Figura 1: La espira giratoria
La máquina electromagnética más sencilla consta
de una simple bobina en el rotor que gira en el interior de un campo magnético
fijo creado por un electroimán o un imán permanente.
Leyenda de la figura 1: La espira giratoria
(1) Inductor
El inductor genera un campo magnético constante
creado por un electroimán o un imán permanente. El inductor también se conoce
como excitación.
(2) Escobillas
Suelen ser de grafito y permiten el contacto
deslizante del inducido con el circuito exterior para poder introducir o
extraer corriente.
(3) Inducido
El inducido recibe el flujo magnético del
inductor y se inducen en él corrientes que se cierran por un circuito exterior.
(4) e (f.e.m.)
El voltaje inducido en la espira se obtiene
aplicando:
Cuando (1) y (2) sean perpendiculares en cada
conductor de la espira* se induce una tensión e = v · β · l que para los dos
conductores de la espira dará un valor máximo en bornes de las escobillas de:
* Regla de la mano derecha
Figura 2: Regla de la mano derecha
Primera mejora de la máquina elemental
Figura 3: Primera mejora de la
máquina elemental
Para obtener un voltaje unidireccional a partir
de la tensión alterna que genera la espira elemental, se utiliza un colector
que permite invertir mecánicamente las tensiones negativas. Se obtiene así una
tensión unidireccional.
Leyenda de la figura 3: Primera mejora de la
máquina elemental
(1) Colector de delgas
La conexión con el exterior se realiza por medio
de dos semianillos aislados entre sí. Estos anillos se conocen como delgas y
forman un conmutador mecánico.
(2) Escobillas
Las escobillas se disponen de tal forma que el
intercambio de delgas se produzca en el ángulo en que el voltaje de la espira
sea igual a cero. En ese momento la escobilla produce un pequeño cortocircuito
entre las dos delgas.
(3) e (f.e.m.): (ver punto 4 de la leyenda de la
figura 1)
Máquina
de corriente continua definitiva
Figura 4: Máquina de corriente
continua definitiva
En la máquina de corriente continua definitiva se
aumentan las espiras y delgas del colector para conseguir que la tensión
unidireccional que aparece entre los terminales del circuito exterior sea
prácticamente uniforme.
(1) e (f.e.m.) (ver punto 4 de la leyenda de la
figura 1)
Obtención
de la f.e.m. resultante en bornes de las escobillas
Figura 5: Obtención de la f.e.m.
resultante en bornes de las escobillas
Expresión
de la f.e.m
El resultado de disponer muchas espiras
conectadas en serie es que la f.e.m generada será mucho mayor que la originada
por una única espira.
También aumenta la fuerza electromotriz cuanto
más intenso sea el campo magnético y cuanto más elevada sea la velocidad con
que se cortan las líneas de fuerza.
Tensión
y Par generados por una máquina de c.c.
Generador
c.c.: Tensión inducida
El generador c.c. genera una tensión continua a
partir del movimiento rotativo de una o varias espiras en el interior de un
campo magnético constante.
Generador básico
Un generador es un motor a la inversa. Al hacer
girar la bobina dentro del campo magnético de los imanes se produce corriente
eléctrica. Las centrales eléctricas utilizan generadores inmensos para producir
la electricidad.
Figura 6: Generador de corriente
continua
El sentido de la corriente se invierte cada medio
giro de la manivela. Una de las escobillas siempre es negativa y la otra
positiva y producen corriente continua.
El voltaje inducido en cada conductor de cada
espira de la máquina se obtiene por aplicación de la Ley de Faraday expresada
en la forma:
(1) I = longitud del conductor del
rotor (m)
La f.e.m que se obtiene en bornes de las
escobillas se obtiene por suma de las tensiones inducidas individualmente:
Casos particulares:
1.
Máquinas de
imanes permanentes
En este tipo de máquinas el flujo es
prácticamente constante de ahí que la f.e.m generada dependa únicamente de la
velocidad de rotación del motor primario, para una misma disposición
constructiva.
2.
Máquinas con
devanados de excitación
El flujo en este tipo de máquinas depende de la
intensidad que pase por los devanados de excitación. Si el circuito magnético
es lineal (sin saturación) se tendrá:
(1) Φ = flujo de
excitación por polo
(2) K = c · p/π constante constructiva de la máquina
p = nº de pares de polos
c = nº de conductores puestos en serie
por las escobillas
Figura 7
Motor
c.c.: Par generado
El motor c.c. genera un par mecánico y un
movimiento rotativo asociado a partir de una corriente continua inyectado sobre
una a varias espiras en el interior de un campo magnético constante.
Motor básico
La fuerza generada sobre un conductor de una
espira se obtiene aplicando la Ley de Biot Savart:
(1) l = longitud del conductor del
rotor (m)
Figura 8: Regla de la mano izquierda
El par que desarrolla:
Γ conductor = F · r = l · i · β · r (N.m)
Para un motor con un número elevado de
conductores:
Continúa en: Principios de funcionamiento de las máquinas de corriente continua (y Parte 2ª)
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