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Máquinas eléctricas
Juan Carlos Martín Castillo
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1
Magnetismo
y electromagnetismo
vamos a conocer...
1. Magnetismo
2. Campo magnético
3. Electromagnetismo
4. Clasificación de máquinas eléctricas
PRÁCTICA PROFESIONAL
Comprobación del campo magnético
generado en una bobina
MUNDO TÉCNICO
El tren de levitación magnética
y al finalizar esta unidad...
Conocerás cuáles son los principios que
fundamentan el funcionamiento de las
máquinas eléctricas.
Sabrás cómo se comportan los diferentes tipos
de materiales ante la presencia de un campo
magnético.
Experimentarás cómo el paso de una corriente
eléctrica por un conductor o una bobina
produce un campo magnético.
Conocerás cuál es la clasificación de las
máquinas eléctricas.
Interpretarás cómo son las curvas de
magnetización de los materiales
ferromagnéticos.
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CASO PRÁCTICO INICIAL
situación de partida
La empresa MantenExpress lleva más de 15 años en el sector
del mantenimiento. Su línea de trabajo se centra principalmente
en las instalaciones eléctricas de viviendas y edificios del sector
terciario. De un tiempo a esta parte, el tejido industrial de su
radio de acción ha crecido de forma considerable, ya que se han
creado numerosas empresas de fabricación de productos para
mecanizado que disponen de un alto grado de automatización.
Sus cadenas de montaje disponen de un buen número de máquinas eléctricas de todo tipo. Esta situación ha generado un nuevo
mercado en el ámbito del mantenimiento por lo que el gerente
de la empresa ha decidido trabajar en esta nueva actividad. Ha
designado a dos de sus empleados para que se formen en todo
lo relacionado con las máquinas eléctricas. Estos tienen mucha
experiencia en tareas de montaje y mantenimiento de instalaciones eléctricas y, aunque en numerosas ocasiones han tenido que
instalar máquinas eléctricas, nunca han realizado operaciones de
mantenimiento o reparación en el interior de las mismas.
Los dos operarios, Fermín y Abel, se ha puesto manos a la obra y
les han surgido todo tipo de dudas y cuestiones como las que se
indican a continuación.
estudio del caso
Antes de empezar a leer esta unidad de trabajo, puedes contestar las dos primeras preguntas. Después, analiza cada
punto del tema, con el objetivo de contestar al resto de las preguntas de este caso práctico.
1. Fermín y Abel han observado, en las hojas de características, que algunos de los motores que han instalado
disponen de imanes permanentes de neodimio, ¿a
qué se refiere exactamente?
5. ¿Cualquier material metálico puede ser bueno para
construir núcleos magnéticos?
6. En algún catálogo o documentación comercial Fermín
y Abel han leído que los mejores resultados para la
construcción de transformadores se obtienen utilizando chapas de grano orientado, ¿a qué es debido?
2. Desde el punto de vista del magnetismo, ¿qué ocurre
en un conductor cuando es recorrido por una corriente
eléctrica?
7. ¿Qué es la curva de magnetización de un material?
3. ¿Es posible medir un campo magnético de forma directa? ¿Con qué instrumento?
8. ¿Es importante que los núcleos de las máquinas eléctricas tengan una alta remanencia?
4. Fermín y Abel han desmontado en varias ocasiones
máquinas de tipo rotativo y siempre han observado
que los devanados se encuentran bobinados sobre
núcleos metálicos. ¿Cuál es el motivo de que estos no
se hagan al aire?
9. Las máquinas rotativas disponen de un circuito cableado en su parte giratoria (rotor), ¿cómo conseguimos
alimentarlos sin que los cables se retuerzan?
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Unidad 1
6
1. Magnetismo
saber más
Los fenómenos del magnetismo
fueron observados por primera vez
por lo griegos en una ciudad de
Asía Menor denominada Magnesia del Meandro, considerándose
al filósofo Tales de Mileto como
la primera persona que estudió y
documentó dicho fenómeno.
saber más
Tierras raras es un grupo de 17
elementos de la tabla periódica
que, si bien a principios del siglo
xx no tenían demasiada utilidad
debido a que eran muy difíciles
de separar químicamente, en la
actualidad son elementos de alta
tecnología, ya que son imprescindibles tanto para la fabricación
de teléfonos móviles como para
la construcción de determinadas
máquinas eléctricas controladas
de forma electrónica.
Las máquinas eléctricas basan su funcionamiento en los fenómenos del magnetismo y del electromagnetismo, por tanto será necesario conocerlos para
comprender cómo están constituidas, cómo funcionan y cómo actuar en caso de
reparación o mantenimiento.
Se denomina magnetismo a la propiedad que tienen determinados materiales,
en estado natural o artificial (forzado mediante la aplicación de alguna técnica
externa), para atraer el hierro. Así, dicha propiedad puede ser aprovechada para
la transformación de energía eléctrica en mecánica, y viceversa.
A los elementos que tienen esa propiedad de atracción se les denomina imanes,
pudiendo clasificarse en permanentes y temporales según su capacidad de mantener el magnetismo.
• Imanes permanentes. Son aquellos en los que los efectos de imanación se
mantienen de forma continuada. Pueden estar magnetizados de forma natural
o artificial.
N
S
a
caso práctico inicial
Debido a sus potentes campos
magnéticos, los imanes permanentes de neodimio han permitido crear máquinas rotativas sin
devanados eléctricos, permitiendo
así simplificar su interior.
S
N
Figura 1.1. Polos en imanes permanentes.
• Imanes temporales. Son aquellos que mantienen el magnetismo solamente
mientras se produce un fenómeno físico de magnetización sobre ellos. Este es el
caso de los electroimanes, que solamente mantienen el magnetismo si se aplica
corriente a un circuito eléctrico de excitación.
a
Figura 1.2. Imán temporal.
Otra clasificación posible los divide en naturales y artificiales en función de cómo
haya sido generada la magnetización.
• Imanes naturales. Son de origen mineral y poseen de forma natural esa propiedad de atracción. Pueden ser cerámicos o de tierras raras. Los de tipo cerámico
están formados por bases de óxido de hierro, de estroncio o de bario. Los de tierras raras, de elementos como el neodimio y el samario, son la última generación
de materiales magnéticos. Son mucho más potentes que los cerámicos, poseen
una elevada remanencia y son capaces de trabajar a elevadas temperaturas.
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Magnetismo y electromagnetismo
7
Algunos de los imanes mencionados son los siguientes:
saber más
La Tierra se comporta como un
gran imán, lo cual ha sido aprovechado durante siglos para tareas
de orientación. Para ello se utiliza
la conocida brújula magnética,
que se orienta con el campo magnético terrestre.
N
Geográfico
Magnético
a
Figura 1.3. Diferentes tipos de imanes permanentes cerámicos y de neodimio (Cortesía de IMA
S.L.).
• Imantes artificiales. En ellos el campo magnético se genera mediante un estímulo externo, como puede ser el acercamiento de otro imán o el paso de una
corriente eléctrica próxima al metal a magnetizar. Así, dependiendo del tipo
de material, la magnetización puede hacerse de forma permanente o temporal.
Esta última propiedad es aprovechada para el funcionamiento de las máquinas
eléctricas que aquí se van a estudiar.
Las partes de los imanes que poseen mayor fuerza magnética son los denominados polos, que se identifican como norte y sur. La línea de unión de ambos
polos se denomina línea neutra, ya que es el lugar en el que es menor la magnetización.
De todos son conocidas las propiedades de atracción y repulsión de los imanes,
según estas, si se intenta unir dos imanes por los polos del mismo signo, estos se
repelen.
