Partes Maquina Cc

BENEMÉRITA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE PUEBLA

MÁQUINAS C.C. PROF. LUIS JUÁREZ PEREA PARTES DE LA MÁQUINA DE C.C. JAIRO TENORIO BALLINAS OTOÑO 2016

INTRODUCCIÓN PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR DE CORRIENTE DIRECTA El principio de funcionamiento de los motores eléctricos de corriente directa o continua se basa en la repulsión que ejercen los polos magnéticos de un imán permanente cuando, de acuerdo con la Ley de Lorentz, interactúan con los polos magnéticos de un electroimán que se encuentra montado en un eje. Este electroimán se denomina “rotor” y su eje le permite girar libremente entre los polos magnéticos norte y sur del imán permanente

situado

dentro

de

la

carcasa

o

cuerpo

del

motor.

Cuando la corriente eléctrica circula por la bobina de este electroimán giratorio, el campo electromagnético que se genera interactúa con el campo magnético del imán permanente. Si los polos del imán permanente y del electroimán giratorio coinciden, se produce un rechazo y un torque magnético o par de fuerza que provoca que el rotor rompa la inercia y comience a girar sobre su eje en el mismo sentido de las manecillas del reloj en unos casos, o en sentido contrario, de acuerdo con la forma que se encuentre conectada al circuito la pila o la batería.

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COMPONENTES DE LA MÁQUINA C.C.

Partes constitutivas de las máquinas eléctricas rotativas.

Estator.- es aquel que está constituido por una corona de material ferromagnético denominada culata o yugo en cuyo interior, van dispuestos unos salientes radiales con una expansión en su extremo, denominados polos. Estos se encuentran regularmente distribuidos y en número par. Los cuales se encuentran sujetados por tornillos a la culata. Rodeando los polos, se hallan una bobina de hilo, o pletina de cobre aislado, cuya misión es, al ser alimentadas por corriente continua, crear el campo magnético inductor de la máquina, el cual presentará alternativamente polaridades norte y sur. Salvo las máquinas de potencia reducida, en general menores a 1 KW de potencia, encontramos también el estator, alternando los polos antes mencionados, otros llamados polos de conmutación.

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Estator de una máquina de corriente directa.

Yugo o carcasa: llamada también envolvente que sirve para proteger a la máquina y sostener lar partes fijas de que consta el circuito magnético formado por partes del mismo. Para máquinas de baja y media capacidad la carcasa se fabrica de láminas de acero rolado y para máquinas de mayor capacidad se fabrican con laminación de material magnético de buena calidad con el objetivo de reducir al mínimo las pérdidas magnéticas debidas principalmente a la histéresis y a las corrientes pulsantes.

Vista de una carcasa con sus componentes.

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Piezas polares también llamados polos: Es la parte del circuito magnético situada entre la culata y el entrehierro, incluyendo el núcleo y la expansión polar. Para máquinas de pequeña capacidad se fabrican de una sola pieza y para máquinas de mayor capacidad se fabrican siempre de un material magnético laminado utilizando en algunos casos laminación en forma especial para obtener en el extremo de los polos un entrehierro o espacio de aire que represente una reluctancia elevada para impedir la distorsión y la desaparición de las líneas de fuerza del campo magnético cuando se presenta en la máquina el remanente de la sección de armadura. En la parte inferior del polo que es de la forma apropiada y con una curvatura muy aproximada a la que tiene la armadura se le llama zapata polar. La parte superior del polo hay un qué sirve para dar alojamiento a un plano que lo sujeta a la carcasa.

Inductor de una máquina de corriente directa.

Núcleo. Es la parte del circuito magnético rodeado por el devanado inductor.

Devanado inductor. Es el conjunto de espiras destinado a producir el flujo magnético, al ser recorrido por la corriente eléctrica.

Expansión polar. Es la parte de la pieza polar próxima al inducido y que bordea al entre hierro.

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Polo auxiliar o de conmutación. Es un polo magnético suplementario, provisto o no, de devanados y destinado a mejorar la conmutación. Este suele usarse en las máquinas de mediana y gran potencia.

