Santiago y Ramirez y Morg a Do

8/16/2019 Santiago y Ramirez y Morg a Do

1/171

UNIVERSIDAD VERACUZANA

FACULTAD DE INGENIERIA

MECANICA ELECTRICA

“METODOLOGIA DE DISEÑO Y

MANUFACTUA DE SISTEMAS AISLANTES PARA

MAQUINAS ELECTRICAS ROTATIVAS

DE CA HASTA 7000 V.”

T E S I N A

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:

INGENIERO MACANICO ELECTRICISTA

P R E S E N T A N:

POZA RICA, VER. 2002

JOSE LUIS SANTIAGO RAMIREZ

JOSE ALFREDO RAMIREZ CELIS

MORGADO VALLES MARCO VINICIO

DIRECTOR DE TESIS:

ING. CESAR IGNACIO VALENCIA GUTIERREZ


2/171

METODOLOGÍA DE DISEÑO Y MANUFACTURA DESISTEMAS AISLANTES PARA MER DE CA HASTA 7000 V


3/171

I N D I C E

CAPITULO IJustificación ------------------------------------------------------------------------------------------- iiNaturaleza, Sentido, y Alcance del Trabajo -------------------------------------------------- IiiEnunciación -------------------------------------------------------------------------------------------- IvExplicación de la estructura del trabajo ------------------------------------------------------- V

CAPITULO II

Marco contextual -------------------------------------------------------------------------------------- 2Planteamiento del problema ---------------------------------------------------------------------- 4Marco teórico ------------------------------------------------------------------------------------------- 5

1 Construcción de M. E. R. de cd --------------------------------------------------------------- 51.1 Construcción mecánica ----------------------------------------------------------------------- 51.1.1 Carcasa ------------------------------------------------------------------------------- 51.1.2 Polos del campo ------------------------------------------------------------------- 71.1.3 Estructura de la armadura ------------------------------------------------------- 81.1.4 Bobinas del devanado de la armadura ------------------------------------- 81.1.5 Cojinetes de la flecha de la armadura -------------------------------------- 91.1.6 Estructura de los extremos de campana ---------------------------------- 91.1.7 Bobinas de campo ---------------------------------------------------------------- 9

1.2 Devanados ---------------------------------------------------------------------------------------- 91.2.1 Tipos de devanado --------------------------------------------------------------- 10

1.2.1.1 Devanados traslapados ------------------------------------------- 11

1.2.1.2 Devanados ondulados --------------------------------------------- 111.2.1.3 Devanado tipo ancas de rana y conexionesequipotenciales ------------------------------------------------------- 11

1.3 Conmutador --------------------------------------------------------------------------------------- 131.3.1 Campos de conmutación -------------------------------------------------------- 141.3.2 Devanados de compensación ------------------------------------------------- 141.3.3 Escobillas ---------------------------------------------------------------------------- 141.3.4 Porta escobillas -------------------------------------------------------------------- 151.3.5 Espaciamiento de las escobillas --------------------------------------------- 161.3.6 Posición neutra de las escobillas -------------------------------------------- 16

1.4 Reacción y Reactancia de la Armadura ------------------------------------------------- 171.4.1 Reacción de la armadura -------------------------------------------------------- 171.4.2 Reactancia de la armadura------------------------------------------------------- 191.4.3 Efecto de cortocircuito de las escobillas ---------------------------------- 19

1.5 El circuito magnético -------------------------------------------------------------------------- 201.5.1 Análisis simplificado de un circuito magnético ------------------------ 24

1.6 Construcciones especiales ------------------------------------------------------------------ 291.6.1 Motores sin núcleo ---------------------------------------------------------------- 291.6.2 Rotores de disco o de circuito impreso ----------------------------------- 291.6.3 Motores enlatados ---------------------------------------------------------------- 31


4/171

1.6.4 Motores sin escobillas ----------------------------------------------------------- 322 Construcción física de máquinas de corriente alterna ----------------------------- 322.1 Construcción mecánica ----------------------------------------------------------------------- 322.2 Devanados del alternador -------------------------------------------------------------------- 33

2.2.1 Encordado de los devanados ------------------------------------------------ 33

2.2.2 Conexiones de grupos de bobinas ------------------------------------------ 352.2.3 Distribución de los devanados ----------------------------------------------- 36

2.3 Armadura fija o estator ------------------------------------------------------------------------ 372.3.1 Estructura del campo giratorio ----------------------------------------------- 40

2.4 Relaciones de voltaje -------------------------------------------------------------------------- 412.4.1 Fórmula básica de generación de voltaje -------------------------------- 422.4.2 Paso de devanados ---------------------------------------------------------------- 442.4.3 Distribución de los devanados ----------------------------------------------- 45

2.5 Alternador síncrono ---------------------------------------------------------------------------- 473 Sistemas de aislamiento para máquinas eléctricas rotativas (MER) ---------- 503.1 Breve historia de diseño de aislamiento para MER --------------------------------- 503.2 Requerimientos del sistema ----------------------------------------------------------------- 51

3.3 Envolventes y cintas de mica --------------------------------------------------------------- 544 Calificación de sistemas aislantes -------------------------------------------------------- 554.1 Pruebas de bobinas ---------------------------------------------------------------------------- 554.2 Requerimientos de prueba para calificación de sistemas aislantes ----------- 575 Tratamiento del devanado de estator de MER de ca ------------------------------- 615.1 Proceso VPI -------------------------------------------------------------------------------------- 615.2 Ciclo VPI ------------------------------------------------------------------------------------------ 625.3 Consideraciones especiales del proceso VPI ---------------------------------------- 63

5.3.1 Calidad de la resina, estabilidad --------------------------------------------- 635.3.2 Huecos -------------------------------------------------------------------------------- 645.3.3 Impregnación ----------------------------------------------------------------------- 65

5.4 Barnices aislantes ----------------------------------------------------------------------------- 65

6 Diseño de aislamiento de la bobina de estator de ca ------------------------------ 666.1 Diseño de aislamiento a tierra -------------------------------------------------------------- 666.2 Diseño de aislamiento del subconductor y la vuelta ------------------------------- 676.3 Tolerancias de aislamiento ------------------------------------------------------------------ 727 Descripción del diseño de la bobina de estator de ca ------------------------------ 747.1 Descripción de las partes de bobinas --------------------------------------------------- 747.2 Parámetros relacionados con el diseño de la máquina ---------------------------- 757.3 Parámetros relacionados con el diseño de bobina --------------------------------- 798 Manufactura de la bobina de estator ----------------------------------------------------- 898.1 Devanador ----------------------------------------------------------------------------------------- 898.2 Expansión o formado de bobina ----------------------------------------------------------- 928.3 Curado de las partes rectas para unión de subconductores --------------------- 95

