¿Cómo funciona un motor?

El tambor de una lavadora acelera a 1.400 rpm mientras transporta varios kilogramos de ropa húmeda, el ventilador de una campana extractora funciona durante años contra el flujo de aire grasoso y el ventilador de una hielera comercial gira durante veranos enteros sin pausa. Los tres son motores eléctricos que convierten la energía eléctrica en rotación y los tres obedecen a la misma regla física. La respuesta corta a cómo funciona un motor: la corriente eléctrica que fluye a través de un conductor dentro de un campo magnético crea una fuerza sobre ese conductor, y el motor está dispuesto de manera que esta fuerza empuje continuamente una parte giratoria alrededor de un eje. Los conductores se enrollan en bobinas, las bobinas se colocan en las ranuras de un núcleo de hierro, el campo magnético proviene de imanes permanentes o devanados adicionales, y un mecanismo de sincronización, mecánico o electrónico, mantiene el empuje siempre apuntando en la dirección de rotación. Una vez que esa cadena está clara, cada tipo de motor se convierte en una variación de un tema y comparar hojas de datos o proveedores se vuelve mucho más fácil.

El principio básico: corriente más magnetismo es igual a fuerza

En su forma más simple, la fuerza sobre un cable que transporta corriente en un campo magnético es F = B × I × L, donde B es la densidad de flujo magnético, I la corriente y L la longitud del conductor dentro del campo. Un solo cable produce una fuerza de fracciones de newton, inútil por sí solo. Los motores amplían esto de tres maneras: enrollan cientos de vueltas en una bobina, concentran el campo con núcleos de acero laminado y colocan estos conductores en el estrecho espacio de aire entre dos estructuras magnéticas, donde el campo es más fuerte.

Las dos estructuras tienen nombres estándar. El estator es estacionario y genera el campo magnético principal; el rotor se encuentra en su interior sobre cojinetes y transporta los conductores que experimentan la fuerza. Debido a que la fuerza actúa lateralmente sobre los conductores del rotor, produce un par (un esfuerzo de torsión alrededor del eje) y el rotor gira.

Un detalle decide si el motor funciona o si se produce un tic inútil. Si nada cambiara, el rotor simplemente giraría hasta que sus polos magnéticos se alinearan con el estator y se detendría allí. Por lo tanto, cada motor en funcionamiento contiene un mecanismo de sincronización que cambia continuamente qué devanado está energizado, por lo que el empuje magnético siempre va ligeramente por delante del rotor. En los motores de CC con escobillas, esto se hace mecánicamente mediante un conmutador; en motores de inducción y sin escobillas se realiza mediante la propia corriente alterna o mediante control electrónico.

Dentro del motor: las piezas que hacen el trabajo

Estator: el creador de campo estacionario

El estator lleva los devanados o imanes permanentes que establecen el campo principal. Su núcleo de hierro está construido a partir de laminaciones finas y aisladas de acero al silicio, normalmente de 0,35 a 0,5 mm de espesor, apiladas entre sí. El acero sólido haría circular corrientes parásitas y desperdiciaría energía en forma de calor; las laminaciones reducen esa pérdida drásticamente.

Rotor: la parte que gira

El rotor es el conjunto giratorio. En el diseño doméstico más común, el rotor de inducción de jaula de ardilla, es un cilindro de acero laminado con barras de aluminio o cobre en cortocircuito en ambos extremos. En su lugar, los diseños con imán permanente y cepillado llevan imanes o bobinas de alambre. El rotor entrega torque a través de un eje de acero.

Entrehierro, eje y cojinetes

Entre el estator y el rotor se encuentra un entrehierro, que a menudo es de sólo 0,3 a 1 mm en motores de electrodomésticos pequeños. La fuerza se transfiere a través de este espacio y se debilita rápidamente con la distancia, por lo que un espacio más grande significa menor torque y eficiencia, mientras que un espacio más pequeño exige tolerancias de mecanizado más estrictas y deja menos margen para el desgaste de los rodamientos. Los rodamientos de bolas o de casquillo mantienen el eje centrado y su calidad determina en gran medida el ruido, las vibraciones y la vida útil.

Cómo funciona un motor de inducción de CA

Introduzca corriente alterna en los devanados del estator y el campo magnético no simplemente pulsa, sino que gira alrededor del entrehierro. Con suministro trifásico, tres devanados espaciados 120 grados crean por sí mismos un campo giratorio. La mayoría de los hogares solo tienen energía monofásica, por lo que los motores de los electrodomésticos agregan un devanado auxiliar alimentado a través de un capacitor; el cambio de fase entre los dos devanados crea el campo giratorio necesario para comenzar.

El rotor no recibe ninguna corriente suministrada. A medida que el campo del estator pasa por las barras del rotor, induce corrientes en ellas, y esas corrientes generan su propio campo, que arrastra el rotor detrás del campo del estator. Esta es la razón por la que el diseño se llama motor de inducción, y por la que el rotor nunca puede alcanzarlo: funciona ligeramente más lento que el campo, una diferencia llamada deslizamiento, típicamente del 2 al 5 por ciento a plena carga. Un motor de cuatro polos con un suministro de 50 Hz tiene una velocidad síncrona de 1500 rpm y funciona aproximadamente entre 1425 y 1470 rpm bajo carga.

