. Era un motor ingenioso pero no se podía usar para efectuar un trabajo práctico. Esto se debía a que su eje impulsor estaba encerrado y sólo podía producir un movimiento orbital interno; no podía transferir su energía mecánica al exterior, para impulsar una carga externa. No obstante, aquel motor sirvió para mostrar cómo se podía hacer que los campos magnéticos de un conductor y un imán interactuaran para producir un movimiento continuo. En el motor de Faraday, el rotor de alambre giraba fuera del campo del imán. En un motor práctico, el rotor debe atravesar las líneas de fuerza del imán.
Cuando se hace pasar una corriente a través del conductor, se producen líneas de fuerza circulares a su alrededor. La dirección de estas líneas de flujo es descrita por la regla de la mano izquierda. Las líneas de fuerza de un imán van del polo N al polo S. En un lado del alambre, las líneas de fuerza magnéticas tienen la misma dirección que el campo circular que rodea al conductor. En cambio, al otro lado siguen la dirección opuesta; como resultado, las líneas de flujo del conductor se oponen a las líneas de flujo del imán. Como las líneas de flujo siguen la trayectoria de menor resistencia, en el otro lado del conductor se concentra un mayor número de ellas. Debido a esto, las líneas de flujo se desvían y queda muy poco espacio entre ellas. Estas líneas tienden a enderezarse y separarse más ampliamente, por lo cual, la parte del campo donde éstas están más curvas y densas, empuja al conductor hacia el otro lado.
La dirección en que se mueve el conductor se determina por la regla de la mano derecha. Si la corriente que fluye en el conductor siguiese la dirección opuesta, la dirección de las líneas de flujo se invertiría y el conductor sería impulsado en sentido opuesto. La regla de la mano izquierda indica la dirección de las líneas de flujo que hay alrededor de un conductor que lleva corriente. Cuando el pulgar señala en dirección de la corriente eléctrica, los otros dedos señalarán en la misma dirección que las líneas de fuerza magnéticas.
La regla de la mano derecha para motores indica la dirección en que un conductor con corriente se moverá en un campo magnético. Cuando el índice señala en dirección de las líneas de campo magnético y el dedo cordial se alinea en la misma dirección que la corriente del conductor, el pulgar señalará la dirección hacia donde se moverá el conductor.
Par y Movimiento Rotatorio
Un motor debe producir movimiento rotatorio continuo, para lo cual es necesario desarrollar una fuerza de torsión llamada par. Si el conductor recto del motor se dobla en forma de espira, se puede ver como se produce el par. Si la espira se conecta a una batería, la corriente fluye en una dirección en un lado de la espira y en la dirección opuesta en el otro. Por lo tanto, las líneas de fuerza concéntricas que se producen alrededor de la espira también siguen una dirección en un lado y la opuesta en el otro.
Si la espira se monta en un campo magnético fijo y se le alimenta con una corriente, las líneas de flujo del campo interactuarán en ambos lados de la espira, haciendo que ésta funcione como una palanca con una fuerza que empuja sobre sus dos lados en direcciones opuestas. Las fuerzas combinadas constituyen el par, debido a que la espira está dispuesta a girar sobre su eje. En un motor, la espira que se mueve en el campo se llama armadura o rotor. La fuerza giratoria total en la armadura depende de varios factores, incluyendo intensidad de campo, intensidad de la corriente de armadura y la estructura física de la misma, especialmente la distancia que hay entre los lados de la espira y las líneas del eje. Debido a este efecto de palanca, las fuerzas ejercidas sobre los lados de la espira de la armadura aumentan cuando los lados de la espira se alejan del eje; de ahí que las armaduras más grandes produzcan pares mayores. El par determina la cantidad de energía que puede aprovecharse para producir trabajo útil. Cuanto mayor sea el par mayor será dicha energía. Si el motor no produce el par suficiente para impulsar su carga, entonces se atasca.
Cuando la espira está perpendicular al campo, la interacción entre los campos cesa. Esta posición se conoce como plano neutro; en ella no se produce par y la reacción de la armadura debe cesar; sin embargo, la inercia hace que un objeto que se mueve conserve su movimiento, aun después de que la fuerza motriz ha sido retirada, por lo cual, la armadura sigue girando y pasa más allá del plano neutro. Pero cuando la armadura continua, los lados de la espira comienzan a entrar a las líneas de flujo comprimiéndolas nuevamente. Como consecuencia, las líneas de flujo ejercen una fuerza que empuja hacia atrás los lados de la espira y se produce un par en la dirección opuesta. Así, en lugar de una rotación continua, se produce un movimiento oscilatorio hasta que la armadura se detiene en plano neutro.
Para obtener una rotación continua, es necesario que la armadura se mantenga girando en la misma dirección al pasar por el plano neutro, lo cual se logra invirtiendo la dirección del campo polar, o bien, la dirección del flujo de corriente que pasa a través de la armadura en el instante en que ésta pasa por el plano neutro. Las inversiones de corriente de este tipo suelen realizarse mediante dispositivos de cambio de circuito. Como el interruptor correspondiente tendría que sincronizarse con la armadura, resulta más lógico construirlo sobre la armadura que en el campo. El dispositivo interruptor práctico que puede cambiar la dirección del flujo de corriente en una armadura para mantener la rotación continua, se llama conmutador. En el caso de la armadura de una espira, el conmutador consiste en un anillo conductor que se divide en dos segmentos, cada uno de los cuales está conectado a un extremo de la espira de la armadura. La potencia de la armadura procede de una fuente externa, como una batería, y llega al conmutador por medio de escobillas.
Los motores de corriente continua han sido clasificados eléctricamente según la forma en que sus devanados de campo están conectados a la fuente de energía eléctrica que los impulsa. Los nombres descriptivos de derivación, serie y compuesto, identifican los tres tipos principales de motores de corriente continua. En el motor en derivación, el devanado de campo y el de armadura se conectan en paralelo al circuito de entrada. En el motor serie, el devanado de campo y el de armadura están conectados en serie. Y en el motor compuesto, las conexiones en paralelo y serie se combinan en una sola máquina.