8.4 Aislamiento de la terminal ------------------------------------------------------------------- 968.5 Aislamiento a tierra ---------------------------------------------------------------------------- 978.6 Cinta de protección --------------------------------------------------------------------------- 998.7 Impregnación (Bobinas pre-impregnadas) ------------------------------------------- 998.8 Tratamiento de la superficie exterior del aislamiento (Bobinas de alto

voltaje). ------------------------------------------------------------------------------------------- 1008.9 Ejemplo de diseño de la bobina de estator ------------------------------------------- 1019 Aislamiento utilizado durante el devanado del núcleo del estator de ca --- 109


5/171

9.1 Arreglo del devanado del núcleo de estator ----------------------------------------- 1099.2 Bobinas del devanado ----------------------------------------------------------------------- 1099.3 Separadores y acuñamiento --------------------------------------------------------------- 1119.4 Aislamiento de conexiones serie y de conexiones de grupo ------------------ 1129.5 Instalación de las terminales y anillos paralelos ----------------------------------- 114

9.6 Instalación del sistema de soporte de la bobina ------------------------------------ 11510 Tolerancias de aislamiento ----------------------------------------------------------------- 12111 Capacidades, selección y mantenimiento de las M. E. R. ----------------------- 12611.1 Factores que afectan la capacidad de las máquinas ----------------------------- 127

11.1.1 Información de Placa ------------------------------------------------------------ 12811.2 Elevación de temperatura y norma de temperatura ambiente ----------------- 129

11.2.1 Temperaturas límite de los materiales aislantes ------------------------ 13011.2.2 Influencia de la temperatura en la vida de la maquinaria eléctrica 132

11.3 Voltajes Nominales --------------------------------------------------------------------------- 13511.4 Efecto del ciclo de trabajo y la temperatura ambiente sobre el tamaño del

armazón y la capacidad --------------------------------------------------------------------- 13511.4.1 Efecto del ciclo de trabajo sobre la potencia RMS -------------------- 137

11.4.2 Efecto de la temperatura ambiente sobre el tamaño de armazón yla capacidad ------------------------------------------------------------------------- 139

11.4.3 Tipos de envolventes (Carcasas) ------------------------------------------- 13911.5 Velocidad nominal: clasificaciones de velocidad y reversibilidad ----------- 14111.6 Otros factores que afectan a la selección de la dinamo de cd o ca ---------- 14411.7 Características de la carga para la selección de motores de cd -------------- 14411.8 Selección de motores de ca --------------------------------------------------------------- 145

11.8.1 Características de la carga para seleccionar motores de ca ------- 14511.9 El sistema por unidad ------------------------------------------------------------------------ 146

CAPITULO III

Conclusiones ------------------------------------------------------------------------------------------- 149

ANEXOS ------------------------------------------------------------------------------------------------ 150

BIBLIOGRAFÍA ----------------------------------------------------------------------------------------- 161


6/171

CAPITULO I


7/171

Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V

ii

JUSTIFICACIÓN

Debido al gran desarrollo de la Industria en el Mercado y la creciente

demanda de equipos eléctricos de corriente alterna, se han creado unidades de

gran capacidad, lo cual lleva al diseño de mejores elementos de producción en las

máquinas.

La tecnología en la actualidad permite el desarrollo de equipos que operan

bajo estrictas condiciones de trabajo, lo cual requiere elementos humanos con un

nivel de conocimientos teóricos y técnicos de calidad, que operen y mantengan en

condiciones óptimas dichas unidades.

Cualquier error de diseño podría llevar a pérdidas cuantiosas, lo cual

repercute al rendimiento de las máquinas como a la misma empresa.

Visto de otra manera, la selección adecuada de un aislante óptimo para las

Máquinas Eléctricas Rotativas de corriente alterna, nos conduce a obtener un

mejor funcionamiento; es por ello el interés de obtener un diseño que cubra estas

necesidades, analizando posibles causas, consecuencias y buscando los

procedimientos adecuados.


8/171


9/171


iv

ENUNCIACION DEL TEMA

El problema de satisfacer la demanda de Máquinas Eléctricas Rotativas de

Corriente Alterna, ha llevado a la constante búsqueda de diseños que

proporcionen alternativas de selección de éstas de acuerdo a su capacidad y

operación. Por tal motivo se han creado diseños de este tipo de máquinas para

capacidades específicas de funcionamiento, las cuales utilizan elementos de gran

costo; por citar algunos: carcasa, núcleo, devanados (de estator y de rotor).

Es imposible evitar que en los devanados se presenten fallas debido al

calentamiento ocasionado por la disminución del aislamiento por la constanteoperación del equipo. Por lo que se requiere de un mantenimiento periódico para

reducir la incidencia de fallas en estos elementos y a la vez disminuir los costos

que resulten por poner fuera de funcionamiento una unidad.

Para llevar a cabo el diseño de aislamiento de un equipo rotatorio es

imprescindible primero contar con el desarrollo de un sistema aislante propio. Este

desarrollo implica la selección de materiales aislantes (cintas y resina), la

manufactura de bobinas experimentales y pruebas a realizar en estas para

verificar la compatibilidad de los materiales.


10/171


v

EXPLICACION DE LA ESTRUCTURA DEL TRABAJO

El presente trabajo esta constituido por una introducción seguida por tres

capítulos que representan el cuerpo del mismo. De esta forma se puede apreciar

que el contenido de cada capítulo esta detallado de la siguiente manera.

CAPITULO I

Este capítulo está representado por una justificación; naturaleza, sentido y

alcance del trabajo; la enunciación del tema, así como la explicación de la

estructura del trabajo.

CAPITULO II

En este segundo capítulo se presenta el desarrollo del tema, así como su

planteamiento, a la vez que se menciona el contexto en el cual se realiza la

presente investigación documental, el marco teórico que son los diferentes

enfoques o puntos de vista que los autores manejan acerca de la metodología de

diseño y manufactura de sistemas aislantes para maquinas eléctricas rotativas de

ca hasta 7000 Volts, terminando con un análisis critico de los diferentes métodos

investigados.

CAPITULO III

En este tercer y último capítulo se presentan las conclusiones obtenidas,

así como también los anexos, apéndices y la bibliografía consultada.


11/171


1

CAPITULO II


12/171


2

MARCO CONTEXTUAL

Una parte decisiva del diseño de una máquina de ca es el aislamiento de sus

embobinados. Si se retira el aislamiento de un motor o generador, la máquina se

daña inmediatamente. Aunque fuera posible reparar una máquina cuyo aislamiento

está averiado, ello resultaría muy costoso. Para evitar este tipo de daño, por

recalentamiento, es necesario limitar la temperatura de los embobinados. Esto puede

hacerse, en parte, al suministrarles una circulación de aire frío, pero finalmente la

temperatura máxima del embobinado limita la potencia máxima que la máquina

puede suministrar continuamente.