S
Es importante saber que el norte
geográfico no coincide con el norte magnético. Así, al ángulo comprendido entre ambos se le denomina declinación magnética.
saber más
Atracción
Repulsión
Hasta no hace mucho tiempo, el
uso de los imanes permanentes
en el campo de las maquinas eléctricas se reducía a la construcción
N
S
S
N
S
N
de motores de
S baja potencia. Sin
N
embargo, con la introducción en
a Figura 1.4. Atracción entre imanes.
los años 90 de elementos magnéticos como en neodimio, se ha perPor otro lado, si se hace lo mismo por polos de signo contrario, estos se atraen.
mitido su aplicación en una amplia
gama de máquinas de aplicación
Por tanto, este comportamiento de los elementos magnéticos es ampliamente
industrial.
utilizado para hacer funcionar máquinas eléctricas, especialmente las de tipo
rotativo.
Atracción
N
S
Repulsión
N
S
a
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N
N
S
Figura 1.5. Repulsión entre imanes.
a Figura 1.6. Motor eléctrico de
imanes permanentes.
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Unidad 1
8
2. Campo magnético
Es la región del espacio en la que se perciben las fuerzas magnéticas de un imán o de
un elemento magnetizado. En él se produce un desplazamiento de cargas cuyo sentido se ha establecido por convención, del polo norte al polo sur. Se representan de
forma gráfica mediante las de nominadas líneas de fuerza o de inducción magnética.
Así, si se pudieran visualizar las líneas de fuerza que se producen cuando dos imanes se acercan entre sí, se observaría algo similar a lo representado en las siguientes figuras. Cuando se unen dos polos del mismo signo, las líneas se enfrentan y
por tanto se repelen.
S
N
N
S
saber más
El Sistema Internacional de medida (SI) es ampliamente aceptado
por la mayoría de los países. Este
ha sustituido casi por completo al sistema cegesimal (CGS);
sin embargo, algunos autores y
miembros de la comunidad científica siguen usando el formato CGS
para tomar medidas en sistemas
electromagnéticos. Por tanto, es
conveniente saber que el maxvelio
(Mx) es la unidad del flujo magnético, y el gauss (Gs) la de la inducción magnética.
a
Figura 1.7. Líneas de fuerza en dos imanes en repulsión.
Por el contrario, si se unen dos polos del diferente signo, las líneas de fuerza se
suman y los imanes se atraen.
S
N
S
N
La relación entre las unidades de la
misma magnitud para el Sistema
Internacional es la siguiente:
1 Wb = 108 Mx
a
Figura 1.8. Líneas de fuerza en dos imanes en atracción.
1 T = 104 Gs
2.1. Flujo magnético
Es el número total de líneas de fuerza que forman un campo magnético. El flujo magnético se representa mediante la letra griega Φ (fi), cuya unidad es el weber (Wb).
2.2. Inducción magnética
caso práctico inicial
El campo magnético puede ser
medido de forma directa, y sin
conexión física, mediante un instrumento denominado teslámetro.
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Es la cantidad de líneas de fuerza que traspasa una unidad de superficie. La inducción magnética, también denominada como densidad de flujo magnético, se
representa con la letra B, aunque durante mucho tiempo se ha estado utilizando
la letra griega b (beta). La unidad es el tesla (T).
La relación existente entre el flujo y la inducción magnética es la siguiente:
Φ=B·S
La variable S representa la superficie que atraviesan las líneas de campo. Se mide
en m2.
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Magnetismo y electromagnetismo
9
El instrumento que permite conocer el valor de inducción magnética en un campo magnético se denomina teslámetro. Dicho aparato funciona a partir de la recepción de los valores enviados por una sonda basada en un sensor de efecto Hall.
saber más
En la siguiente figura pueden distinguirse las partes de un teslámetro:
El efecto Hall debe su nombre al
físico de origen americano que lo
descubrió a finales del siglo xix.
Consiste en aprovechar el campo
eléctrico que se produce en un
conductor por el que circula una
corriente eléctrica que se encuentra bajo la influencia de un campo
magnético.
c
Figura 1.9. Teslámetro con sonda de
efecto Hall (Cortesía
de 3B Scientific).
La calidad de la chapa magnética utilizada en las máquinas eléctricas depende
de la información que da el fabricante en función de los valores de la inducción
magnética. Así, con valores altos de inducción, los resultados en el circuito
magnético serán mejores. De hecho, los materiales empleados en este caso serán
más caros y no resultarán válidos para todas las aplicaciones. Un ejemplo podría
ser el de un transformador que utiliza una chapa metálica que trabaja a 1,5 T, en
este caso el rendimiento de dicho transformador sería mayor que en el caso de
trabajar con una chapa para 1 T. Aun así, es importante recordar que el acabado
del primero sería más caro que el del segundo.
actividades
1. Utilizando un teslámetro experimenta cómo cambia el valor del campo magnético de diferentes tipos de imanes permanentes (ferrita, neodimio, etc.). Realiza la comprobación acercando y alejando la sonda a los polos y
sobre la línea neutra.
Imán
Sonda
|||
|||
|||
|||||||
|||||
|||
|||
|||
|||
0
100
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|
|||
||| || |||||
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|||||||
|||
|||
||
|||
|
0
100
|||
|||
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||||
|||
||
50
|||
|
|||||||
|||
|||||||
|||||||
|||||
50
|| | || ||||
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|||||
|||
||||
|||
|||
50
|||||||||
|||
||||
|||
|||
0
||
N
|||
S
100
Teslámetro
a
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Figura 1.10. Medida del campo magnético de un imán con un teslámetro.
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Unidad 1
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3. Electromagnetismo
caso práctico inicial
El simple hecho de que un conductor sea recorrido por una
corriente eléctrica, genera un campo magnético a su alrededor, siendo este el principio básico para el
funcionamiento de las máquinas
eléctricas.
saber más
Otra forma de averiguar el sentido del campo magnético en un
conductor rectilíneo se basa en la
regla del sacacorchos, donde el
avance de este representa el sentido de la corriente, y el giro que
realiza al avanzar indica el sentido
de las líneas de fuerza.
Se denomina electromagnetismo a aquella parte de la electrotecnia que estudia
en conjunto los fenómenos eléctricos y magnéticos, así como los efectos que entre
ellos producen.
3.1. Campo magnético en un conductor
Cuando un conductor rectilíneo es atravesado por una corriente eléctrica, a su
alrededor se crea un campo magnético cuyas líneas fuerza son circulares y concéntricas al conductor. Así, si el campo es lo suficientemente intenso y se colocan a
su alrededor una o más agujas imantadas (por ejemplo, una brújula), dichas agujas
se orientarían en el sentido del campo magnético.
Para conocer el sentido de las líneas de fuerza del campo magnético producido en
este conductor, se puede aplicar la denominada regla de la mano derecha. Según
dicha regla, el pulgar define el sentido de la corriente eléctrica, y el cierre de los
dedos sobre el conductor muestra el sentido del campo magnético.
Sentido de las
líneas de fuerza del
campo magnético
Conductor
I
Sentido de la corriente
Sentido
del campo
magnético
I
a
Figura 1.11. Regla de la mano derecha.
Así, el campo magnético creado alrededor del conductor es mayor cuanto mayor
es la corriente eléctrica que lo atraviesa. No obstante, dicho campo se encuentra
muy difuminado y no tiene fácil aplicación práctica. Sin embargo, si la disposición del conductor se realiza formado una espira, los campos magnéticos generados tienden a concentrarse en el interior de la misma, ampliándose los efectos de
las líneas de fuerza.
a
Figura 1.12. Regla del sacacorchos.
3.2. Campo magnético en una espira
En una espira es fácil saber el sentido del campo magnético utilizando la regla de
la mano derecha. El sentido de la corriente está marcado por el dedo pulgar, y el
del campo magnético por el cierre de los dedeos sobre la mano.
