Saltar al contenido

El motor eléctrico ¿Cómo funciona? Tipos de motores eléctricos, diferencia entre motores AC y DC

¿Cómo funciona un motor eléctrico?

Hoy en día, podemos encontrar motores eléctricos por todos lados. En el hogar, casi todos los movimientos mecánicos que vemos son causados por un motor eléctrico de CA (corriente alterna) o de CC (corriente continua). Veamos, cómo funcionan los motores eléctricos, los diferentes tipos de motores eléctricos que hay, y cuál es la diferencia entre un motor de corriente alterna y uno de corriente continua.

Índice

¿Cómo funciona un motor eléctrico?

Digamos que, en general, un motor eléctrico utiliza imanes (electroimanes) para crear su movimiento. Se basan en la ley fundamental de todos los imanes: los polos opuestos se atraen y los iguales se repelen

Así, si tienes dos barras magnéticas con los extremos marcados como N (norte) y S (sur), el extremo norte de un imán atraerá el extremo sur del otro. Por otro lado, el extremo norte de un imán repelerá el extremo norte del otro (y el sur repelerá al sur). En un motor eléctrico, estas fuerzas de atracción y repulsión son las que crean el movimiento de rotación.

Para entender cómo funciona un motor eléctrico, la clave es comprender cómo funciona el electroimán.

El interior de un motor eléctrico

Un electroimán es la base de un motor eléctrico. Supongamos que creamos un electroimán sencillo enrollando 100 vueltas de alambre alrededor de un clavo y lo conectamos a una pila. Así, el clavo se convertiría en un imán y tendría un polo norte y un polo sur mientras la pila esté conectada.

Ahora digamos que coges tu electroimán de clavo, pasas un eje por el centro del mismo y lo suspendes en medio de un imán de herradura como se muestra en la ilustración. Si conectas una pila al electroimán de forma que el extremo norte del clavo aparezca como se muestra, la ley básica del magnetismo te dice lo que ocurriría: El extremo norte del electroimán sería repelido del extremo norte del imán de herradura y atraído por el extremo sur del imán de herradura. El extremo sur del electroimán sería repelido de forma similar. El clavo se movería media vuelta y luego se detendría en la posición indicada.

Principio de funcionamiento del motor eléctrico
Principio de funcionamiento del motor eléctrico

La clave de un motor eléctrico es ir un paso más allá para que, en el momento en que se complete esta media vuelta de movimiento, el campo del electroimán se invierta. El campo magnético se invierte cambiando la dirección de los electrones que fluyen por el cable, lo que significa dar la vuelta a la pila. El giro hace que el electroimán complete otra media vuelta de movimiento. Si el campo del electroimán se volteara en el momento preciso al final de cada media vuelta de movimiento, el motor eléctrico giraría libremente.

Tipos de motores eléctricos

Como hemos mencionado en la introducción, existen dos tipos básicos de motores eléctricos: un motor eléctrico de corriente continua y uno de corriente alterna. Al final veremos algunos otros tipos de motores eléctricos.

¿Cómo funciona un motor de corriente continua?

Los motores de corriente continua (CC), se desarrollaron por primera vez a mediados del siglo XIX y todavía se utilizan hoy en día.

Partes del motor eléctrico de CC

Un motor de corriente continua simple tiene seis partes:

  1. Un estator.
  2. Un rotor.
  3. Un conmutador.
  4. Escobillas.
  5. Un eje.
  6. Una fuente de alimentación de Corriente Continua.
Partes de un motor de corriente continua
Partes de un motor de corriente continua

La parte exterior de un motor de corriente continua es el estator (ver imagen): un imán permanente que no se mueve. La parte interior, que es la que se mueve, es el rotor. En este caso, el rotor es como el clavo de nuestro ejemplo anterior, y el estator hace la función del imán de la herradura.

Cuando se envía corriente continua a través del rotor, se crea un campo electromagnético temporal que interactúa con el campo magnético permanente del estator. La función del conmutador es mantener la polaridad del campo cambiando constantemente, lo que hace que el rotor siga girando. Esto crea el par necesario para producir energía mecánica.