El recalentamiento de los embobinados es un problema muy grave en unmotor o en un generador. En raras ocasiones el aislamiento falla por ruptura

inmediata a determinada temperatura crítica. En cambio, el aumento de temperatura

produce una paulatina degradación del aislamiento, exponiéndolo a que se produzca

una falla por otras causas como: vibración o tensión eléctrica. Esta temperatura de

funcionamiento está relacionada estrechamente con el pronóstico de vida de la

máquina, porque el deterioro del aislamiento es función tanto del tiempo como de la

temperatura. Este deterioro es un fenómeno químico que implica una oxidación lenta

y un endurecimiento frágil que conduce a la pérdida de duración mecánica y de

resistencia dieléctrica. Se puede obtener una idea muy tosca de la relación entre vida

y temperatura con la vieja y obsoleta regla de que el tiempo para que falle el

aislamiento orgánico se reduce a la mitad por cada aumento de 8 a 10 oC. Los

materiales de aislamiento modernos son menos susceptibles a fallar, en teoría

debería de ser así, pero esto no es totalmente cierto, debido a que las alzas de

temperatura todavía acortan su vida drásticamente. Por esta razón una máquina

nunca debe sobrecargarse, a menos que sea absolutamente necesario.

Las pruebas de vida en condiciones aceleradas sobre modelos llamados

motoretas, se emplean normalmente para evaluar los aislamientos. Sin embargo


13/171


3

esas pruebas no se pueden aplicar con facilidad a todos los equipos, sobre todo en

sistemas de aislamiento de las máquinas grandes.

Es por esto que las pruebas de vida del aislamiento tratan en general de

simular las condiciones de servicio. Normalmente comprenden los siguientes

elementos:

1. Calentamiento sostenido a la temperatura de prueba.

2. Vibración y esfuerzo mecánico como el que pueda encontrarse durante el

servicio normal.

3. Exposición a la humedad.

4. Pruebas de dieléctrico para determinar el estado del aislamiento.

Se deben probar las suficientes muestras para permitir la aplicación de

métodos estadísticos para analizar los resultados. Las relaciones vida temperatura

que se obtengan con estas pruebas, conducirán a la clasificación del aislamiento o

del sistema de aislamiento dentro de la clase adecuada de temperatura.

La experiencia y las pruebas que demuestren que el material o sistema es

capaz de funcionar a la temperatura deseada son los criterios de clasificación más

importantes.

Cuando se establece la clase de aislamiento, se pueden calcular los aumentos

observables de temperatura permisibles para las diversas partes de las máquinas

industriales consultando las normas pertinentes. Se hacen diferencias detalladas

razonables con respecto al tipo de máquina, método de medición de temperatura,

parte de la máquina en cuestión, si la máquina es cerrada, y el tipo de enfriamiento

(de aire, con ventilación, enfriamiento por hidrogeno, etc.).


14/171


4

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

La metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para máquinas

eléctricas rotativas de ca hasta 7000 V, tiene como finalidad primordial crear un

documento bibliográfico que nos facilite la selección de ciertos materiales aislantes

para máquinas del tipo y rango mencionado anteriormente, y en el caso de llegarse a

requerir para prevención de fallas en los equipos, brindando mayor vida útil y un

optimo aprovechamiento en beneficio de la industria eléctrica.

El objetivo principal en este caso gira alrededor de los embobinados de las

máquinas eléctricas rotativas y hacia sus medios de protección como lo son los

aislamientos; para lo cual se han realizado pruebas para conocer los limites queproporcionen datos confiables de los cuales se pueda hacer una adecuada selección

del material necesario. También será necesario recordar principios de

funcionamiento de las máquinas de ca y cd así, como cada una de las partes

componentes de cada máquina.

La temperatura tiene un papel importante para los motores o generadores

cuando los embobinados se ven afectados por el recalentamiento, siendo un

problema considerable para el funcionamiento de las máquinas eléctricas, aunque

no solo existe este problema, debido a que existen muchas mas causas que puedan

provocar algún daño al sistema, de lo cual se estará hablando mas adelante.

Por lo anterior se exponen a su vez, los requerimientos para la obtención de

una resina que nos permita encontrar el sistema adecuado de aislamiento, en el

sentido de que al presentarse agrietamientos debido a la expansión o contracción

térmica pueden surgir problemas de operación en las máquinas.


15/171


5

MARCO TEORICO

1. Construcción de M. E. R. de cd

1.1 Construcción Mecánica

1.1.1. Carcasa

La carcasa se requiere como una trayectoria de retorno para todo el flujo

magnético circulante que pasa de los polos del campo a la armadura. Este requisito

de conducción del flujo determina la selección transversal necesaria del material

magnético, que por lo general es un acero al carbón. La construcción más usual

consiste en una estructura de anillo rolado con el empalme final de la soldada por

maquinaria automática, lo que, obviamente, deja una soldadura visible.

Esta estructura sirve a la vez para que las zapatas de los polos de campo se

distribuyan concéntricamente alrededor de la armadura. En la figura 1, puede verse

una carcasa representativa.

Figura 1. Unidad representativa de CD (Cortesía de General Electric Company )

En las unidades muy grandes la carcasa se divide en dos mitades, una

superior y una inferior, con una unión de brida atornillada en forma horizontal por su


16/171


6

parte central. Este tipo de construcción se presenta cuando la armadura es

demasiado grande y pesada para insertar sin un malacate. En la figura 2, se muestra

la construcción de una de estas máquinas. En los modelos más grandes, los polos y

las bobinas de campo también requieren ser manejadas con grúa; de esa manera la

estructura separable sirve a un doble propósito.

Figura 2. Modalidad de carcasa dividida de una máquina de CD. Se ven 6

polos de campo; 6 campos de conmutación y los devanados de

compensación. (Cortesía de General Electric Company )

En las unidades de tamaño pequeño a mediano es posible que la estructurade sus carcasas esté hecha de laminaciones perforadas apiladas. En este tipo de

unidades la carcasa y los polos del campo forman una sola pieza, de modo que se

obtiene un excelente circuito magnético y una estructura muy sólida, aunque los

costos de los dados de perforación son elevados. Los motores de seguridad se

construyen por lo general en esta forma. Véase un ejemplo de carcasa perforada en

la figura 3.

