Cómo funcionan los motores eléctricos: de la fuerza magnética al par en el eje

La fuerza de Lorentz sobre un conductor

Todo motor eléctrico se basa en un único efecto físico. Cuando una corriente I circula por un conductor de longitud L situado en un campo magnético de densidad de flujo B, y el conductor es perpendicular al campo, aparece sobre él una fuerza lateral

F = B × I × L

con F en newtons, B en teslas, I en amperios y L en metros. El sentido sigue la regla de la mano izquierda para motores: el índice apunta en el sentido del campo (de norte a sur), el corazón en el de la corriente, y el pulgar indica el sentido de la fuerza. Si se invierte la corriente o el campo, la fuerza se invierte; si se invierten ambos, permanece igual.

Un ejemplo sencillo: un conductor de 0,1 m que lleva 10 A en un campo de 0,8 T sufre F = 0,8 × 10 × 0,1 = 0,8 N. Es menos de 1 N, y por eso los motores reales usan muchas espiras de hilo y campos intensos.

De la fuerza al par

Un único conductor recto solo puede empujar. Para obtener rotación, los conductores se colocan sobre un cilindro (el rotor o inducido) que puede girar libremente alrededor de un eje. Una fuerza F que actúa a un radio r produce un par

T = F × r

Si el devanado tiene N conductores bajo los polos, cada uno con corriente I en un campo B, el par total es aproximadamente

T = N × B × I × L × r

Esto muestra las tres palancas de todo diseñador de motores: más campo magnético, más corriente, o más longitud de conductor y más radio. También explica por qué el par del motor es casi proporcional a la corriente, y por qué los motores con imanes permanentes potentes o carcasas grandes dan más par. La potencia mecánica se obtiene entonces del par y de la velocidad angular:

P = T × ω

donde ω = 2π × N / 60 es la velocidad en radianes por segundo y N está en rpm. Un motor que produce 2 N·m a 3000 rpm entrega P = 2 × 314,2 ≈ 628 W.

Estator, rotor y entrehierro

Casi todos los motores rotativos tienen las mismas dos partes principales.

• El estator es la parte fija. Lleva devanados o imanes permanentes y crea uno de los dos campos magnéticos que interactúan.
• El rotor es la parte montada en el eje. Lleva el otro campo, producido por imanes permanentes, por un devanado con su propia corriente o por corrientes inducidas desde el estator.
• El entrehierro es el espacio delgado entre ambos, normalmente de una fracción de milímetro a unos pocos milímetros. El campo magnético lo atraviesa y es allí donde se produce el par.

En el fondo, el par es la tendencia de dos campos magnéticos a alinearse. El campo del estator y el del rotor intentan alinearse como dos imanes de barra, y mientras el campo del estator siga avanzando por delante del campo del rotor, el rotor seguirá persiguiéndolo. Los distintos tipos de motor son, sencillamente, formas distintas de mantener el campo del estator un paso por delante.

Conmutación: mantener el par siempre en el mismo sentido

Si la corriente de una espira giratoria no cambiara nunca de sentido, el par cambiaría de signo cada media vuelta y el rotor solo oscilaría. La conmutación es la maniobra de la corriente que lo evita.

En un motor de CC con escobillas, la conmutación es mecánica. Unas escobillas de carbón presionan un colector de cobre segmentado fijado al rotor. Al girar el rotor, las delgas pasan bajo las escobillas e invierten la corriente de cada bobina justo cuando atraviesa la posición neutra, de modo que el par conserva el mismo signo. Es sencillo y barato, pero las escobillas se desgastan, producen chispas y limitan la velocidad.

En un motor sin escobillas, la conmutación es electrónica. Los imanes están en el rotor y los devanados en el estator. Sensores Hall, o una estimación de la posición, indican al inversor dónde está el rotor, y el inversor excita las fases del estator en la secuencia adecuada. No hay escobillas que se desgasten, de modo que mejoran el rendimiento y la vida útil, a cambio de la electrónica de accionamiento.

Los motores de inducción y síncronos de CA no necesitan colector: una alimentación trifásica crea directamente un campo giratorio, como se explica en la guía del campo magnético giratorio.

Un motor también es un generador

La misma máquina puede funcionar al revés. Si el eje lo mueve un motor térmico, una turbina o la propia carga del motor, los conductores cortan el campo magnético y se induce en ellos una tensión, E = B × L × v. Es la ley de inducción de Faraday, y es la tensión que produce un generador.

Esto ocurre también en todo motor en marcha. Al girar el rotor, los devanados generan una tensión que se opone a la de alimentación, llamada fuerza contraelectromotriz (FCEM). Es la razón por la que la corriente de un motor disminuye al ganar velocidad, y por la que un motor puede regenerar energía cuando se le impulsa por encima de su velocidad en vacío, por ejemplo un vehículo eléctrico que frena en una bajada. Motorizar y generar son el mismo proceso de conversión de energía, con la potencia fluyendo en sentidos opuestos.

En un motor, la potencia eléctrica tomada de la red se convierte en potencia mecánica más pérdidas. En un generador el orden se invierte: entra potencia mecánica y sale potencia eléctrica.

Familias de motores eléctricos

Los motores se diferencian por cómo crean el campo del estator y lo mantienen por delante del rotor.

• Motores de CC: de CC con escobillas y, con conmutación electrónica, de CC sin escobillas. La velocidad sigue a la tensión y el par sigue a la corriente.
• Motores de inducción (asíncronos): el rotor no tiene alimentación; su corriente es inducida por el campo del estator. Robustos, baratos y el caballo de batalla de la industria. Funcionan algo más lentos que el campo.
• Motores síncronos: el rotor se engancha al campo giratorio y gira exactamente a la velocidad síncrona. Esta familia incluye los motores de campo bobinado, los motores síncronos de imanes permanentes (PMSM) y los motores de reluctancia.
• Motores paso a paso y servomotores: diseñados para el control preciso de posición, ya sea avanzando por posiciones discretas o mediante realimentación en lazo cerrado.
• Motores universales: motores de colector con devanado serie que funcionan con CA o CC, habituales en taladros y aspiradoras.
• Motores lineales: los mismos principios desenrollados en plano para producir una fuerza en línea recta en lugar de un par.

La guía sobre cómo elegir un tipo de motor los compara en detalle.

Pruébelo en los simuladores de Curvo Studio

Abra el simulador del motor de CC con escobillas y observe cómo giran las escobillas y el colector en la escena 3D. Suba la Tensión de alimentación y la Carga mecánica, y lea los valores de Par, Corriente de armadura y Atrás CEM. Use el control Polaridad para alternar entre Positivo e invertido y vea cómo cambia el sentido de giro.

Abra el simulador del motor de CC sin escobillas para ver la conmutación electrónica. Cambie el ciclo de trabajo pwm y la Secuencia de conmutación, y observe cómo se excitan por turnos las fases U, V y W mientras el rotor las sigue.

Por último, abra el simulador del generador de CC y compare sus lecturas de FEM generada y Tensión en bornes con la Atrás CEM del motor: la misma máquina, con la energía fluyendo en el otro sentido.

Pruébalo en el simulador