El estator

El estator es una corona de material ferromagnético (también llamado culata, carcasa o yugo), en cuyo interior y regularmente distribuidos se encuentran los polos inductores, están constituidos por un núcleo y por unas expansiones en sus extremos. Alrededor de los polos se encuentran unas bobinas, que constituyen el devanado inductor, generalmente de filamentos de cobre aislado, que al ser alimentados, en este caso, por una corriente continua, generan un campo inductor, presentando alternativamente polaridades norte y sur, en un número par de polos.

En motores de más alta potencia se encuentran distribuidos alternativamente entre éstos, otros polos auxiliares o de conmutación, que son macizos y sin expansiones, cuyo objetivo es mejorar la conmutación y evitar la generación de chispas en el contacto entre el conmutador y las escobillas.

Entrehierro: es el espacio de aire que hay entre el estator y el rotor. Es imprescindible que exista para evitar el rozamiento entre ambos, aunque debe ser lo menor posible, ya que el aire presenta una elevada reluctancia magnética, y si el entrehierro fuese muy amplio se debilitaría el campo magnético inductor.

Rotor, conmutador y escobillas

Como hemos dicho antes, el rotor es como el clavo en nuestro diagrama del electroimán. El conmutador (o colector de delgas) va montado sobre el mismo eje de giro y debe disponer de tantas placas como bobinas tiene el devanado inducido. Cada placa (delga), generalmente fabricadas de cobre de alta pureza, está unida eléctricamente al punto de conexión de una bobina con otra y separadas entre ellas por unas delgadas películas de mica que las mantiene aisladas. En el diagrama, son un par de placas que están unidas al eje y giran junto con él. Estas placas proporcionan las dos conexiones para la bobina del electroimán.

La función de «cambiar el campo eléctrico» de un motor eléctrico se logra mediante dos partes: el conmutador y las escobillas.

Las escobillas: son los elementos que aseguran el contacto eléctrico entre las placas del conmutador y el circuito de corriente continua exterior. Suelen estar fabricadas de carbón (grafito) y permanentemente están rozando sobre el colector, van sujetas en un collarín porta escobillas que mantiene la presión prevista mediante elementos elásticos (generalmente resortes) para asegurar que el contacto sea el adecuado. Un inconveniente de las escobillas es que, por el rozamiento, tienen un desgaste progresivo que acorta su vida útil, teniendo que sustituirlas cada cierto tiempo.

La siguiente animación muestra cómo el conmutador (en color cobre) y las escobillas (en verde y celeste) trabajan juntos para permitir que la corriente fluya hacia el electroimán, y también para invertir la dirección en la que fluyen los electrones en el momento adecuado. Los contactos del conmutador están unidos al eje del electroimán, por lo que giran con éste. Las escobillas son sólo dos piezas de metal elástico o carbón que hacen contacto con los contactos del conmutador.

¿Cómo se arma el motor eléctrico?

Motor eléctrico de Corriente Continua

Cuando se juntan todas estas piezas, se obtiene un motor eléctrico de corriente continua completo.

La clave está en que, cuando el rotor pasa por la posición horizontal, los polos del electroimán se invierten. Debido a este giro, el polo norte del electroimán siempre está por encima del eje, de modo que puede repeler el polo norte del estator y atraer el polo sur del estator.

En algunos casos, el rotor tiene tres polos en lugar de los dos que se muestran en este artículo. Hay dos buenas razones para que un motor tenga tres polos:

Funcionamiento de un motor eléctrico tripolar

Hace que el motor tenga una mejor dinámica. En un motor de dos polos, si el electroimán está en el punto de equilibrio, perfectamente horizontal entre los dos polos del estator cuando el motor se pone en marcha, puedes imaginar que el rotor se queda «atascado» ahí. Eso nunca ocurre en un motor tripolar.

Cada vez que el conmutador llega al punto en el que invierte el campo en un motor de dos polos, el conmutador pone en cortocircuito la batería durante un momento. Este cortocircuito desperdicia energía y agota la batería innecesariamente. Un motor de tres polos también resuelve este problema.

Es posible tener cualquier número de polos, dependiendo del tamaño del motor y de lo que tenga que hacer.

¿Cómo funciona un motor de corriente alterna?

Ahora veamos cómo funciona un motor de corriente alterna (CA). Al igual que los motores eléctricos de corriente continua, comparten muchas partes, su funcionamiento sigue basándose en electromagnetismo y en el cambio de campos magnéticos para generar energía mecánica.