Figura 3. Máquina de cd con

carcasa de láminas perforadas

(Cortesía de Reliace Electric

Company )


17/171


7

1.1.2. Polos del campo

Los polos del campo se hacen por lo general, pero no siempre, de láminas

delgadas de aleaciones de acero altamente magnéticas. La construcción laminada es

necesaria en el extremo interior o zapata del polo. Esto es debido a las pulsaciones

de la magnitud del campo que resulta cuando la estructura magnética del rotor de la

armadura pasa frente a la zapata del polo. Las variaciones del campo producen

corrientes parásitas internas generadas en una estructura magnética. Estas

corrientes son pérdidas que se pueden evitar, en gran medida, con las estructuras

magnéticas laminadas, las cuales permiten que el flujo magnético pase a lo largo de

la longitud de las laminaciones, pero no permiten que las corrientes parásitas circulen

a través de la estructura de una lámina a otra. La pila de láminas se mantiene unidamediante remaches colocados en lugares apropiados. El extremo exterior del polo

laminado es curvo, a fin de que se ajuste lo mejor posible a la forma de la superficie

interior de las carcasas. En la figura 4, se muestra un polo laminado de campo y una

zapata de polo, típicos. Cualquier discontinuidad en una estructura magnética

produce una reluctancia significativa, la cual es más o menos análoga a la

resistencia, de manera que se requieren más ampere-vueltas para obtener un flujo

magnético determinado en la estructura como un todo. Esto implica una mayor

producción de calor, lo cual es una pérdida, de manera que la unión del polo con la

carcasa se asegura con firmeza mediante los pernos de montura de los polos de

campo.

Figura 4. Polo de campo y zapata

polar típicos con la bobina de campo

(Cortesía de GE Company )


18/171


8

1.1.3. Estructura de la armadura

La estructura de la armadura tiene una doble función,.ya que por una parte es

el asiento de los alambres del devanado que pasan a través del campo magnético y,

por otra es una fracción sustancial del circuito de flujo magnético. Dado que cualquier

parte de la estructura magnética de la armadura recibe inversiones cíclicas en la

dirección del flujo magnético, está sujeta a pérdidas más severas por corrientes

parásitas que las zapatas de los polos del campo y se construye, por tanto, en forma

invariablemente laminada.

La construcción usual, desde los modelos más pequeños hasta los gigantes

que suministran potencias del orden de los kilowatts, consiste en una pila de discosde una aleación de acero magnético. Estos discos tienen muescas o perforaciones

en su periferia para acomodar y soportar el devanado de la armadura. El tamaño

requerido del apilamiento se mantiene gracias a unos remaches apropiados,

paralelos al eje. Los remaches mismos constituyen una trayectoria para las

corrientes parásitas y son un camino de corto circuito para los voltajes generados, de

manera que deben estar aislados. Ya sea eso o su función se toman en cuenta

uniendo en forma adhesiva las laminaciones mediante un barniz aislante. Sin

importar cómo estén unidas las laminaciones, los devanados mismos refuerzan la

solidez de la unidad. En los modelos mayores se asegura la unión entre las

laminaciones y al eje, a fin de transmitir pares de fuerzas.

1.1.4. Bobinas del devanado de la armadura

Las bobinas del devanado de la armadura se colocan en las ranuras en

diversas disposiciones o arreglos . Aun cuando la configuración de estas bobinas se

hace desde un punto de vista eléctrico, deben disponerse de manera mecánica de tal

modo que se puedan montar en las ranuras de las láminas. Esta montura debe estar

asegurada mecánicamente contra fuerzas centrífugas y pares; debe estar

apropiadamente aislada y debe permitir el ensamblaje más simple posible. En las


19/171


9

unidades más grandes, se vuelve muy difícil formar, manejar y ensamblar en

posición correcta estas bobinas.

1.1.5. Cojinetes de la flecha de la armadura

Los cojinetes o chumaceras se requieren para que la armadura pueda girar

libremente y al mismo tiempo esté confinada en su posición correcta.

1.1.6. Estructura de los extremos de campana

La localización geométrica de los cojinetes con respecto a la carcasa se

controla mediante los extremos de campana, que son estructuras cubiertas que

cierran la máquina.

1.1.7. Bobinas de campo

La generación del campo magnético se logra usando las bobinas de campo,

que rodean a los polos del campo. Estas bobinas se mantienen en su lugar entre la

zapata del polo y la carcasa. Se emplean varios tipos y combinaciones de bobinas,

los cuales dependen de si hay muchas vueltas de alambre relativamente delgadodiseñado para producir los ampere-vuelta que se requieren con una pequeña

corriente del voltaje de línea, o pocas vueltas de alambre más grueso diseñado para

trabajar con una caída de voltaje pequeña. Al primero de estos tipos se le conoce

como bobina en derivación, mientras que al segundo se le llama bobina en serie, ya

que está conectada en serie con la línea principal de la armadura. Cuando están

presentes los dos tipos de embobinado, se dice que la combinación es un campo

compuesto. El flujo requerido lo pueden proporcionar unos imanes permanentes.

1.2 Devanados

La parte que realmente trabaja en un motor o en un generador, ya sea de cd o

ca, es el devanado de la armadura. Se trata de la parte de la máquina en la que se


20/171


10

generan los voltajes o la fuerza que se convierte en par o acción del motor. Los

devanados de campo sirven para producir el campo magnético que se requiere, y

consumen entre 2 y 10% de la corriente de la máquina, si son devanados en

derivación. De manera análoga, si el campo está devanado en serie, llevará la

corriente total de la armadura pero ocupará sólo un porcentaje pequeño del voltaje

presente en la armadura. Sea como fuere, los devanados de la armadura tienen una

mayor potencia y son la parte más importante de la máquina.

1.2.1. Tipos de devanado

Hay sólo dos configuraciones básicas del devanado: el traslapado y el

ondulado. En algunas máquinas grandes se usa una combinación de estos dos tiposbásicos, y se le llama devanado de ancas de rana por la apariencia de las bobinas

antes de ser instaladas. Cada tipo de devanado tiene más subdivisiones en relación

con el número de conductores que se colocan paralelamente, de modo que un

devanado es simple si tiene un solo conductor, doble si tiene dos conductores

paralelos, triple si hay tres, etc.

Detrás de toda configuración de devanado está el mismo objetivo: llevar una

trayectoria de conductor desde una polaridad de la escobilla, mediante uno de los

segmentos del conmutador, subir a través del campo magnético, seguir por el

extremo posterior de la estructura de la armadura, regresar por el camino opuesto a

través del campo opuesto hasta llegar por último a otro de los segmentos del

conmutador, subir a través del campo magnético, seguir por el extremo posterior de

la estructura de la armadura, regresar por el camino opuesto a través del campo

opuesto hasta llegar por último a otro de los segmentos del conmutador. Este

proceso se repite alrededor de este último y de la pila de laminaciones de la

armadura hasta completar los devanados y dejarlos simétricos y balanceados.


21/171


11

1.2.1.1. Devanados traslapados

Las diferencias entre los tipos de devanado surgen de la forma en la que se

configuran las terminales de las bobinas. Un devanado traslapado puede tener una o

más vueltas en forma aproximadamente trapezoidal, con sus extremos cerca el uno

del otro de manera que puedan conectarse a segmentos del conmutador adyacentes.