I
Así la polaridad en ambas caras de la espira es la siguiente:
I
S
I
N
a
Figura 1.13. Campo magnético
en una espira.
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a
Figura 1.14. Polaridad en los lados de una espira.
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Magnetismo y electromagnetismo
11
3.3. Campo magnético en una bobina
Si se desea conseguir un campo magnético superior, se pueden unir en serie varias
de estas espiras y así sumar sus campos parciales. Esto se consigue realizando con
el conductor una bobina o solenoide. En este caso, para conocer cuál es el sentido
del campo magnético, se utiliza también la regla de la mano derecha, pero con
una interpretación diferente a la utilizada anteriormente. Ahora el sentido de
cierre de los dedos sobre la bobina indica el sentido de la corriente y el del dedo
pulgar representa el campo magnético.
S
a
saber más
El físico danés Oersted fue el primero en evidenciar (en 1820) la
relación que había entre electricidad y magnetismo. Probó que el
paso de una corriente eléctrica por
un circuito provocaba un campo
magnético a su alrededor.
N
Figura 1.15. Campo magnético en una bobina.
3.4. Intensidad de campo magnético
Esta magnitud indica la fuerza de un campo magnético. Se representa con el símbolo H y tiene como unidad el amperio-vuelta/metro (Av/m).
a Figura
1.16. Hans Christian Oers-
ted.
Así, un campo magnético es más intenso cuanto mayor es la corriente que lo
recorre (I) y el número de espiras (N) que lo forma. Por otro lado, será menor
cuanto mayor es la longitud de la bobina (L).
H=
N·I
L
3.5. Fuerza magnetomotriz
Es la fuerza que permite mantener el campo magnético en un circuito electromagnético, por ejemplo en el de una bobina. La fuerza magnetomotriz se representa
por la letra F, aunque en ocasiones puede mostrarse como f.m.m, y se mide en
amperios-vuelta (Av).
Matemáticamente la fuerza magnetomotriz es directamente proporcional a la
corriente (I) que recorre el circuito, siendo la constante de proporcionalidad el
número de espiras (N) que lo forman.
F=N·I
Así, se puede afirmar que la intensidad de campo magnético (H) es directamente
proporcional a la fuerza magnetomotriz (F) e inversamente proporcional a la
longitud de la bobina (L).
F
H=
L
a Figura 1.17. Bobina del circuito
magnético de un relé industrial.
3.6. Circuito magnético
Si a una bobina se le introduce una barra de hierro en su interior, se comprueba que
los efectos del campo magnético generado aumentan de forma considerable. Esto
es fácilmente comprobable acercando la sonda de un teslámetro a un circuito con
núcleo y a otro sin él.
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Unidad 1
12
caso práctico inicial
El núcleo al aire de un circuito
magnético también genera líneas
de fuerza, pero son dispersas y
con poca intensidad. No obstante,
cuando el núcleo es de material
ferromagnético, el campo magnético se potencia y puede ser redireccionado con facilidad.
Así, resulta evidente que en un circuito magnético con un núcleo de hierro, o
cualquier otro material de los denominados ferromagnéticos, el campo magnético
aumenta para el mismo valor de corriente y, no solo eso, sino que las líneas de
fuerza pueden ser dirigidas en función de la forma física de dicho núcleo.
Nucleo rectangular o cuadrado
I
a
Figura 1.19. Parte del circuito
magnético de una máquina rotativa.
I
L
L
Bobina
recuerda
Las máquinas que vas a estudiar
en las próximas unidades disponen
de circuitos magnéticos mucho
más complejos que los estudiados
hasta ahora. Sin embargo, su funcionamiento se basa también en
estos principios básicos.
Nucleo toroidal
a
Bobina
Figura 1.18. Dos tipos de circuitos magnéticos elementales.
Un circuito magnético simple es el denominado electroimán, que consiste en un núcleo de hierro y en una bobina que se alimenta con una fuente tensión. Así, al establecer sobre ella el paso de corriente, el núcleo se magnetiza atrayendo los elementos
ferromagnéticos que estén a su alrededor. Sin embargo, si se desconecta la fuente de
tensión interrumpiéndose la corriente, los efectos magnéticos también desaparecen.
Esta propiedad es utilizada en todo tipo de dispositivos eléctricos industriales como
relés, contactores, timbres, elementos de bloqueo y retención, etc.
En un circuito con núcleo magnético, para el cálculo de la intensidad de campo
(H), L no es la longitud del hilo que forma la bobina, sino que es el perímetro
central de su núcleo.
actividades
2. Utilizando un teslámetro experimenta cómo cambia el valor del campo magnético de diferentes tipos de imanes permanentes (ferrita, neodimio, etc.). Realiza la comprobación acercando y alejando la sonda a los polos y
sobre la línea neutra.
Con la siguiente actividad se pretende que experimentes los efectos de un circuito magnético básico. Para ello
debes disponer de los siguientes materiales: una pila de 4,5 V (también es posible de 9 V), una brújula, un puñado
de virutas o, en su defecto, clips pequeños de oficina, un clavo de unos 10 cm
Hilo de bobinar
de longitud y 4 mm de diámetro, hilo rígido aislado de 0,25 mm2 (mejor hilo de
Clavo
bobinar esmaltado).
Realiza una bobina de unas 20 ó 25 espiras sobre el clavo, teniendo en cuenta de
dejar como unos 15 cm de conductor en cada uno de sus extremos. Pela el cable
1 cm en ambas terminaciones. Ten en cuenta que si el hilo es esmaltado, debe
retirase el barniz con una lija o raspándolo con el filo de una tijera de electricista.
Pila
Brújula
Realiza las siguientes comprobaciones:
Sonda
50
|
| | | | || | | | | | | |
|
|||
|||
| | || | || | |
100
|||
|||||
| | | | | ||
|||
|
|||
|||
|||
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|||| | | |||||||
|||
||
|||
|
0
|||
|||
50
||| |
|
||
|||| | | |||||||
50
| | || | || | |
| | | | | ||
|||
|||
||| |
|||||
| | | | | ||
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0
100
|||
c. Construye una bobina con el doble de espiras y repite las comprobaciones.
d. ¿Qué conclusiones sacas de todo esto?
|||
|||||
b. Realiza lo mismo sacando el clavo de la bobina.
|||
|||
| | || | || | |
||
||| |
|||
|| |
0
|||
Virutas
|||
a. ¿Qué ocurre cuando se alimenta la bobina con la pila y se acercan las virutas
a la brújula o a la sonda del teslámetro? Realiza la comprobación por ambos
extremos del clavo y por la línea neutra.
100
Teslámetro
a
Figura 1.20. Elementos necesarios para realizar la actividad.
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Magnetismo y electromagnetismo
13
3.7. Materiales para circuitos magnéticos
Los materiales utilizados para los núcleos de circuitos magnéticos pueden ser de
diferentes tipos; sin embargo, no todos tienen un comportamiento similar ante
el campo magnético que generan o ante el que están expuestos.
Sin entrar en detalles matemáticos avanzados, se puede decir que los átomos
de los materiales se comportan como pequeños imanes que interactúan entre
sí. A estos átomos se les denomina spines y tienen una orientación magnética
propia.
Así, en función de la orientación y de la magnitud de estos spines, además del
comportamiento ante un campo magnético externo, los materiales se clasifican en:
• Diamagnéticos. En este tipo los spines no disponen de campo magnético; sin
embargo, si se les aplica un campo magnético externo, estos se orientan en sentido contrario a las líneas de fuerza del campo inductor. Por tanto, se dice que
los materiales de este tipo no interaccionan con otros materiales magnéticos.
Algunos materiales diamagnéticos son el oro, el silicio, el hidrógeno, el helio,
el cobre, el germanio, el bronce, el grafito, etc.