Partes del motor eléctrico de CA

Las partes de un motor eléctrico de corriente alterna son:

  1. Un estator.
  2. Un rotor.
  3. Un eje sólido.
  4. Bobinas.
  5. Jaula de ardilla

El devanado del estator de un motor de corriente alterna hace, más o menos, el trabajo del rotor de un motor de corriente continua. En este caso, es un anillo de electroimanes que se emparejan y se energizan en secuencia, lo que crea el campo magnético giratorio.

El rotor de un motor de corriente continua está conectado a una batería, pero el rotor de un motor de corriente alterna no tiene ninguna conexión directa a una fuente de energía, como tampoco tiene escobillas. En su lugar, suele utilizar algo llamado jaula de ardilla. Ver ¿Qué es un rotor de jaula de ardilla?

La jaula de ardilla de un motor de corriente alterna es un conjunto de barras de rotor conectadas a dos anillos, uno en cada extremo. Su nombre se debe a que es similar, no exactamente a una jaula de ardilla o ratón, sino a la ruda donde juegan estos animales dentro de su jaula. Así, el rotor de la jaula de ardilla va dentro del estator.

Rotor de jaula de ardilla
Rotor de jaula de ardilla

Cuando se envía corriente alterna a través del estator, se crea un campo electromagnético. Las barras del rotor de la jaula de ardilla son conductoras, por lo que responden al giro de los polos del estator. Así es como gira el rotor, que crea su propio campo magnético.

Rotor y estator de corriente alterna

La clave de un motor de inducción de CA, en el que el campo del rotor es inducido por el campo del estator, es que el rotor siempre está tratando de alcanzarlo. Siempre está buscando un punto de equilibrio e inmovilidad, por lo que gira buscando encontrar ese estado estacionario.

Pero el campo electromagnético producido por el estator, utilizando la energía de corriente alterna, siempre va a ser un poco más rápido que el campo del rotor. El giro del rotor está creando el par necesario para crear la potencia mecánica que hace girar, por ejemplo, las cuchillas de una licuadora, o las paletas de un ventilador.

Rotor y estator de motor de corriente alterna
Rotor y estator de motor de corriente alterna

Una variación de los motores de corriente alterna utilizan un rotor bobinado, es decir, que está envuelto con alambre en lugar de ser una jaula de ardilla. Sin embargo, el tipo de motor de jaula de ardilla es el más común. En cualquier caso, sólo hay una pieza móvil en un motor de CA, lo que significa que hay menos cosas que necesitan ser reemplazadas o mantenidas.

Ciclo de funcionamiento del motor de corriente alterna

Para comprenderlo, fijémonos en el dibujo de abajo. Vemos en verde, azul y rojo a las bobinas del estator. Por ellas pasa corriente alterna en diferente fase, como se ilustra en la parte inferior de la imagen.

Fases de rotación de un motor eléctrico

Cuando la corriente alterna roja está en un máximo (1), el campo magnético apunta hacia abajo (en ese momento los campos de las otras dos se contrarrestan). En el punto 2 es la bobina azul la que impone la dirección del campo y en el momento 3 es la bobina verde.

De esta forma, la bobina del inducido, que busca alinearse con el campo magnético, debe girar constantemente.

Tenemos motores eléctricos por todas partes

Si tomamos por ejemplo una vivienda, veremos que existen muchos artefactos que utilizan motores eléctricos, especialmente los de corriente alterna, porque es el tipo de energía que tenemos actualmente en la red eléctrica. Sin embargo, también existen motores de corriente continua en aquellos aparatos o juguetes que utilizan pilas o baterías.

Empezando por la cocina, hay motores en:

  • Un ventilador en el horno eléctrico y en el de microondas.
  • La batidora de mano y de pie.
  • La licuadora.
  • El molinillo de café.
  • La juguera.
  • La multiprocesadora.
  • El frigorífico, por lo menos dos, uno para el compresor y otro para el o los ventiladores internos.
  • El extractor de humos.

En el lavadero, hay un motor eléctrico en:

  • La lavadora.
  • La secadora o centrifugadora.
  • El atornillador eléctrico.
  • La aspiradora.
  • El taladro eléctrico.
  • El extractor de pared.

Incluso en el baño hay motores eléctricos:

  • El ventilador de techo.
  • El cepillo de dientes eléctrico.
  • El ventilador del secador de pelo.
  • La maquinilla de afeitar eléctrica.