Hay pequeñas variaciones en las bobinas traslapadas dobles o de orden superior,

pero sus extremos siempre quedan próximos (véase Figura 5).

1.2.1.2. Devanados ondulados

El devanado ondulado tiene básicamente el mismo aspecto trapezoidal en los

que es el cuerpo de la bobina, y la diferencia está en que sus extremos quedan

separados (véase Figura 6). Las terminales de la bobina se conectan a segmentos

del conmutador que están un segmento menos o uno más que la distancia angular

entre dos polos de campo de polaridad igual. Un devanado ondulado debe rodear la

armadura antes de cerrar su recorrido en el punto donde comenzó.

1.2.1.3. Devanado tipo ancas de rana y conexiones equipotenciales.

Un devanado tipo ancas de rana es una combinación de los devanados

traslapado y ondulado.

Figura 6. Bobina de un devanado de tipo

ondulado.

Figura 5. Bobina de un

devanado de tipo traslapado.


22/171


12

La elección del tipo de devanado no es única, por lo general se utilizan

devanados ondulados ya que son más fáciles de instalar y tienen una conmutación

ligeramente mejor, es decir, durante su operación sus escobillas producen menos

chispas. Sin embargo, parece que el límite práctico de conmutación se alcanza cerca

de los 250 A/trayectoria paralela, o lo que es lo mismo, 500 A en total. Esta corriente

se alcanza, por ejemplo, en las marchas de los automóviles, y se alcanza bajo una

intensa aceleración en el motor de un vehículo eléctrico si llegase a demandar un

voltaje de línea de más de 100 V. Las corrientes mayores requieren un devanado

traslapado, el que permite usar un mayor número de trayectorias paralelas. La

posible situación límite que se halla en el motor de un vehículo moderno sirve para

ilustrar en qué forma se hace la elección del tipo de devanado. Si en un motor de

cuatro polos se requieren 500 A, por ejemplo, en cada trayectoria de un devanadoondulado simple deberán circular 250 A. Esto es así porque hay sólo dos trayectorias

paralelas en cualquier devanado ondulado simple, independientemente de cuántos

polos haya. Un devanado traslapado de cuatro polos tendría 500/4 = 125

A/trayectoria en las mismas condiciones, debido a que tiene el mismo número de

trayectorias paralelas porque la máquina tiene cuatro polos.

Entre las máquinas que necesitan corrientes muy grandes se agudiza un

problema que existe de por sí en todas; el cual consiste en que no se generan

voltajes iguales en cada una de las trayectorias paralelas. Esto da por resultado

grandes corrientes que circulan alrededor de las diversas trayectorias paralelas.

Estas corrientes entran y salen de las conexiones de las escobillas y el conmutador,

causando calentamiento, pérdidas de energía y acortando la vida del conmutador de

las escobillas. Una de las soluciones consiste en emplear conexiones

equipotenciales en un devanado traslapado de corrientes altas. Dichas conexiones

unen partes del devanado que deberían tener exactamente la misma polaridad.

La razón por la cual se generan voltajes de valores diferentes en trayectorias

paralelas que tienen en apariencia la misma geometría, es que los diversos polos del

campo por lo general no tienen el mismo flujo magnético. Esta desigualdad surge por


23/171


13

las pequeñas diferencias entre los entrehierros originados por un centrado imperfecto

de la armadura, o bien por una desigual reluctancia de la trayectoria magnética

debido a un mal ajuste entre el polo del campo y la carcasa. El desgaste de las

chumaceras sólo agrava este problema.

1.3. El conmutador

Los devanados deben terminar en la unidad rotatoria conocida como

conmutador . Ésta se hace casi siempre con segmentos en forma de cuña hechos de

cobre estirado en frío. Los segmentos de cobre, o delgas, están aislados uno de otro

y también de los soportes de sus extremos por medio de tiras de mica. El uso de

cobre en una pieza sometida a desgaste puede parecer inusual, pero hasta ahora nose ha encontrado un mejor material. Los requerimiento de baja resistencia, excelente

conductividad y buena resistencia al desgaste mecánico son conflictivos entre sí.

En la figura 7 se muestra un rotor de armadura típico y un conmutador,

ensamblados a una flecha y ranuras con bobinas.

El análisis de los tipos de devanados ha revelado una característica común de

todos los motores de cd y de los devanados de los generadores: los devanados son

cerrados y continuos alrededor de la armadura, salen hacia un segmento del

conmutador y regresan de inmediato a la estructura magnética. A todos los

segmentos del conmutador se les trata igual en cualquier máquina. Por lo general

hay dos conexiones por barra, una de entrada y otra de salida en dos niveles

diferentes. Esta conexión del devanado al conmutador es la unión eléctrica más

delicada de la máquina, y se debe efectuar con tanta perfección como sea posible.

Figura 7. Rotor de armadura de cd

completo con las bobinas, el

conmutador, el ventilador y los cojinetes.


24/171


25/171


15

Por último, todo el arreglo se forra para hacerlo resistente a los esfuerzos

centrífugos, se ahoga en un material aislante, se balancea y se le añade un

ventilador de enfriamiento. En la figura 9 se muestra una armadura completa en su

posición en un motor en corte.

1.3.4. Portaescobillas

Las escobillas se mantienen en su lugar mediante los portaescobillas,

apoyados en una de las campanas. Se utilizan diversos tipos de portaescobillas,

dependiendo del tamaño, número de escobillas, ventilación y necesidades de acceso

para el mantenimiento. En las máquinas más pequeñas las escobillas se apoyan en

tubos aislados, y en las más grandes se montan sobre manguitos rectangulares o en

mecanismos articulados. En la construcción de los extremos de campana hay una

gran variedad de apertura o de protección, según sean los usos de mantenimiento.

Figura 8. Ensamblado de un conmutador.

(Cortesía de General Electric Company)

Figura 9. Armadura completa en posiciónen un corte del motor


26/171


16

1.3.5 Espaciamiento de las escobillas

Las escobillas se mantienen en contacto con el conmutador cada 180 grados

eléctricos. Estas escobillas tienen las polaridades positiva y negativa en forma

alternada. Hay el mismo número de escobillas o juegos que polos en el campo

principal; por tanto, una máquina de 8 polos tendrá 8 escobillas o juegos de

escobillas igualmente espaciados alrededor del conmutador. En algunos casos,

cuando se usa un devanado ondulado, no se sigue esta regla. Esto es porque la

construcción ondulada es tal que hay una conexión interna en el devanado, en el

negativo se conecta a los restantes puntos negativos. Por esta razón, cuando el

espacio es vital, no se utilizan todas las escobillas; debe advertirse, sin embargo, que

en un devanado traslapado se requieren todas las escobillas.