• Paramagnéticos. En este tipo los spines sí disponen de su propio campo magnético. Así, cuando se les aplica un campo externo, algunos de ellos tienden a
orientarse ligeramente en el sentido de las líneas de fuerza del campo principal.
Algunos materiales paramagnéticos son el aire, el titanio, el aluminio, etc.
• Ferromagnéticos. Son aquellos en los cuales los átomos se alinean por completo con las líneas de fuerza del campo externo. Es el tipo de material utilizado
para la fabricación de circuitos magnéticos en máquinas eléctricas, ya que para
valores de corriente no muy elevados, aumenta considerablemente la magnetización. El hierro es el material ferromagnético por excelencia, no obstante,
para la obtención de los mejores resultados en la conducción del campo, suele
alearse con cobalto, níquel y/o silicio.
H
Sin magnetización externa
a
No todos los materiales son adecuados para la construcción de
núcleos en circuitos magnéticos.
En función de la aplicación, deben
utilizarse unos u otros, siendo los
denominados ferromagnéticos los
más adecuados para la fabricación
de máquinas eléctricas.
Con magnetización externa
Figura 1.21. Orientación de los átomos de un material ferromagnético.
En cualquier caso, para el estudio de máquinas eléctricas, el material que no es
ferromagnético se considera amagnético, es decir, un material que no tiene ningún comportamiento especial cuando se encuentra sometido a líneas de fuerza
magnéticas.
Los materiales para la constitución de núcleos en circuitos magnéticos se consiguen con aleaciones que facilitan la orientación aquí nombrada, como la denominada chapa de grano orientado.
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caso práctico inicial
caso práctico inicial
La chapa de grano orientado es
ideal para la construcción de transformadores, ya que aumenta el
rendimiento y evita pérdidas por
exceso de calor. En la fabricación de
esta chapa se cuida la orientación
de sus cristales de forma que favorezcan la dispersión de los campos
magnéticos por su interior.
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Unidad 1
14
3.8. Reluctancia magnética
Tradicionalmente, a la reluctancia magnética se la compara con la resistencia
eléctrica, ya que es la característica que tienen los materiales ferromagnéticos de
oponer mayor o menor resistencia a la formación de líneas de fuerza de un campo
magnético.
Según la ley denominada de Hopkinson, se establece una expresión similar a la
ley de Ohm en la que el flujo magnético (Φ) es directamente proporcional a la
fuerza magnetomotriz (F) e inversamente proporcional a la reluctancia (R).
F
Φ=
R
Por tanto definimos la reluctancia como:
F
R=
Φ
Las unidades de medida se dan en Amperios-Vuelta/Weber (Av/Wb).
3.9. Curva de magnetización de un material
50
|| ||| ||||
|||
|||
|||
||
|||
|
Materiales ferromagnéticos:
ferromagnetic materials
Motor de pasos: stepper motor
Par: torque
||
|| | || | || |||||
||
||| || | || |||||
|||
||
Máquina eléctrica: electrical
machine
a
|||
|
Magnético: maganetic
| ||
Inducción magnética: magnetic
induction
0
100
|||
| || | |||
Imán: magnet
|| ||| ||||
|||| |
Histéresis: hysteresis
||||
|||
Hierro: iron
|| |
|||
|||
|||
Generador eléctrico: electrical
generator
50
|| || | || ||
| | | | | ||
|||||||
0
100
50
Desmagnetización:
desmagnetization
||||
|||| |
|||| |
||
|| | || | || |||||
||||
|||
|||
0
|||
R
|||
V
Teslámetro
|||
Corriente inducida: induced
current
I
|||
Corriente eléctrica: electric
current
Sonda
|
Circuito magnético: magnetic
circuit
|||
Campo magnético: magnetic
field
||
Español-Inglés
Si a un circuito magnético, como el mostrado en la figura, se le conecta una fuente de tensión a través de una resistencia variable o reóstato, de tal forma que se
pueda regular la intensidad de corriente que circula por él, la intensidad de campo
H variará en función de dicha corriente.
|||
vocabulario
100
Figura 1.22. Circuito para determinar la curva de magnetización de un núcleo.
Si al núcleo se le acerca un teslámetro, para así poder medir la inducción magnética B generada en él, se observará que, inicialmente, con muy poca variación
de H, la inducción aumenta considerablemente hasta llegar a un valor en el que
por mucho que aumente el valor de la intensidad de campo H, la inducción se
mantiene prácticamente estable. A esta zona se la denomina de saturación, ya
que el campo B no aumenta, a pesar de H lo haga de forma considerable.
El circuito propuesto se puede realizar de forma experimental, siempre que el
material ferromagnético no haya sido magnetizado ninguna vez, ya que de lo
contrario estarán siempre presentes los efectos del magnetismo remanente y esto
provocará errores en la toma de valores.
Como se verá en las páginas siguientes, para eliminar el magnetismo remanente
es necesario aplicar un campo denominado coercitivo, con la misma intensidad
del campo aplicado, pero de signo contrario.
Se debe tener en cuenta que los teslámetros, tanto lo de tipo analógico como los
de tipo digital, proporcionan valores positivos y negativos. Esto significa que el
campo generado es de diferente polaridad, es decir, que pertenece al polo norte o
al polo sur del circuito magnético.
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Magnetismo y electromagnetismo
15
recuerda
Una representación de lo anterior es la siguiente:
La curva de magnetización es,
como su nombre indica, una curva en la que se muestra cómo se
comporta un material cuando es
sometido a los efectos de un campo magnético. Representa la evolución de la inducción magnética en
función de la intensidad de campo.
Chapa de grano orientado
B
Chapa normal
Punto de saturación
magnética
Aire
H
a
Figura 1.23. Curvas de magnetización.
En la figura anterior se observan las curvas de dos tipos de materiales (chapa de
grano orientado y chapa de grano no orientado) y, además, se compara con la
del aire, que en lugar de ser una curva es una línea recta cuya magnetización es
pequeña respecto a la de los dos materiales ferromagnéticos. En las dos primeros
curvas se observa cómo la chapa de grano orientado tiene mejor magnetización
para el mismo paso de corriente.
a
Figura 1.24. Chapa magnética
utilizada para la construcción de
transformadores.
actividades
3. Observa la curva de magnetización de diferentes tipos de materiales y aleaciones ferromagnéticas facilitada por
el fabricante de imanes NAFSA S.L. en su catálogo general.
B (Tesla)
2
Armco Telar 57
St60
Fundición maleable
Hierro colado
NAFSA S.L.
1
St37
Acero colado
20MnCr5
H = intensidad del campo magnético (AV/cm)
B = inducción (Teslas)
0
0
a Figura 1.25.
50
H (AV/cm)
100
150
Curvas de magnetización para diferentes materiales (Cortesía NAFSA S.L.).
Responde a las siguientes preguntas:
a. ¿Cuál es el material, de los indicados, que muestras mejores características de magnetización?
d. ¿Y el Armco Telar 57?
b. ¿Cuál es el peor?
f. ¿Y el menor?
e. ¿Cuál es valor máximo conseguido para B?
c. ¿A qué valor aproximado de intensidad de campo se satura el acero colado?
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Unidad 1
16
3.10. Permeabilidad magnética
saber más
Se denomina permeabilidad
relativa (μr) a la relación entre la
permeabilidad absoluta y la permeabilidad en vacío o constante
magnética (μ0).
μ
μr = 0
μ
Es la capacidad que tienen los materiales de magnetizarse o facilitar el paso de
las líneas de fuerza a través de ellos. En cierto modo, se puede decir que la permeabilidad magnética es la magnitud contraria o inversa de la reluctancia. De
este modo se puede afirmar que unos materiales son más permeables que otros a
los campos magnéticos.
Esta magnitud se representa por la letra griega µ (Mu) y tiene como unidad el
henrio/metro (H/m). Matemáticamente es la relación que existe entre la inducción B y la intensidad de campo magnético H, denominándose en este caso
permeabilidad absoluta.