Vista del polo de conmutación.

Campo de excitación. Está formado por todas las bobinas que van colocados alrededor de cada polo y conectados todos en serie y a la vez en paralelo con la armadura. El campo de excitación de un generador de corriente continua está conectado en serie con una resistencia variable que se conoce con el nombre de reóstato de excitación y sirve para inducir un campo magnético que reforzará y multiplicará muchas veces el valor del magnetismo remanente de la máquina para que al tener esta mayor flujo magnético pueda inducir una fuerza electromotriz inducida mayor.

Culata. Es una pieza de material ferromagnético, no rodeada por devanados, y destinada a unir los polos de la máquina.

Base. La base es el elemento en donde se soporta toda la fuerza mecánica de operación de la máquina, puede ser de dos tipos: a) Base frontal b) Base lateral. 6

Tapas. Las tapas del generador son colocadas y aseguradas al estator por medio de pernos colocados a ambos extremos del mismo y contienen el alojamiento para los cojinetes del eje al rotor o armadura. Las tapas pueden ser del tipo conocido con el nombre de araña y pueden ser cerradas o abiertas según el generador se construya para uso general o para prueba de polvo o de explosión. Las tapas que van colocadas del lado del conmutador debe tener practicada una ranura circular con sección en forma de cola de milano que sirve para alojar la base a la cual se fija el anillo y brazos porta escobillas.

Rotor o armadura. El rotor se construye con chapas finas de 0.3 a 0.5 mm de espesor, aisladas unas de otras por una capa de barniz o de óxido. Con ranuras en las que se introduce el devanado inducido de la máquina. Este devanado está constituido por bobinas de hilo o de pletina de cobre convenientemente aislados, cerrado sobre sí mismo al conectar el final de la última bobina con el principio de la primera. Si se tratara de un rotor macizo, debido a la rotación y provocadas por el campo magnético, aparecerían intensas corrientes de Foucault en el hierro del rotor y esto le provocaría un aumento crucial en la temperatura; con lo cual se pondría en peligro al devanado. Para mejorar el enfriamiento del rotor, en el cuerpo del mismo se le practican hendiduras para una adecuada ventilación y en el lado anterior se pueden sujetar aspas para ventilarlo.

Rotor típico de una máquina de corriente directa

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Pila de láminas de un rotor de corriente directa.

El rotor consta de las siguientes partes: Eje del rotor. Se fabrica de acero, debidamente maquinado y construido a tratamiento térmico cuando se necesita ensamblar con el núcleo magnético de la armadura.

Rotor completo de una máquina de corriente directa de gran potencia.

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Armadura. Está formada por un núcleo magnético de laminación de acero al silicio de buena calidad magnética y la laminación tiene un espesor que puede variar desde los 15 milésimas hasta los 30 milésimas de pulgada. La laminación se corta en la fábrica de acero de acuerdo con las especificaciones del diseño haciendo uso de máquinas troqueladoras de acuerdo con una matriz que se coloca a la máquina y que corresponde al diseño. Según la capacidad del generador la laminación usa troquelados, las ranuras, el barreno y el uñero para el eje y los barrenos que van a formar los ductos de ventilación de la armadura. Según la longitud que va a tener el núcleo se le practicaran dos, tres, o más ranuras periféricas que servirán para alojar un gancho de alambre de acero que servirán para asegurar las láminas dentro de la armadura cuando se utilicen ranuras de tipo abierto o semicerrado, para que los conductores no vayan a salir por la acción de la fuerza centrífuga (en sustitución del alambre usado para los ganchos se utilizan actualmente cintas de fibra de vidrio llamadas generalmente (Polyglaes). En las ranuras de la armadura se colocan debidamente aisladas las bobinas que conectaran el embobinado de la máquina y las terminales de estas bobinas van conectadas de acuerdo con el polo del embobinado y del paso del conmutador a las delgas correspondientes del mimo.

Formato de las ranuras usadas en los rotores de las máquinas de corriente directa. En la parte izquierda podemos apreciar una ranura abierta y en el lado derecho una ranura semicerrada.