1.3.6. Posición neutra de las escobillas

Si los voltajes en el conmutador se miden mientras la armadura está girando y

los polos del campo principal se excitan mediante un agente externo, se puede ver

un patrón angular. Si el voltaje se mide de manera progresiva alrededor de un

conmutador comenzando en un punto donde se halle una escobilla negativa, se

encontrará un voltaje gradualmente más positivo. Luego, conforme se atraviesa la

región del conmutador que se conecta a los devanados que se encuentran ya en el

campo magnético y funcionando, se agregarán incrementos sustanciales de voltaje.

Por último, la rapidez del aumento del voltaje se reduce conforme se conectan los

segmentos del conmutador que están conectados a los devanados ubicados en la

salida del extremo lejano de la región del campo en funcionamiento. Por último, se ve

un voltaje pico positivo, y todo movimiento angular posterior alrededor del

conmutador en la misma dirección que antes revelará una reducción gradual del

voltaje. Este patrón de aumento y luego disminución de voltaje continúa alrededor del

conmutador tantas veces como polos tenga la máquina. Los puntos de máximo

voltaje positivo y mínimo voltaje negativo se hallan donde se deben colocar los


27/171


17

centros de las escobillas. A estos puntos se les llama posiciones neutras de las

escobillas.

Cuando las escobillas se colocan en sus puntos neutros, el máximo voltaje

disponible del a máquina se puede conectar y usar. Sin embargo, los problemas

comienzan cuando se extraen corrientes grandes de las escobillas y por lo tanto de

los devanados de la armadura. Estos problemas se deben a la reacción de la

armadura y a la reactancia de la armadura. Aunque los nombres son parecidos, las

dificultades que ocasionan no lo son, por lo que deben recibir tratamientos muy

diferentes.

1.4. Reacción y reactancia de la Armadura

1.4.1. Reacción de la armadura

La forma y disposición del campo magnético que generan los campos

principales se ven distorsionados cuando circulan corrientes en los devanados de la

armadura, ya que éstos también están produciendo una estructura magnética. El

campo magnético producido en la armadura está desfasado 90 grados eléctricos de

los campos principales. Estos dos campos se combinan en forma vectorial dando por

resultado un campo distorsionado. En la figura 10 se muestra el campo magnético

típico no distorsionado de un polo de campo cuando en la armadura circula una

corriente nula, o casi nula. Luego, en la figura 11 se ve el campo producido por la

armadura, que se presenta en un grado aproximadamente proporcional a la

corriente de la armadura. En la figura 12 se muestra el resultado de la combinación

de los dos campos. El campo magnético en uno de los lados del polo de campo se

ve reducido; el campo del polo central es casi e mismo que cuando no hay corriente

en la armadura, mientras que en el otro lado del polo de campo éste se incrementa

en forma sustancial. Por desgracia, los voltajes que generan los devanados van en

proporción directa al campo real que esté presente. Siguiendo estos razonamientos,

se ve que esta reacción de la armadura hace que los puntos de voltaje neutro se


28/171


18

desplacen apreciablemente con respecto a la posición de las escobillas. En

consecuencia, la función de conmutación del conmutador y las escobillas ya no está

libre de producción de chispas, lo que hace que se reduzcan mucho las vidas del

conmutador y las escobillas.

Figura 10 Distribución del flujo

magnético debido sólo a los polos de

cam o.

Figura 11. Distribución del flujo

magnético debido sólo a la excitación de

la armadura.

Figura 12. Distribución combinada delflujo debido a la armadura y el campo.


29/171


19

1.4.2 Reactancia de la armadura

La reactancia de la armadura, cuyo nombre es parecido al anterior pero que

es un fenómeno diferente, es el resultado de la reactancia inductiva del devanado en

particular de la armadura en el que se esté efectuando la conmutación. El proceso de

conmutación de un circuito de armadura rotatoria incluye la inversión de la corriente

en cada bobina conforme pasa por las escobillas. Esto se puede ver si se da uno

cuenta de que el circuito de la bobina a cada lado de una escobilla dada contribuye

con una corriente que fluye hacia las escobillas positivas, alejándose de las

negativas, en un generador. En un motor ocurre lo contrario, pero el problema es

similar. Si en la última bobina que se está acercando a la escobilla hay una corriente

que esté fluyendo hacia el contacto de la escobilla en el segmento del conmutador,esta corriente se invertirá en forma abrupta cuando el segmento pase de la escobilla

y se va alejando de ella. Esta inversión de corriente se efectúa durante el tiempo en

el que ambos extremos de la bobina están en cortocircuito por la escobilla.

1.4.3. Efecto de cortocircuito de las escobillas

A partir del instante en que el segmento que lleva el segundo extremo de la

bobina toca la escobilla, las polaridades de cada extremo deben aproximarse

rápidamente una a la otra, debido a que ambos extremos de la bobina están puestos

en corto por la pequeña, pero no nula, resistencia del cuerpo de la misma escobilla.

La corriente cae rápidamente a cero y con la misma velocidad comienza de nuevo.

Esto ocurre conforme el segmento original que va adelante pasa por la escobilla, y el

voltaje y la corriente inversos suceden en el otro lado. Este proceso no puede ser

instantáneo porque la bobina de la armadura tiene una inductancia considerable. Es

fácil darse cuenta de que una bobina tiene una inductancia real cuando se devana

alrededor de un núcleo magnético. Esta inductancia tiene relación con el número de

vueltas de la bobina y, mutuamente, con las demás bobinas del devanado de la

armadura, en particular con las que ocupan las mismas ranuras de la armadura que

ella. Este problema delicado se agrava cuando hay velocidades de rotación altas, ya


30/171


20

que queda menos tiempo para afectar la inversión. La reactancia inductiva de la

bobina está relacionada entonces con la velocidad de rotación, o tiempo de

conmutación, y el número de vueltas en la bobina.

Las escobillas de uso práctico ocupan más de un segmento del conmutador,

por lo común de dos y medio a tres y medio segmentos.

Haciendo compromisos razonables en el momento de diseñar las partes, es

posible lograr una buena conmutación. Esto comienza con bobinas que tengan

autoinductancias e inductancias mutuas tan pequeñas como sea posible. Luego, la

anchura del traslape de las escobillas y su resistencia interna se modifican en forma

experimental para que la bobina pueda descargar su energía almacenada durante elciclo de conmutación. En el caso ideal habrá un cambio uniforme en la corriente de la

bobina conforme ésta se barre por la escobilla. Se supone que cuando la bobina deja

la influencia de la escobilla, la corriente se invierte en su totalidad.

Este proceso de la inversión de la corriente se favorece si la magnitud del

campo de conmutación se ajusta de tal modo que la bobina en corto genere apenas

el voltaje suficiente para facilitar la inversión de la corriente.

Todo esto implica que hay una considerable disipación de energía tanto en la

superficie de contacto de las escobillas como en su interior.