µ=
B
H
La permeabilidad no es una magnitud constante, ya que depende en gran medida del campo magnético aplicado. Así, si su curva se representa en la misma
gráfica que la de la magnetización, ya que la permeabilidad depende también
de los valores de B y H, se observa cómo es mayor en la primera zona de la
magnetización y disminuye radicalmente una vez que se ha superado el punto
de saturación.
B
Curva de magnetización
Permeabilidad µ (H/m)
H
a
Figura 1.26. Curva de permeabilidad comparada con la de imanación.
3.11. Histéresis magnética
caso práctico inicial
Si bien una alta remanencia es
un dato adecuado para los imanes permanentes, no lo es tanto
para la construcción de máquinas
eléctricas, ya que requieren que
los efectos de imanación desaparezcan cuanto antes una vez haya
cesado la causa que los generó.
01 Maquinas electricas.indd 16
Cuando un material ferromagnético es sometido a los efectos de un campo magnético externo, como puede ser el inducido por una bobina, este presenta una
magnetización que se mantiene mientras duran dichos efectos. Sin embargo,
cuando el campo cesa, los materiales presentan aún, en mayor o menor medida,
indicios de imanación. A este fenómeno se le denomina remanencia y es la
capacidad que tienen los materiales ferromagnéticos de mantener los efectos de
magnetización una vez ha finalizado la acción que los ha generado.
La remanencia es favorable para la creación de imanes permanentes, sin embargo,
para la fabricación de electroimanes y núcleos de máquinas eléctricas puede ser
muy perjudicial produciendo pérdidas de energía por exceso de calor. Por este
motivo es de gran importancia la selección adecuada del material en función de
la aplicación en la que se va a utilizar.
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Magnetismo y electromagnetismo
17
El estudio de la remanencia se realiza mediante el análisis de lo que ese denomina histéresis magnética. Este proceso consiste en conocer y representar
gráficamente, mediante el denominado ciclo de histéresis, el comportamiento
de un material ferromagnético que se encuentra sometido a la acción de un
campo magnético en el que se van modificando progresivamente los valores
de B y H.
B+
M
2
BR
7
3
1
-HCc
0
H-
HC
H+
6
-BR
4
5
m
B-
a
Figura 1.27. Ciclo de histéresis.
Se debe disponer de un material que no haya sido sometido anteriormente a los
efectos de un campo magnético para que sea nula su magnetización inicial.
A continuación se explica en qué consiste el efecto de histéresis magnética en
base al gráfico de la figura anterior.
1. Partiendo desde el punto 0, los valores para B y H van aumentando progresivamente. Así, si se van adquiriendo pares de valores para estas dos magnitudes,
se observa cómo la curva de imanación progresa de la forma representada en
la figura como (1).
2. Una vez que se ha alcanzado el punto de saturación M, se disminuyen progresivamente los valores para B y H con la misma pauta utilizada para la curva (1).
En este caso se observa que cuando H es nuevamente 0, el campo B no lo es,
presentándose en este caso un valor BR debido al correspondiente magnetismo
remanente. En este caso no existe excitación y, sin embargo, se mantienen los
efectos de magnetización en el material sometido al ensayo.
3. Así, si se continua asignado valores negativos a la intensidad de campo H, el
campo es nulo cuando se llega al punto –Hc. Este valor es el correspondiente
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Unidad 1
18
al denominado campo coercitivo (que es de sentido contrario o negativo) y es
el que se debe dar a H para conseguir que desaparezca por completo la remanencia del material.
4. Si se continua asignado valores negativos para B y H, se llega hasta el punto
de saturación m que es de signo contrario al alcanzado en la primera parte del
ciclo (M).
5. A partir de este punto, se disminuye la asignación de valores para B y H, observándose que cuando la intensidad de campo H vuelve a tener valor cero, el
campo B mantiene el valor –BR, que es el magnetismo remanente de polaridad
contraria al observado en el tramo 3 de la curva.
6. Así, si se siguen asignado valores, positivos para H y negativos para B, se alcanza el punto Hc correspondiente al campo coercitivo (en sentido contrario)
que se debe asignar para que el material pierda la remanencia.
Los materiales ferromagnéticos pueden clasificarse como blandos o duros en función de si pierde o no su remanencia con facilidad. Así, el material para fabricar
un imán permanente debe se de tipo duro, con un campo coercitivo grande para
evitar que se sea desmagnetizado con facilidad. Sin embargo, los materiales para
la construcción de núcleos en máquinas rotativas o transformadores deben se de
tipo blando, ya que su remanencia debe ser la menor posible.
B+
M
BR
-HC
H-
m
0
HC
H+
-BR
Ba
Figura 1.28. Ciclo de histéresis para un material magnéticamente duro.
En los materiales ferromagnéticos, y por tanto también en las máquinas eléctricas, deben tenerse en cuenta las pérdidas por histéresis que se manifiestan en forma de calor, y que son mayores cuanto más grande es el área que abarca la curva
del ciclo de histéresis. De esta forma, se deduce que las máquinas eléctricas que
01 Maquinas electricas.indd 18
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Magnetismo y electromagnetismo
19
generan campos muy variables (como son las de corriente alterna), deben estar
construidas con materiales blandos cuyo ciclo de histéresis sea lo más estrecho
posible.
B+
M
BR
-HC
H-
HC
0
H+
-BR
m
Ba
Figura 1.29. Ciclo de histéresis para un material magnéticamente blando.
3.12. Corrientes parásitas o de Foucault
En un núcleo ferromagnético que se encuentra sometido a la acción de un
campo eléctrico se producen una serie de corrientes inducidas que circulan en
forma de bucle o torbellino en el interior del núcleo. Estas corrientes generan
campos magnéticos que se oponen al campo exterior y provocan que los electrones choquen de forma continuada contra las cargas eléctricas de material
ferromagnético generando calor y, por consiguiente, las correspondientes pérdidas de energía.
a Figura 1.30. Corrientes parásitas de valor
elevado en un núcleo macizo.
01 Maquinas electricas.indd 19
saber más
Las corrientes de Foucault deben su
nombre al científico francés que las
descubrió en 1851. No obstante,
también se las conoce como corrientes parásitas o corrientes torbellino.
a
Figura 1.31. Detalle de núcleo de
chapas magnéticas.
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Unidad 1
20
saber más
En las máquinas eléctricas las
corrientes de Foucault son un efecto no deseado que hay que intentar
minimizar para evitar una excesiva
pérdida de energía por calor. Sin
embargo, en algunas ocasiones,
como es el caso de las cocinas vitrocerámicas de inducción, este fenómeno es aprovechado precisamente para todo lo contrario, generar
el suficiente calor para ser capaz de
cocinar los alimentos.
Si en las máquinas eléctricas se utilizaran núcleos de hierro macizo, las corrientes
parásitas serían tan elevadas que el calor producido generaría pérdidas enormes.
Por este motivo, las máquinas, especialmente las de corriente alterna, se construyen con finas chapas de hierro al silicio aisladas entre sí que disminuyen de forma
considerable las corrientes de Foucault.
a Figura 1.32. Corrientes parásitas de pequeño
valor en chapas magnéticas.
3.13. Fuerza ejercida sobre un conductor por el que circula
una corriente
saber más
A la regla de los tres dedos de la
mano izquierda también se la llama regla de Fleming en homenaje
al científico que ideó su utilización.