De ello se desprenden dos consecuencias prácticas. En primer lugar, la velocidad se establece principalmente mediante la frecuencia de suministro y el número de polos, aproximadamente rpm = 120 × f/polos, razón por la cual un motor construido para 50 Hz funciona aproximadamente un 20 por ciento más rápido con 60 Hz. En segundo lugar, los motores monofásicos dependen del condensador de arranque, y un condensador defectuoso es la razón más común por la que un motor zumba pero no gira. Esta familia domina los acondicionadores de aire, ventiladores, bombas y compresores domésticos, donde la simplicidad y el costo importan más que el control preciso de la velocidad.

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Cómo funciona un motor de CC: con y sin escobillas

Un motor de CC con escobillas adopta el enfoque opuesto: los imanes permanentes en el estator proporcionan un campo constante y la corriente llega a la armadura giratoria a través de las escobillas de carbón que presionan un conmutador segmentado. Cada media vuelta, el conmutador invierte la corriente en las bobinas del inducido, por lo que el par nunca cambia de dirección. La construcción es simple y barata, y la velocidad responde casi linealmente al voltaje, lo que se adapta a pequeños ventiladores, juguetes y herramientas de bajo costo. La debilidad es mecánica: las escobillas se desgastan, producen chispas y generan ruido eléctrico, lo que limita la vida útil.

Una armadura giratoria también genera su propio voltaje, oponiéndose al suministro. Esta contraEMF aumenta linealmente con la velocidad y actúa como un regulador natural: cuando la carga ralentiza el rotor, la contraEMF cae, fluye más corriente y el par se restablece automáticamente.

La respuesta moderna al desgaste de las escobillas es el motor CC sin escobillas (BLDC): los imanes se mueven hacia el rotor, los devanados permanecen en el estator y un controlador electrónico reemplaza el conmutador, conmutando la corriente entre los devanados de fase basándose en sensores Hall o el propio EMF posterior. Sin contactos deslizantes, la eficiencia y la vida útil aumentan, el ruido disminuye y el control preciso de la velocidad es casi gratuito. Las lavadoras de accionamiento directo son el ejemplo más claro: el motor está montado directamente en el eje del tambor y un motor BLDC controlado por inversor proporciona un par elevado a baja velocidad para cargas pesadas y desequilibradas. Si está pasando de diseños con escobillas a diseños sin escobillas, los detalles de conducción y protección difieren lo suficiente como para merecer una atención especial, como explicamos en nuestras notas sobre qué tener en cuenta al utilizar un motor sin escobillas de CC.

Motor de lavadora inversor de accionamiento directo Un motor inversor sin escobillas que se monta directamente en el eje del tambor, eliminando la correa. Como explica el artículo, los diseños de transmisión directa BLDC brindan un alto torque a baja velocidad para cargas de ropa pesadas y desequilibradas, mientras funcionan de manera más silenciosa y duran más. Ver producto →

Par, velocidad y eficiencia: leer los números

El par es la fuerza de torsión que ejerce el eje, medida en newton-metro; El par de arranque es importante para compresores y cargas de licuadoras, mientras que el par nominal define lo que un motor puede ofrecer de forma continua sin sobrecalentarse. La potencia mecánica es igual al par multiplicado por la velocidad de rotación, por lo que la misma potencia se puede empaquetar como alta velocidad con par bajo o al revés; hacer coincidir esta relación con su carga es el núcleo de la selección del motor. Tenga en cuenta que la potencia en una placa de identificación es entrada eléctrica; la salida mecánica es menor y la diferencia es la eficiencia.

La eficiencia varía más entre familias de motores de lo que muchos compradores esperan.

Los valores anteriores son puntos medios indicativos para motores de clase de electrodomésticos pequeños; Las cifras reales dependen del tamaño y la calidad del diseño. La brecha entre familias es dinero real y calor real durante miles de horas de funcionamiento, por lo que al comparar cotizaciones, verifique estos elementos en la hoja de datos:

1. Tensión y frecuencia nominales: confirme que coincidan con el mercado de destino, como 220-240 V/50 Hz o 110-120 V/60 Hz.
2. Potencia nominal y ciclo de trabajo: una clasificación continua S1 difiere fundamentalmente de un servicio de corta duración, y una clasificación insuficiente provoca sobrecalentamiento.
3. Velocidad y par con carga nominal, no solo sin carga.
4. Clase de aislamiento: los devanados Clase B toleran 130°C, Clase F 155°C.
5. Nivel de ruido en dB(A), que es crítico para ventiladores, campanas extractoras y unidades interiores.
6. Tipo de rodamiento: rodamientos de bolas para una vida útil más larga y cargas más pesadas, rodamientos de manguito para un montaje horizontal silencioso y de bajo costo.