1.5. El circuito magnético

Es necesario recordar que la densidad de flujo que cuenta es la que hay en el

entrehierro, entre las caras de los polos de campo y las bobinas de la armadura

directamente adyacentes. Éste es el flujo que cortan las bobinas del devanado de la

armadura en movimiento. El flujo restante que hay alrededor de la máquina es

necesario para cerrar el circuito magnético. El propósito del diseño es el de conseguir


31/171


21

un flujo de entrehierro razonablemente alto sin que haya grandes pérdidas debidas a

la parte forzadora del circuito en saturación.

Algunos estudios han demostrado que la mayor parte de la reluctancia del

circuito magnético se halla en el entrehierro. Por tanto, se requieren casi tres cuartas

partes del total de los ampere-vueltas de la fuerza de magnetización para superar la

reluctancia del entrehierro y hacer que circule un flujo razonablemente grande.

La fuerza de magnetización necesaria para alcanzar una intensidad de campo

dada en un elemento de forma geométrica conocida del circuito magnético se debe

calcular en pasos separados para cada uno de los distintos elementos geométricos

del circuito.

Como el producto final deseado es la intensidad del campo en el entrehierro,

ese valor del flujo será por lo general el punto de partida en los cálculos.

La intensidad del campo magnético en el aire o en la mayor parte de los

materiales no ferrosos es directamente proporcional a la fuerza de magnetización. En

consecuencia, cuanto mayor sea la fuerza de magnetización tanto mayor será el flujo

del campo. Esta relación lineal tan sencilla no es válida en los materiales ferrosos,

aunque con ellos pueden alcanzarse intensidades de campo mucho más altas para

una fuerza de magnetización dada.

Conviene en este punto recordar el uso de las siguientes unidades:

La fuerza de magnetización es proporcional en ampere-vueltas por unidad de

longitud y se le representa por H. De este modo:


32/171


22

Otro nombre de la fuerza de magnetización es el de intensidad de campo

magnético. La densidad de flujo magnético es una medida del flujo en líneas o en

webers por unidad de área y se le denota por B (o ).

B inglesasunidadesenin

líneasenestá

2

SIdelunidadesenmetro

weber en

2está

Gauss cm

maxwellen

2está

La relación entre H y B en los materiales no ferrosos o en el vacío o, desde un

punto de vista práctico, en el aire, se definió originalmente en las unidades del

sistema métrico cgs; en el SI son

vueltaamperemetro

weber x104 7-OSI

H

En consecuencia,

79577.0 metro

vuelta-ampere 0.79577x106 H Ec. (1-5a SI)

La constante OSI (léase mi subíndice cero) recibe el nombre de

permeabilidad del espacio libre; su conversión al sistema inglés es la siguiente:

inglesasunidadesen pulgada

vueltas-ampereenestá H

SI delunidadesen

metro

vueltas-ampereenestá H


33/171


23

in39.37

metro

weber

línea 10

vueltaamperemetro

weber x104

87-

E O

Es decir,

vueltaampere pulgada

línea 3.1919

39.37

40 E O

Por tanto, en unidades del sistema inglés,

pulgada

vueltaampere 30 313.0 B H

En cualquiera de estas unidades, las cantidades OSI o OE son una constante

del aire en el entrehierro. Esto no es válido en el caso de las partes magnéticas del

circuito, donde se convierte en r , es decir, la permeabilidad relativa al aire, y no

es una constante.

Esta variabilidad del factor r , se muestra casi siempre en las curvas BH de los

materiales específicos que se utilizan normalmente en los circuitos magnéticos. Los

valores de r , pueden variar desde 100 hasta 1000, pero no es una constante. Estos

valores tan altos de la permeabilidad implican que se requiere una cantidad mucho

menor de ampere-vueltas de fuerza de magnetización para mantener una fuerza útil

en los materiales magnéticos, a pesar de que estos últimos constituyen la parte más

larga del circuito.

En las figuras 13 y 14 se muestran curvas BH típicas.

Ec. (1-5bI)


34/171


24

Figura 13. Curvas de figura magnetización en unidades inglesas.

Figura 14. Curvas de magnetización en unidades del SI.

1.5.1. Análisis simplificado de un circuito magnético

Para el estudio de las relaciones en un circuito magnético típico en forma

simplificada convienen ver primero las relaciones dimensionales de una máquina

particular de cuatro polos, como la que se muestra en la figura 15. Adviértase que las

dimensiones se dan tanto en el sistema inglés como en el SI.


35/171


25

Si se supone que el flujo total por polo, al calcularse mediante la ecuación

(2-6), es de 1 650 000 líneas (0.0165 Wb), la densidad de flujo es /A = B(o ),

donde A = 5.5x6 es el área efectiva de una de las zapatas del polo. En tal caso.

(in)in

línea 00050

65.5

0006501

x

O bien:

m(m)

Wb 0.775

1524.01397.0

0165.0

x

Se utilizaron metros en vez de milímetros a fin de obtener metros cuadrados.

Obsérvese que el área efectiva por polo es igual a la longitud de arco neta efectiva

de la zapata de polo multiplicada por la longitud efectiva axial de la pila de

laminaciones magnéticas de la armadura y el campo.

El problema es más fácil de resolver si se descompone de acuerdo con los

elementos del circuito magnético. De esa manera, cada parte se puede considerar

según lo requieren el material específico del que está hecha y su geometría.

Un ligero análisis del diagrama de circuito magnético que se muestra en la

figura 15 nos indica que cada polo es similar. Además, como se muestran las líneas

centrales, el circuito magnético divide cada polo en dos partes iguales. Por tanto, un

circuito magnético individual incluye las mitades, una frente a la otra, de dos polos

adyacentes y las partes de la carcasa exterior que las conectan, así como la pila de

laminaciones de la armadura.


36/171


26

Figura 15. Dimensiones de la estructura magnética.

Usando este tipo de división, cada trayectoria del circuito magnético es

afectada por dos bobinas de campo diferentes. Al mismo tiempo, cada bobina actúasobre dos circuitos diferentes, y puede considerarse que cada circuito es afectado

por la totalidad de los ampere-vueltas de cada bobina. Los ampere-vueltas no se

dividen porque no se consumen. Esto puede comprobarse mediante la segunda ley

de Kirchhoff. Por tanto, al calcular los ampere-vueltas que requiere cada uno de los

circuitos magnéticos, dicha cantidad se puede dividir entre dos y cada bobina de


37/171


27

campo puede entonces configurarse de modo que suministre la mitad de los ampere-

vueltas necesarios.

A partir de un estudio de las dimensiones físicas que aparecen en la figura 15,

pueden determinarse los diversos elementos del circuito magnético. El procedimiento

se simplifica si se considera como un solo elemento cada uno de las partes del

circuito magnético que tienen una sección transversal, longitud y material

específicos.