F
B
I
Si un conductor por el que circula una corriente eléctrica es sometido a un campo
magnético, este conductor tiende a salir de dicho campo en el sentido dado por la
regla de la mano izquierda de los tres dedos. Dicha regla se aplica de la siguiente
manera: con el dedo índice se indica el sentido del campo, con el dedo pulgar el
sentido de la fuerza o movimiento ejercicio en el conductor y con el dedo medio
el sentido de la corriente eléctrica.
ejemplo
Si al conductor de la figura se le aplica una corriente eléctrica en el sentido
indicado (flecha verde) y se conoce el sentido del campo magnético (flecha
violeta), se observa, utilizando la regla de la mano izquierda, que el movimiento
del conductor es hacia arriba (flecha azul).
a
Figura 1.33. Regla de la mano
izquierda.
F
N
B
I
F
S
B
I
a
01 Maquinas electricas.indd 20
Figura 1.34. Ejemplo de aplicación de la regla de la mano izquierda.
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Magnetismo y electromagnetismo
21
También se puede representar de forma esquemática y simplificada marcado sobre
el papel el sentido del campo. Así, una (X) se indica que el campo es entrante y
un punto (·) que es saliente.
Campo entrante
Campo saliente
saber más
La fuerza F obtenida en el conductor es el producto de tres factores:
la corriente que circula por el conductor, la longitud del mismo y el
valor de la inducción del campo
magnético.
F=I·l·B
Si el conductor no corta las líneas
de fuerza perpendicularmente,
debe ser tenido en cuenta el ángulo de inclinación (a), por tanto, la
fuerza quedaría:
F = I · l · sen a
a
Es importante no confundir F con
la fuerza magnetomotriz estudiada anteriormente.
Figura 1.35. Representación del sentido del campo.
ejemplo
Si se desea representar de forma esquemática cómo actúa un campo magnético sobre un conductor que es recorrido por una corriente eléctrica, habrá que
tener en cuenta algunos datos.
En este ejemplo el campo es entrante, es decir, que apunta en dirección al
papel en el que está representado, ya que se indica mediante (X). El sentido
de corriente del conductor es de izquierda a derecha. Por tanto, si se aplica la
regla de la mano izquierda, se comprueba que el movimiento F del conductor
es hacia arriba.
B
F
I
Conductor
a
Figura 1.36. Representación simplificada de la
aplicación de la regla de la mano izquierda.
3.14. Fuerza ejercida sobre una espira por la que circula
una corriente
Si en lugar del conductor rectilíneo visto anteriormente, se introduce una
espira (o bobina), también llamada cuadro móvil, en el interior del campo
magnético, cuando por ella circula una corriente, se produce un par de fuerzas,
una en cada uno de sus lados activos, que tiende a mover la espira para sacarla
del campo.
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Unidad 1
22
caso práctico inicial
Para la conexión de los devanados
del rotor se utiliza un sistema de
colector o de anillos, sobre el que
se apoyan unas escobillas para
hacer la conexión eléctrica aunque
la máquina gire a gran velocidad.
Así, si se aplica la regla de la mano izquierda en ambos lados activos de la espira,
se comprueba que las dos fuerzas tienen sentido opuesto. De tal forma, que si a
la espira se le coloca un eje central, la acción de dichas fuerzas provoca que esta
gire sobre él. Para que el sentido de la corriente se mantenga al producirse esta
rotación, es necesario disponer de un sistema de conmutación, llamado colector,
conectado a los bornes de la espira o bobina. De esta forma, aunque se produzca
el giro, la polaridad de la alimentación siempre se mantiene, y con ella el sentido
de la corriente en ambos lados de la espira.
Espira
N
Elemento de
conmutación
F
Eje
B
I
I
F
a Figura 1.37. Detalle del colector
de delgas para alimentar el inducido de una máquina de corriente
continua.
a
S
Figura 1.38. Par de fuerzas de una bobina sometida a un campo magnético.
El efecto aquí descrito es el principio de funcionamiento de los motores eléctricos.
Observando algunas de las partes de la espira se obtiene lo siguiente:
F
E
Espira
E
F
m
a
Figura 1.39. Detalle de la espira.
α
a Figura 1.40. Ángulo espira –
campo.
1. En los dos lados de la espira que están en línea con el campo (por el que se
aplica la alimentación y por el que une las dos caras activas), se produce un
par de fuerzas que son de igual magnitud y de sentido contrario, por lo que el
efecto es nulo sobre el funcionamiento del conjunto.
2. El valor del par de fuerzas F puede calcularse por la expresión:
F=I·m·B
Donde I es la corriente que circula por el conductor, m es la longitud de uno
de los lados activos de la espira y B la inducción del campo.
3. El momento de fuerzas o par se puede calcular mediante la siguiente expresión:
M = I · S · B · sen a
Donde M es el momento de fuerzas medido en Nm, I es la corriente en amperios, S es la superficie de la espira en m2, B el campo y a el ángulo que forma
el plano perpendicular del circuito de la bobina con las líneas del campo
magnético.
3.15. Fuerza electromotriz inducida en un conductor
Faraday comprobó que si un conductor eléctrico se mueve en el seno de un campo
magnético, en ambos extremos del conductor se acumulan cargas eléctricas de
diferente signo, produciendo así una fuerza electromotriz que genera a su vez una
diferencia de potencial obtenida en voltios.
01 Maquinas electricas.indd 22
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Magnetismo y electromagnetismo
23
A esta fuerza se la denomina electromotriz inducida (E o f.e.m.) y es directamente
proporcional al campo B, a la longitud de conductor l y la velocidad v a la que
se desplaza.
V (F)
B
E=B·I·v
Para comprobar cómo se mueven las cargas y, por tanto, cómo queda polarizado
el conductor, se utiliza la regla de la mano derecha. Así, con el dedo pulgar se
indica el sentido del movimiento o velocidad del conductor, con el dedo índice
el sentido del campo y con el dedo corazón el sentido de la corriente, que es lo
mismo que decir, el sentido de la fuerza electromotriz.
a
Figura 1.41. Regla de la mano
derecha.
v (F)
S
B
E (I)
B
N
E (I)
v (F)
E (I)
a
Figura 1.42. Sentido de la fuerza electromotriz en un conductor.
ejemplo
De igual forma, si es el campo el que se mueve y el conductor eléctrico el que se
mantiene fijo, se generará fuerza electromotriz mientras exista movimiento. Así,
en el ejemplo de la figura, se muestra cómo al introducir un imán en una bobina
estática por ella circula una corriente eléctrica. De igual forma, si el imán sale,
se genera dicha corriente, pero en este caso de sentido contrario a la anterior.
Si el imán deja de moverse, incluso en el interior de la bobina, no se produce
ninguna corriente.
S
S
Introducir imán
N
I
I
a
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Sacar imán
N
I
I
Figura 1.43. Generación de f.e.m. con un campo móvil.
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Unidad 1
24
De igual forma, si se hace girar una espira en el interior de un campo magnético
fijo, cada vez que una de sus caras activas corta las líneas de fuerza, se genera en
ella una fuerza electromotriz.
Giro de la espira
α
N
F
I
B
I
S
F
Eje sobre el que gira la espira
a
Figura 1.44. Espira en movimiento en un campo magnético.
En este caso el valor de E es directamente proporcional al valor del campo B, a la
superficie de la espira S, a la velocidad angular a la que gira ω y al seno del ángulo
que forma en cada momento con las líneas magnéticas.
E = B · S ·ω · sen a
El sentido de la fuerza electromotriz en cada uno de los haces activos de la bobina
se obtiene aplicando sobre ellos la regla de la mano derecha de la misma forma
que se ha explicado para el conductor rectilíneo.
Si en lugar de una espira lo que se mueve en el seno del campo magnético es una
bobina, la fuerza electromotriz resultante es la suma de todas las fuerzas electromotrices parciales de cada de espiras (N) que la forman. Así, la expresión es:
Ebobina = B · S ·ω · N · sen a
ejemplo
La figura muestra cómo una espira corta las líneas de fuerza para diferentes
valores del ángulo a. En el caso A, como el ángulo es de 90º, el valor del seno
será 1, por lo que el valor de la fuerza electromotriz generada E es el máximo.