El coche tiene varios motores eléctricos:

  • Los elevalunas o levanta cristales eléctricos.
  • Los asientos eléctricos.
  • Ventiladores para la calefacción y el radiador.
  • Limpiaparabrisas.
  • El motor de arranque (burro de arranque).
  • En los coches eléctricos, un motor de corriente alterna reemplaza al de gasolina.

Además, hay motores eléctricos en todo tipo de lugares:

  • Ordenadores (enfriadores, discos rígidos, lectoras de dvd).
  • Teléfonos inteligentes.
  • Juguetes.
  • En la puerta automática del garaje.
  • Las bombas de los acuarios.

En definitiva, casi todo lo que se mueve utiliza un motor eléctrico para realizar este movimiento.

Otros tipos de motores eléctricos

Hay otros motores eléctricos con principios diferentes.

Aplicación del motor eléctrico lineal

En el motor eléctrico lineal, se busca que la fuerza magnética produzca un desplazamiento en línea recta, en vez de un giro. En el tren de la figura hay distribuidos por la vía imanes situados entre los raíles que repelen los que lleva el tren. En este caso, la repulsión magnética es la que causa el movimiento.

Hay también motores eléctricos parecidos al de corriente alterna, pero que funcionan con corriente continua.

En estos casos, hay un sistema de contactos (bornes) que cambian de polaridad a medida que gira el inductor, aunque se mantenga siempre el mismo sentido de la corriente. De esta forma se consigue igualmente una acción giratoria sobre el rotor.

Existen otras posibilidades. Incluso hay motores que funcionan sin apoyarse en campos magnéticos. No obstante, como regla general, podemos afirmar que: «Los motores eléctricos convierten energía eléctrica en energía mecánica gracias al campo magnético».

Algunas preguntas frecuentes sobre el motor eléctrico

¿Qué es un motor eléctrico de corriente continua?

Motor eléctrico de Corriente Continua

Un motor eléctrico de corriente continua convierte la energía eléctrica de la corriente continua en energía mecánica, a diferencia de la versión de corriente alterna que utiliza la corriente alterna, aunque comparten muchas partes, su funcionamiento sigue basándose en electromagnetismo y en el cambio de campos magnéticos para generar energía mecánica.

¿Cuáles son las partes básicas de un motor eléctrico de corriente continua?

Partes de un motor de corriente continua

Un motor eléctrico de corriente continua tiene, en general, seis partes básicas: ✅ un inducido o rotor, ✅ un conmutador, ✅ escobillas, ✅ un eje, ✅ un imán de campo y ✅ una fuente de alimentación de corriente continua, por ejemplo una pila.

¿Cuáles son las partes básicas de un motor eléctrico de corriente alterna?

Rotor y estator de motor de corriente alterna

En general, un motor eléctrico de corriente alterna tiene seis partes básicas: ✅ Un estator, ✅ un rotor, ✅ un eje sólido, ✅ bobinas, ✅ jaula de ardilla y ✅ una fuente de alimentación de corriente alterna, por ejemplo, energía de la red eléctrica.

¿Cuánto puede durar un motor eléctrico?

¿Cómo funciona un motor eléctrico?

Un motor eléctrico, en condiciones normales de funcionamiento y mantenimiento, puede durar entre 15 y 20 años. Aunque el motor de corriente alterna, por tener menor desgaste de las piezas, suele ser más durable que uno de corriente continua, en el que las escobillas necesitan ser reemplazadas con el tiempo.

¿Es mejor un motor eléctrico de CC o de CA?

Los motores de corriente alterna suelen ser más potentes y requieren menos mantenimiento; sin embargo, los motores de corriente continua suelen ser muy eficientes. La aplicación del motor eléctrico suele influir en la elección de CA o CC.

¿Qué es un rotor de jaula de ardilla?

¿Qué es un rotor jaula de ardilla?

Un rotor de jaula de ardilla es la parte que gira usada comúnmente en un motor de corriente alterna. Un motor eléctrico con este tipo de rotor también se suele llamar «motor de jaula de ardilla».

La jaula de ardilla es un cilindro montado en un eje que internamente tiene barras conductoras longitudinales de aluminio o de cobre con surcos y conectados juntos en ambos extremos poniendo en cortocircuito los anillos que forman la jaula (ver imagen).