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Devanado inducido. Es el devanado conectado al circuito exterior de la máquina y en el que tiene lugar la conversión principal de la energía. En la mayoría de los casos se utilizan devanados de varillas o hilos. Un lazo conductor cerrado, que comienza y termina en la parte la máquina llamada conmutador y recibe el nombre de bobina. Un lazo conductor de varillas gruesas de cobre, planas, se denomina devanado de varillas; en general, solo tienen una espira. Los lazos conductores formados con un número mayor de espiras, de alambre, reciben el nombre de devanados de hilo.

Tipos de devanados usados en las máquinas de corriente directa. A la izquierda un devanado de varilla y a la derecha un devanado con devanado matricial.

La distinción entre un devanado manual y un devanado matricial o de formato es que en el devanado manual se puede observar en el lado opuesto al inversor de corriente un acordonado. Todos los hilos son introducidos manualmente en las ranuras. En el devanado de formato las bobinas son fabricadas con una máquina especial y, posteriormente son introducidas en las ranuras. Este tipo de bobinas presentan una forma curvada.

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Devanado imbricado

Es el tipo de construcción de devanado más sencilla que se utiliza en las máquinas de corriente directa modernas. Un devanado imbricado simple de rotor consta de bobinas que contienen una o más vueltas de alambre y los dos extremos de cada bobina salen de segmentos del conmutador adyacentes. Si el final de la bobina está conectado al segmento siguiente a aquel al que está conectado su comienzo el devanado es imbricado progresivo y yc=1; si el final de la bobina está conectado al segmento anterior a aquel al que comienza el devanado en imbricado regresivo y yc=-1.

Una de las características más importantes del devanado imbricado simple es que tiene tantos caminos o trayectorias de corriente paralelos a través de la máquina como polos en la misma. Suponiendo que el número de bobinas y segmentos del conmutador presentes en el rotor son c y p es el número de polos en la máquina, entonces encontraremos c/p bobinas en cada uno de los caminos p de corriente paralelos a través de la máquina. El hecho de tener p caminos de corrientes también requiere que se tenga tantas escobillas en la máquina como polos para conectar todos esos caminos de corriente.

El hecho de tener tantos caminos de corriente en la máquina multipolar hace al devanado imbricado la opción ideal para fabricar máquinas que nos otorguen una corriente alta y un voltaje relativamente bajo, puesto que las altas corrientes que se requieren se pueden se pueden dividir entre varios de los diferentes caminos de corriente. Esta división de corrientes hace que el tamaño de los conductores del rotor individuales sea pequeño incluso cuando la corriente total es extremadamente 11

grande. Sin embargo, el hecho de que se tengan muchos caminos paralelos a través de la máquina multipolar puede causar un problema muy serio. Este problema consiste en que se inducen voltajes más altos en los caminos de corriente que sus alambres pasan por debajo de las caras polares inferiores en comparación con los caminos cuyos alambres pasan por debajo de las caras superiores. Puesto que todos los caminos se encuentran conectados en paralelo, por lo que se genera una corriente circulante que fluye hacia afuera a través de algunas escobillas y regresa a través de otras. Esta situación no es buena para la máquina, puesto que la resistencia del devanado del circuito del rotor es relativamente pequeña, un pequeño desequilibrio entre los voltajes en los caminos paralelos provocará grandes corrientes circulantes a través de las escobillas y, potencialmente, serios problemas de calentamiento. El problema descrito anteriormente no se puede eliminar por completo en las máquinas eléctricas de corriente directa ni con las tecnologías más modernas, pero se pueden reducir un poco por medio de la instalación de compensadores

o

devanados

de

compensación

en

las

máquina.