En el caso B, el ángulo es de 45º, por lo que el seno será menor que 1, por
tanto, E es de menor valor que en el caso A. Y, por último, si el ángulo es 0º, el
valor de seno será nulo, lo que significa que el valor de la fuerza electromotriz
también será nulo.
B
B
α = 90º
A
a
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B
α = 45º
B
α = 0º
C
Figura 1.45. Diferentes posiciones de una espira en el seno de un campo magnético.
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Magnetismo y electromagnetismo
25
Cuando el conductor se mueve en el campo magnético, la acción del flujo varía
sobre él. Así, se puede afirmar que siempre que hay una variación de flujo, se produce una fuerza electromotriz en el conductor. Teniendo en cuenta este efecto,
se observa que no es necesario mover el conductor o el campo para obtener una
corriente eléctrica. Simplemente variando el flujo y manteniendo estáticos todos
los elementos que intervienen, se consiguen los mismos efectos.
ejemplo
En el caso del circuito de la figura, la variación del campo se realiza por medios
eléctricos, como puede ser la conexión de una resistencia variable de potencia
o reóstato en serie con la bobina del electroimán que lo genera.
N
Excitación
Bobina
Inducida
I
Bobina
Inducida
I
Menor flujo
a
Excitación
I
I
Mayor flujo
Figura 1.46. Sentido de la corriente inducida en función de la variación de flujo.
De este modo, si se actúa sobre el reóstato, también se modifica la corriente
de la bobina de excitación. Así, el flujo aumenta o disminuye en consecuencia,
induciendo una fuerza electromotriz en la bobina y, por tanto, un paso de
corriente eléctrica por sus espiras, cuyo sentido está en función del aumento o
disminución del flujo.
3.16. Autoinducción
Cuando una bobina es recorrida por una corriente eléctrica, en cada una de sus
espiras aparece un campo magnético que afecta a las espiras contiguas, generando
así una corriente eléctrica inducida. Si la corriente que circula por el conductor es
variable, el flujo también varía y, por tanto, se produce una fuerza electromotriz
denominada autoinducida que, según la ley de Lenz, se opone a la causa que la
produce. Esto significa que si la corriente es de tipo continuo, no existe variación
de flujo y, por tanto, no se presentan los efectos de autoinducción.
A la capacidad que tiene la bobina de generar la fuerza electromotriz inducida,
se le denomina coeficiente de autoinducción, que se representa con la letra L, se
mide en henrios (Hr) y se puede calcular por la expresión:
L=N·
Φ
I
Donde N es el número de espiras de la bobina, Φ es el flujo e I es la corriente
eléctrica.
01 Maquinas electricas.indd 25
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Unidad 1
26
4. Clasificación de máquinas
eléctricas
Las máquinas eléctricas tradicionalmente se han clasificado en dos grandes grupos: estáticas y rotativas. En las próximas unidades se darán detalles constructivos
y de funcionamiento de muchas de ellas, no obstante, aquí se establece esta clasificación incluyendo los diferentes tipos que existen en la actualidad.
4.1. Máquinas estáticas
Basan su funcionamiento en la inducción estática de la fuerza electromotriz. En
este tipo de máquina ninguno de sus elementos realiza movimiento o desplazamiento mecánico.
La máquina estática por excelencia basada en electromagnetismo es el transformador, que a su vez se puede clasificar en:
TRANSFORMAdORES
Según sistema de corriente
Monofásicos
Trifásicos
Elevadores
Reductores
De impedancia
Según el tipo de aplicación
De medida
De aislamiento
De distribución
etc.
De columnas
Según su construcción
Autotransformador
Toroidal
etc.
Como hemos visto, existe una gran variedad de transformadores, aunque todos se
basan en los mismos principios.
a
01 Maquinas electricas.indd 26
Figura 1.47. Transformadores monofásico y toroidal (Cortesía de López S.R.L. y Direct Industry).
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Magnetismo y electromagnetismo
27
4.2. Máquinas rotativas
Son aquellas que convierten la energía eléctrica en mecánica, o viceversa. A las
primeras se les denomina motores y a las segundas generadores.
Si bien la clasificación de este tipo de máquinas puede hacerse en base a diferentes criterios (tipo de corriente, aplicaciones, etc.), aquí se ha optado por la basada
en estos dos grupos: motores y generadores.
MÁqUINAS ROTATIvAS
Serie
Generadores CC
Shunt
(Dinamos)
Compund
Generadores
a
Excitación Independiente
Trifásicos
Alternadores (AC)
Figura 1.48. Circuito magnético
del estator de una máquina rotativa de corriente alterna.
Monofásicos
Síncronos
Corriente alterna
Monofásicos
Asíncronos
Trifásicos
Serie
Motores
Shunt
Corriente continua
Compund
Excitación Independiente
a
Figura 1.49. Circuito magnético
del rotor de una máquina rotativa
de corriente alterna.
Universal
Paso a paso (PaP)
Brushless
Si bien la clasificación de las máquinas eléctricas rotativas a menudo se hace
en función del tipo de corriente con el que trabajan (continua y alterna), en la
actualidad existen algunas de ellas que son difíciles de clasificar en este sentido,
como con los denominados motores Paso a Paso (PaP) o los motores Brushless.
Ambos tipos de máquinas son alimentados y controlados mediante accionamientos de tipo electrónico, los cuales se encargan de generar los pulsos y señales
necesarios para excitar el circuito magnético del motor.
a
Figura 1.50. Motor de gran potencia.
01 Maquinas electricas.indd 27
a
Figura 1.51. Motor en máquina industrial.
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Unidad 1
28
ACTIvIdAdES FINALES
1. Realiza la actividad propuesta en la práctica profesional.
2. Di cuál es la polaridad del campo magnético generado por las siguientes bobinas teniendo en cuenta el
sentido de la corriente indicado en cada una de ellas.
B
A
a
D
C
Figura 1.52.
3. ¿Qué fuerza magnetomotriz se generará en cualquiera de las bobinas del ejercicio anterior sabiendo que
por ellas circula una corriente de 3 A y que cada espira tiene una longitud de 10 cm?
Lista de materiales
• Pila de 4.5 V
•
•
•
•
•
Listón de madera
tillo
.Cas
J.C.M
N
N
Imán
SS
4. Utilizando los materiales de la lista que se indica a
continuación, realiza lo siguiente: monta un balancín de hilo de cobre de 1,5 mm2 sobre dos cáncamos atornillados en un listón de madera como se
muestra en la figura. Sitúalo bajo la influencia de un
imán en forma de herradura. Alimenta el circuito
utilizando dos latiguillos con pinzas de cocodrilo
desde la pila y observa qué ocurre cuando se cambia la polaridad tanto de la alimentación como del
campo generado por el imán.
Cáncamo
Balancín de
hilo de 1,5 mm2
Latiguillo de conexión
20 cm de hilo rígido de 1,5 mm2
Imán de herradura
Listón de madera
2 latiguillos con pinzas de cocodrilo
2 cáncamos abiertos
Pila
a
Figura 1.53.
5. Las siguientes figuras representan un conductor rectilíneo por el que circula una corriente eléctrica que se
encuentra bajo los efectos de un campo magnético. Representa sobre ellas cuál es en cada caso el sentido
de la fuerza ejercida sobre el conductor.
B
B
B
I
I
a
B
I
I
Figura 1.54.
6. Por un conductor de 36 cm de longitud circula una corriente eléctrica de 5 A, ¿qué fuerza desarrollará el
conductor si se le somete a un campo magnético de 1,12 T?
7. ¿Qué intensidad de campo magnético H presentará un núcleo toroidal de 20 cm de diámetro interior y
30 cm de diámetro exterior?