Cuando el flujo de aire debe variar entre los equipos de ventilación, refrigeración o secado, un diseño de frecuencia variable permite que un motor cubra una variedad de puntos de funcionamiento en lugar de una única velocidad fija.

Motor de ventilador pequeño de velocidad de frecuencia variable YYK-60 Un motor de soplador compacto de frecuencia variable que ofrece aproximadamente un ajuste de velocidad continuo del 30 % al 100 % para equipos de ventilación y refrigeración. Se ajusta al punto del artículo de que los diseños de frecuencia variable permiten que un motor cubra una variedad de puntos de operación en lugar de una única velocidad fija. Ver producto →

A dónde va la energía: pérdidas, calor y vida útil

Cada motor desperdicia algo de energía de entrada y saber a dónde va explica la mayoría de las diferencias de calidad entre proveedores. Las pérdidas en el cobre provienen de la resistencia en los devanados y se escalan con el cuadrado de la corriente, por lo que un cable delgado o muy pocas vueltas dañan inmediatamente. Las pérdidas de hierro surgen en el núcleo de acero debido a la magnetización alterna y las corrientes parásitas, razón por la cual el espesor de la laminación y la calidad del acero son importantes. Las pérdidas por fricción y resistencia al viento provienen de los cojinetes y la resistencia del aire. En un motor representativo de un pequeño electrodoméstico con carga nominal, aproximadamente el 75 por ciento de la energía de entrada llega al eje.

El calor es enemigo de la esperanza de vida. El aislamiento del devanado se clasifica según la tolerancia a la temperatura (la Clase B soporta 130 °C y la Clase F 155 °C) y, como regla general, cada 10 °C de sobretemperatura continua reduce aproximadamente a la mitad la vida útil del aislamiento. Los rodamientos son el otro componente limitante: la grasa contaminada o no especificada se manifiesta primero como ruido y luego como gripado. Al auditar a un proveedor potencial, solicite informes de pruebas de aumento de temperatura y confirme qué grado de rodamiento está realmente instalado en lugar de simplemente figurar en la lista.

Elegir la familia de motores adecuada

Una vez que la física está clara, la selección se convierte en un ejercicio de comparación entre la carga, el suministro disponible y las expectativas de vida útil. Las tres familias más relevantes para los compradores de electrodomésticos y equipos de iluminación se comparan de la siguiente manera.

Preguntas frecuentes

¿Por qué un motor gira continuamente en lugar de detenerse en una posición?

Porque la dirección del empuje magnético sigue cambiando. Un conmutador o controlador electrónico vuelve a energizar los devanados en secuencia, y en un motor de inducción el campo del estator gira, por lo que el rotor siempre está persiguiendo un campo que avanza en lugar de alinearse con uno estático.

¿Qué es exactamente el EMF trasero?

Es el voltaje que genera un motor que gira en sus propios devanados, oponiéndose al suministro. Aumenta con la velocidad, limita la corriente de forma natural y, en sistemas sin escobillas, funciona como un sensor de velocidad libre para un control sin sensores.

¿Por qué un motor monofásico zumba pero se niega a arrancar?

El devanado principal por sí solo no puede crear un campo giratorio, por lo que el rotor permanece quieto mientras el campo pulsa. Las causas habituales son:

• un condensador de arranque o funcionamiento fallido
• un rodamiento agarrotado o desgastado
• un circuito abierto en el devanado auxiliar

Probar primero el condensador resuelve la mayoría de los casos.

¿Puedo hacer funcionar un motor de 50 Hz con un suministro de 60 Hz?

Sólo con cuidado. La velocidad aumenta aproximadamente un 20 por ciento con la frecuencia, el par cambia ligeramente y las condiciones de enfriamiento también cambian. A menos que el motor tenga una clasificación explícita de doble frecuencia o se utilice un variador de frecuencia, confirme el cambio con el fabricante antes de enviar el producto a un mercado diferente.

¿Cuánto tiempo debe durar el motor de un electrodoméstico?

Los motores de inducción bien construidos suelen funcionar durante diez años o más en tareas domésticas, y los diseños sin escobillas a menudo duran más que el propio electrodoméstico. Los motores con escobillas son la excepción, cuya vida útil suele oscilar entre 1000 y 5000 horas de funcionamiento.

Un motor, al final, es una idea expresada de muchas maneras: corriente, campo magnético y un método de sincronización que mantiene la fuerza en rotación. Comprender qué familia se adapta a su carga y qué números en la hoja de datos realmente predicen el rendimiento evita la mayoría de los errores de abastecimiento. Como fabricante de motores y bombas para acondicionadores de aire, enfriadores de aire, lavadoras, sopladores y otros equipos domésticos, nuestro equipo de ingeniería ayuda regularmente a los compradores a adaptar los requisitos de torque, ruido y eficiencia a aplicaciones específicas. Si está especificando un motor para un producto nuevo, contáctenos para discutir los detalles.