Los

compensadores son barras ubicadas en el rotor de una máquina de corriente directa de devanado imbricado que hacen cortocircuito en puntos con el mismo potencial en diferentes caminos paralelos. Devanado Ondulado

El devanado ondulado o en serie es otra manera de conectar las bobinas del rotor a los segmentos del conmutador. En un devanado ondulado simple hay, sólo dos caminos de corriente. Hay sólo la mitad de los devanados en cada camino de corriente c/2. Las escobillas en este tipo de máquina estarán separadas unas de otras por un paso polar completo. 12

Al igual que en el devanado imbricado el devanado ondulado lo podemos encontrar progresivo y regresivo. La terminal de la segunda bobina se puede conectar al segmento siguiente o anterior al segmento en el que se conectó el comienzo de la primera bobina. Si la segunda bobina se conecta al segmento siguiente a la primera bobina, el devanado es progresivo; si se conecta al segmento anterior a la primera bobina, el devanado es regresivo. La expresión general para el paso de conmutación en un devanado ondulado simple es: 𝑦𝑐 =

2(𝑐 ± 1) 𝑝

Donde: C es el número de bobinas en el rotor P es el número de polos en la máquina. El signo positivo se usa en los devanados progresivos y el negativo en los signos regresivos. Puesto que sólo hay dos caminos de corriente a través de un rotor devanado ondulado simple, sólo se necesitan dos escobillas para manejar la corriente. Esto se debe a que los segmentos en proceso de conmutación conectan los puntos con voltajes iguales bajo las caras polares. Si se desea, se pueden agregar más escobillas en puntos separados por 180 grados eléctricos, puesto que estas tienen el mismo potencial y están conectadas juntas por medio de los alambres en proceso de conmutación de la máquina. Por lo general se agregan escobillas extras a una máquina con devanado ondulado, incluso si no son necesarias, porque esto reduce la cantidad de corriente que debe circular a través de un grupo de escobillas. Los devanados ondulados son ideales para la construcción de máquinas en las que se quiere obtener un alto nivel de voltaje, debido al número de bobinas en serie entre los segmentos del conmutador se permite acumular un mayor voltaje más fácilmente que con un devanado imbricado. Un devanado ondulado múltiple es un devanado compuesto por varios conjuntos independientes de devanados ondulados en el rotor. 13

Devanado anca de rana El devanad anca de rana o también llamado devanado auto compensador toma este nombre por la forma que tienen sus bobinas. Este tipo de devanado es la combinación de un devanado imbricado y un devanado ondulado. Un devanado de pata de rana combina un devanado imbricado con un devanado ondulado, de tal manera que los devanados ondulados pueden funcionar como compensadores para el devanado imbricado. El número de caminos de corriente que hay en un devanado de pata de rana viene a estar dado por la siguiente expresión: 𝑎 = 𝑃𝑚𝑖𝑚𝑏 Donde: P es el número de polos presentes en la máquina 𝑚𝑖𝑚𝑏 es el número de devanados completos e independientes de devanados imbricados.

Devanado anca de rana o auto compensador.

Núcleo del inducido. Está formado por un cilindro de chapas magnéticas que están construidas, generalmente, de acero laminado con un 2% de silicio para mejorar las perdidas en el circuito magnético. Este cilindro se fija al eje de la máquina, el cual descansa sobre unos cojinetes de apoyo. Las chapas que forman el inducido o rotor de la máquina disponen de ranuras en las cuales se alojan los hilos de cobre del devanado inducido. Para la colocación y centrado del rotor en las máquinas de corriente continua se hace lo siguiente: en las máquinas medias y pequeñas, el eje se sitúa en cojinetes 14

de chapas que se atornillan al armazón mediante anillos centradores. Las máquinas mayores reciben caballetes libres de apoyo. Para las máquinas medias y pequeñas regularmente se usan baleros y para las grandes, chumaceras también llamados baleros deslizantes.

Conmutador. Es el conjunto de las láminas conductoras construidas con segmentos de cobre electrolítico que reciben el nombre de “delgas”, aisladas al eje y unas de otras, pero conectadas a las secciones de corriente continua del devanado y sobre las cuales frotan las escobillas. El conmutador va colocado a una determinada distancia del núcleo magnético de la armadura y el extremo de la delga queda del lado del núcleo lleva una ranura en la cual se alojan las terminales de las bobinas y posteriormente se fijan con soldadura.

