Introducción
Los motores de corriente continua (CC) son máquinas eléctricas que transforman energía eléctrica en energía mecánica mediante la acción de fuerzas electromagnéticas. Históricamente, han tenido un papel fundamental en el desarrollo de la tracción eléctrica y en aplicaciones donde se requiere alto par de arranque y amplia regulación de velocidad.
Sin embargo, presentan ciertos inconvenientes que han limitado su uso frente a los motores de corriente alterna, especialmente en aplicaciones modernas.
Ventajas y desventajas de los motores de corriente continua
Desventajas principales
Uno de los principales inconvenientes de los motores de corriente continua es que no pueden conectarse directamente a la red eléctrica, ya que esta suministra corriente alterna. Para su alimentación es necesario utilizar equipos de conversión, como rectificadores o fuentes de alimentación, que transformen la corriente alterna en corriente continua.
Además, su constitución mecánica es más compleja que la de los motores de corriente alterna. Para su funcionamiento requieren un colector de delgas y escobillas, elementos sometidos a fricción constante, lo que incrementa:
- El desgaste mecánico
- Las tareas de mantenimiento
- La probabilidad de fallas por suciedad o chisporroteo
Ventajas principales
A pesar de estas desventajas, los motores de corriente continua poseen características muy valoradas:
- Elevado par de arranque
- Regulación sencilla y precisa de la velocidad
- Funcionamiento estable en un amplio rango de velocidades
Estas cualidades los hacen ideales para aplicaciones donde el control del movimiento es fundamental, como:
- Sistemas de tracción eléctrica (tranvías, trenes, coches eléctricos)
- Helicópteros eléctricos
- Drones
- Equipos industriales de velocidad variable
- Aplicaciones donde se requiere un control fino del par y la velocidad
Principio de funcionamiento
El funcionamiento de un motor de corriente continua se basa en un principio común a todas las máquinas eléctricas:
un conductor recorrido por una corriente eléctrica y sometido a un campo magnético experimenta una fuerza mecánica.
Generación del campo magnético
El campo magnético inductor es producido por los polos magnéticos situados en el estator del motor. Estos polos pueden generarse mediante imanes permanentes o, más comúnmente en motores industriales, mediante bobinados alimentados con corriente continua.
Corriente en el rotor y generación del par
En el rotor se sitúa una espira (o conjunto de conductores) por la que circula corriente continua. Esta corriente llega al rotor a través de un colector de delgas, que es un anillo de cobre dividido en dos mitades aisladas eléctricamente entre sí.
Sobre el colector apoyan unas escobillas de carbón, que permiten el contacto eléctrico entre la fuente de alimentación y el rotor.
Debido a que las corrientes que circulan por los lados opuestos de la espira tienen sentidos contrarios, al aplicar la regla de la mano izquierda, se observa que aparecen fuerzas también contrarias en cada lado activo de la espira. Estas fuerzas generan un par de giro, que provoca la rotación del rotor.
Sentido de giro
Para que el motor gire siempre en el mismo sentido, el par de fuerzas debe mantenerse constante. Esto se logra gracias a la acción del colector de delgas, que invierte automáticamente el sentido de la corriente en el rotor cada media vuelta.
Si se desea invertir el sentido de giro del motor, basta con invertir el sentido de la corriente en el rotor, manteniendo fijo el campo magnético del inductor. En la práctica, esto se logra cambiando la polaridad de conexión, es decir, invirtiendo los cables en los bornes del motor.
Constitución del motor de corriente continua
Desde el punto de vista constructivo, el motor de corriente continua es muy similar a un generador de corriente continua (dínamo). Estas máquinas son reversibles, por lo que pueden funcionar indistintamente como motor o como generador.
Para su funcionamiento se requieren tres partes fundamentales:
- Circuito inductor (estator)
- Circuito inducido (rotor)
- Colector de delgas y escobillas
El estator
En el estator se encuentra el circuito inductor, encargado de producir el campo magnético. Está constituido por:
- Una envolvente de acero laminado o hierro forjado, llamada culata o yugo
- Núcleos polares principales, sobre los que se arrollan los bobinados de excitación
Al alimentar estos bobinados con corriente continua se obtienen campos magnéticos más intensos y controlables que los producidos por imanes permanentes.
Además de los polos principales, suele incorporarse en la culata un conjunto de polos auxiliares o polos de conmutación, con sus respectivos devanados. Estos polos tienen la función de reducir los efectos perjudiciales de la reacción del inducido, mejorando la conmutación y disminuyendo el chisporroteo en las escobillas.
El rotor
El rotor contiene el circuito inducido, por el cual circula la corriente que genera el par de giro.
Para lograr una aplicación uniforme de las fuerzas electromagnéticas, los conductores del inducido se distribuyen de manera regular sobre el núcleo del rotor.
El núcleo rotórico se construye con chapas magnéticas apiladas, lo que permite reducir:
- Pérdidas por histéresis
- Pérdidas por corrientes parásitas o de Foucault
A lo largo del núcleo se practican ranuras, donde se alojan los conductores del inducido, debidamente aislados.
El colector de delgas y las escobillas
El colector está formado por varias delgas de cobre electrolítico, aisladas entre sí mediante separadores de micanita, un material aislante resistente al calor.
Cada delga se conecta eléctricamente a los conductores del inducido mediante soldadura blanda con estaño.
Las escobillas son las encargadas de transmitir la corriente al rotor por contacto directo con el colector. Generalmente se fabrican de carbón puro o grafito y se montan sobre portaescobillas que permiten regular la presión de contacto.
Para un funcionamiento correcto:
- Las escobillas deben apoyar sobre las delgas con toda su superficie
- En algunos casos es necesario lijarlas para lograr un ajuste adecuado
Mantenimiento del motor de corriente continua
Debido a la fricción constante, las escobillas poseen una vida útil limitada. Por este motivo, una de las tareas de mantenimiento más importantes en los motores de corriente continua es:
- Reemplazar las escobillas desgastadas
- Limpiar y mantener en buen estado las delgas del colector
Un mantenimiento adecuado garantiza un funcionamiento eficiente, reduce las chispas y prolonga la vida útil del motor.
Los motores de corriente continua siguen siendo una solución técnica válida y eficiente en aplicaciones donde se requiere control preciso del movimiento, a pesar de haber sido desplazados en muchos casos por motores de corriente alterna y sistemas electrónicos modernos.