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Magnetismo y electromagnetismo
29
8. En un ensayo con tres materiales ferromagnéticos se han obtenidos los resultados indicados en la siguiente
tabla. Dibujar sobre una hoja de papel milimetrado las curvas de magnetización de los tres materiales y
averiguar cuál de ellos es el que mejores condiciones de magnetización presenta. ¿Cuál es el punto de
saturación para cada uno de los materiales?
B (T)
H
(Av/m)
Material 1
Material 2
Material 3
0
0
0
0
25
0,2
0,3
0,3
40
0,4
0,43
0,4
60
0,6
0,65
0,6
70
0,8
0,88
0,7
100
1
0,98
0,82
200
1,25
1,15
0,96
300
1,35
1,22
0,97
400
1,4
1,28
0,98
500
1,42
1,3
0,99
600
1,44
1,32
1
700
1,46
1,33
1,01
800
1,48
1,34
1,022
900
1,5
1,35
1,03
1000
1,52
1,36
1,044
1100
1,55
1,37
1,055
9. ¿Qué valores de permeabilidad magnética presentan los tres materiales de la actividad anterior cuando la
intensidad de campo magnético H es de 25, 100, 400 y 1000 Av/m?
entra en internet
10. Entra en la siguiente dirección de Internet y observa detenidamente el vídeo en el que se explican, de
forma práctica, los principios fundamentales del magnetismo y electromagnetismo.
Fuente: YouTube
Título del vídeo: Campo magnético e inducción electromagnética-Ciencia en Acción 2007
Dirección: http://youtu.be/V9v2KBjXyc0
11. Haz lo mismo para la siguiente dirección en la que se explican los principios básicos de los transformadores.
Fuente: YouTube
Título del vídeo: TRANSFORMADORES DE CORRIENTE ELÉCTRICA, Fundamentos, tipos, aplicaciones
Dirección: http://youtu.be/nLxfWdGCiuY
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Unidad 1
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PRÁCTICA PROFESIONAL
HERRAMIENTAS
• Tijera de electricista
• Alicate de puntas planas
MATERIAL
• Un panel o listón de madera
• 30 cm de hilo rígido de 1,5 mm2
• 1 m de hilo de bobinar de 0,5 mm
• Un imán (por ejemplo,
el de un pequeño altavoz)
• Un par de tirafondos
• Canutillo de unos 20 mm
de diámetro
• Pila de 4,5 V
• Dos cables de prueba con pinzas
de cocodrilo en ambos extremos
comprobación del campo
magnético generado
en una bobina
OBJETIVO
Montar un sencillo motor eléctrico basado en una bobina sin núcleo. El montaje
permitirá comprobar el principio de generación de campo magnético estudiado
en la unidad.
PRECAUCIONES
• Utiliza las herramientas de corte siguiendo las indicaciones de seguridad dictadas por tu profesor.
• Retirar el aislante de hilo esmaltado para realizar una correcta conexión eléctrica.
DESARROLLO
1. Sobre el canutillo de 20 mm de diámetro o un manguito de medidas similares de los utilizados para unir tubos
rígidos de PVC en instalaciones eléctricas, crea una bobina de 15 espiras con el hilo esmaltado.
2. Saca la bobina del molde intentado que las espiras no se separen.
3. Deja unos 3 cm de hilo en cada uno de los extremos de la bobina.
4. Rodea todas las espiras con un par de tiras de cinta aislante para evitar que se desmonte el conjunto una vez que
la sueltes de la mano.
5. Utilizando una tijera retira unos 2 cm del esmalte en los dos extremos de la bobina.
a Figura
1.55. Creación de una bobina.
6. Pela por completo el hilo rígido de 1, 5 mm2 y corta un par de tramos de unos 6 cm.
7. Utilizando el alicate de puntas moldea el soporte sobre el que se apoyará la bobina según la forma indicada en la
figura. Procura que ambos soportes tengan la misma altura.
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Magnetismo y electromagnetismo
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8. Utilizando los tirafondos fija sobre el tablero o listón de madera ambos soportes con una distancia que permita
apoyar sobre ellos los dos extremos de la bobina.
a Figura
1.56. Creación de los soportes en la base de madera.
9. Apoya la bobina sobre los soportes asegurándote de que la parte que se ha retirado del esmalte hace contacto
con el hilo rígido.
10. Conecta los latiguillos con pinzas de cocodrilo a cada uno de los soportes.
a Figura
1.57. Montaje del conjunto.
11.Coloca el imán próximo a la bobina y conecta los extremos de los latiguillos a la pila. Mueve ligeramente la bobina con un dedo para que comience a girar.
a Figura
1.58. Colocación del imán.
a Figura 1.59. Bobina girando por el
efecto de repulsión del campo generado.
12.Con esta actividad podrás comprobar de forma experimental cuál es el principio básico de funcionamiento de
un motor eléctrico.
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Unidad 1
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MUNDO TÉCNICO
el tren de levitación magnética
El uso de imanes y electroimanes está presente en numerosas aplicaciones domésticas e industriales. Desde un
simple timbre o zumbador de llamada, hasta los precisos robots que se utilizan en los sistemas automatizados de
producción. Sin embargo, existen aplicaciones que tienen cierto grado de espectacularidad por lo que representan
técnica y socialmente, un ejemplo es el denominado Maglev o tren de levitación magnética.
El tren de levitación magnética es un medio de transporte experimental, aunque existen modelos dando servicio al
público. Su funcionamiento se basa en el uso de potentes campos magnéticos para desplazar un habitáculo a gran
velocidad y sin rozamiento sobre un sistema de raíles. Utiliza, por tanto, los fenómenos magnéticos de atracción y
repulsión, tanto para hacer que el tren levite o flote como para su propulsión.
El sistema utiliza dos circuitos de electroimanes, basados en superconductores, controlados por un complejo sistema informático. Uno para hacer levitar el tren y que no exista rozamiento con las guías o raíles, y otro para propulsar
el tren en uno u otro sentido.
c Figura
1.60. Tren
de levitación magnética
(Cortesía de Wikipedia).
Si bien el sistema dispone de numerosas ventajas, como su alta velocidad de desplazamiento (500 Km/h), no está
exento de inconvenientes que impiden un desarrollo comercial más rápido:
• La generación de los potentes campos magnéticos consume elevadas cantidades de energía.
• Elevado coste de la infraestructura de guiado.
• De momento solamente se puede utilizar en trenes de pasajeros pequeños, ya que está muy limitada la carga
que puede desplazar.
c Figura
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1.61. Maglev.
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Magnetismo y electromagnetismo
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EN RESUMEN
MAGNETISMO
Campo magnético
Electromagnetismo
Inducción
magnética
Flujo magnético
Campo magnético
en un conductor
Intensidad
de campo magnético
Campo
en una espira
Reluctancia
Campo
en una bobina
Permeabilidad
Fuerza electromotriz
inducida
Circuito magnético
Curva de magnetización
Curva de histéresis
Máquinas eléctricas
EvALÚA TUS CONOCIMIENTOS
1. El neodimio es un imán de los denominados:
2. La inducción magnética se mide en:
a. Teslas.
b. Henrios.
c. Maxvelios.
3. Para medir la inducción magnética se utiliza el:
Resuelve en tu cuaderno
o bloc de notas
6. Comparándola con un circuito eléctrico, la reluctancia en un circuito magnético equivale a:
a. la tensión eléctrica.
b. la resistencia eléctrica.
c. la corriente eléctrica.
7. El campo coercitivo es:
4. La fuerza magnetomotriz se mide en voltios.
a. Sí.
b. No.
5. Las corrientes de Foucault también se denominan:
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a. la remanencia del material.
b. el ciclo de histéresis.
c. el campo necesario para quitar la imanación de un
material.
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