Conmutador de una máquina de corriente directa usado en una pequeña esmeriladora

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Escobillas. La función de la escobillas es conducir las corrientes desde el conmutador hacia el circuito externo generalmente se fabrican de carbono y para generadores que operan con muy bajo voltaje se fabrican de cobre en algunos casos de aleaciones de carbono y cobre. Las escobillas van colocadas en unos alojamientos metálicos que van fijos al brazo porta escobillas y al anillo que lo sostiene. El conjunto va debidamente aislado del material metálico de la máquina. Según la capacidad de la máquina cada brazo porta escobillas podría elevar, una, dos, tres o más escobillas para poder conducir toda la corriente generada en la armadura hacia el circuito exterior. En generadores utilizados en procesos electroquímicos como el de galvanoplastia en la que se necesitan elevados flujos de corriente, se usan porta escobillas que tienen cuatro o hasta seis escobillas. El alojamiento una muelle o resorte que mantiene las escobillas siempre haciendo contacto con el conmutador para reducir al mínimo la resistencia por contacto de escobillas. La presión recomendada de la muelle o resorte deber ser una a dos libras por pulgada cuadrada. Al seleccionar las escobillas para cada tipo de generador hay que utilizar los conmutadores en las especificaciones de la máquina pues las hay de diferente fuerza y sí por algún error se selecciona una de mayor fuerza que las especificaciones se acorta demasiado la vida útil del conmutador que se desgasta por la presión de las escobillas inapropiada.

Escobillas utilizadas en las máquinas de corriente directa.

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Entrehierro. Es el espacio comprendido entre las expansiones polares y el inducido, suelen ser normalmente de 1 a 3 mm, lo imprescindible para evitar el rozamiento entre la parte fija y la móvil.

Cojinetes. También conocidos como rodamientos, contribuyen a la óptima operación de las partes giratorias de la máquina. Se utilizan para sostener y fijar ejes mecánicos, y para reducir la fricción, lo que contribuye a lograr que se consuma menos potencia. Los cojinetes se pueden dividir en dos clases:

a) Cojinetes de deslizamiento. Operan en base al principio de la película de aceite, esto es, que existe una delgada capa de lubricante entre la barra del eje y la superficie de apoyo. b) Cojinetes de rodamiento. Se utilizan con preferencia en vez de los cojinetes de deslizamiento por varias razones:  Tienen un menor coeficiente de fricción, especialmente en el arranque.  Son compactos en su diseño.  Tienen una alta precisión de operación.  No se desgastan tanto como los cojinetes de tipo deslizante.  Se remplazan fácilmente debido a sus tamaños estándares.

Cojinete montado en el rotor de una

máquina

de

corriente

directa

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Caja de conexiones. Por lo general, en la mayoría de los casos las máquinas eléctricas cuentan con caja de conexiones. La caja de conexiones es un elemento que protege a los conductores que alimentan al motor o que salen del generador, resguardándolos de la operación mecánica del mismo, y contra cualquier elemento que pudiera dañarlos.

Caja de conexiones de una máquina de corriente directa de gran potencia.

Carcasa. La carcasa es la parte que protege y cubre al estator y al rotor, el material empleado para su fabricación depende del tipo de máquina, de su diseño y su aplicación. Podemos clasificarla de la siguiente forma: a) Totalmente cerrada. b) Abierta. c) A prueba de goteo. d) A prueba de explosiones. e) De tipo sumergible.

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Alrededor de los núcleos polares, va enrollado, en forma de hélice, el arrollamiento de excitación. El núcleo de los polos de conmutación lleva enrollado un arrollamiento de

conmutación.

1 Carcasa 2 Tapa del frente 3 Base 4 Flecha o eje del rotor 5 Caja de conexiones 6 Tapa posterior

Placa de características. La máquina eléctrica de corriente directa al igual que cualquier máquina eléctrica debe llevar una placa de características que irá alojada de tal modo que sus datos puedan leerse incluso cuando se encuentren en servicio. Los datos más importantes son: nombre del fabricante, tipo, número y potencia de la máquina.

Placa de datos de una máquina de corriente directa.

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Tabla de características que contiene una placa de las máquinas de corriente directa.

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