Luego, se calcula el número de ampere-vueltas necesarias para magnetizar

cada uno de los elementos del circuito. A continuación se suman los ampere-vueltas

individuales para hallar el total requerido en el circuito completo.

Dependiendo del grado de detalle y precisión de los cálculos, pueden añadirse

algunos factores de tolerancia de modo que se alcance o incluso se rebase el nivel

de flujo calculado.

En la tabla 1 (véase anexo), se da un resumen de los requerimientos en

ampere-vueltas de la máquina que se muestra en la figura 15; para hacer los

cálculos se han hecho suposiciones para simplificar, en vez de tomar los valores

verdaderos de las longitudes de las trayectorias y de las secciones transversales de

cada uno de los elementos. Como todo el flujo magnético de la carcasa exterior y de

los polos de campo no fluye en el entrehierro realmente como se desea, debido a las

fugas que hay entre las puntas de los polos del campo, debe considerarse 15% más

de flujo en la parte externa del circuito. Se supone que el entrehierro mismo es de

20% mayor que su dimensión mínima verdadera, con el objeto de dar una tolerancia

a la forma de cara interior de la zapata del polo y a la pequeña área del material

magnético que hay en los dientes de armadura. La sección transversal de la

trayectoria magnética en las laminaciones de la armadura se examina en diferentes

partes, y el valor de la menor área encontrada es el que se toma como la dimensión

que manda.


38/171


28

Al trabajar con una tabulación como la tabla 1, las longitudes de las

trayectorias individuales y las áreas de las secciones transversales se tabulan

conforme se calculan. Adviértase que se muestran los resultados tanto en el sistema

inglés como en el SI. La tabla se utiliza así:

(1) La primera columna sirve para identificar cada elemento.

(2) La columna 2 es el flujo total requerido (o ).

(3) La columna 3 es el área de cada uno de los elementos de la trayectoria.

(4) La columna 4 es la densidad de flujo calculada a partir de B = /A o bien

= / .

(5) La columna 5 indica el material específico empleado para esa parte.

(6) La columna 6 representa la fuerza de magnetización H requerida en ampere-

vueltas por pulgada lineal (o por metro lineal) de longitud de trayectoria del

material específico a esa densidad de flujo en particular. Estas cantidades se

obtienen de las curvas BH del material en cuestión. En el caso de los

entrehierros, H se calcula mediante las ecuaciones (1-6I) o (1-6SI).

(7) La columna 7 representa la longitud de las trayectorias determinadas en forma

individual.

(8) La columna 8 es simplemente la columna 6 multiplicada por la 7.(9) En cada uno de los sistemas de unidades se hace la suma de los

requerimientos de ampere-vuelta individuales.

La cantidad final de los ampere-vueltas por polo da los requerimientos de

diseño para una bobina de campo específica. Por supuesto que el requerimiento

básico de flujo que se tomó como 1 650 000 líneas (0.0165 Wb), tiene que

determinarse en este caso para el máximo requerido.

Poniendo atención a este proceso se podrá hacer un cálculo a groso modo del

requerimiento de ampere-vueltas por trayectoria magnética para cualquier motor o

generador de cd. La división del resultado final entre 2 no tiene que se siempre así,

ya que las marchas de los automóviles baratos, por ejemplo, sólo se devanan sobre


39/171


29

un solo polo. Por tanto, en ese caso específico, hay una sola bobina por circuito

magnético.

1.6 Construcciones especiales

1.6.1 Motores sin núcleo

Hace poco ha surgido una nueva clase de motor de tamaño pequeño. El motor

sin núcleo no tiene núcleo magnético en la armadura rotatoria. Hay dos formas de

construcción fundamentalmente distintas, dependiendo de la forma física elegida.

Las ventajas que se obtienen son:

Una inercia reducida del rotor de la armadura, lo que permite una aceleración

en extremo grande, y en consecuencia una constante de tiempo de respuesta muy

pequeña en el mecanismo de control y muy poco o casi nada de bailoteo, es decir, la

tendencia del motor a moverse en pequeños jaloneos angulares conforme el par

apenas sobrepasa el campo de las fuerzas magnéticas de atracción de la armadura.

Los dos tipos principales se describirán a continuación por separado.

1.6.2 Rotores de disco o de circuito impreso

Si toda la armadura se hace con la forma de un disco plano, con el espesor

apenas suficiente para darle cierta resistencia estructural y para permitir conectarle

los conductores del circuito de la armadura en ambas caras, entonces la forma

natural de construcción lleva al uso de un circuito impreso. En ese caso la base

estructural es el material laminado no conductor y no magnético. La separación entre

los conductores de la armadura se graba en las caras originales cubiertas de cobre

del material básico laminado o de la placa. En los modelos más pequeños incluso

los segmentos del conmutador se pueden hacer a partir del circuito impreso. Las

variantes incluyen conmutadores separados que se fijan al circuito del rotor y

separan devanados perforados o formados que se sujetan en forma adhesiva al


40/171


30

tablero básico, en los modelos medianos. El resultado es que la armadura queda

delgada a los largo de la dimensión axial y por tanto no requiere de un núcleo

magnético de acero al silicio para mantener el entrehierro entre los polos del campo

en un tamaño razonable. Los polos del campo se disponen paralelos al eje de la

armadura, en vez de hacerlo en forma radial. Esto crea líneas de flujo paralelas al eje

a través del área del conductor de la armadura en la región en la que los

conductores son esencialmente radiales. En la figura 16 se muestra la construcción

de un motor de disco.

Conforme el tamaño de los motores aumenta, los problemas usuales del

desarrollo de cualquier construcción intrínsecamente nueva se hacen aparentes. El

calentamiento en el devanado de la armadura, causado por una pérdida normal del

tipo I2R, tiene una tendencia a deformar el disco y a aflojar las uniones de los

devanados. Esta dificultad se supera mediante una selección cuidadosa de los

materiales, por una parte, y por otra mediante una igualmente cuidadosa proporción

del tamaño y el espacio del entrehierro del campo. Estos motores se pueden fabricar

en cierto rango de tamaños y con cualquier construcción normal de polos de campo

de devanado en serie, en derivación o compuestos. No obstante, en la actualidad se

usan campos de imán permanentes.

Una de las limitaciones es que es difícil hacer más de una vuelta de devanado

por bobina. El resultado es que este tipo de motores está limitado a voltajes

pequeños. Sin embargo, la mayoría de los servocontroles usan tanto motores como

voltajes pequeños.

Figura 16. Motor de rotor de disco. (Cortesía

de PMI Motors División, Kellmorgen Corp.)


41/171


31

1.6.3 Motores enlatados

Su nombre se debe al aspecto de estos pequeños cilindros. Los motores

cilíndricos ya existían, como en las marchas de los automóviles, pero los motores

muy pequeños se fabricaban por lo común con una carcasa abierta y una

protuberancia en un extremo para su magneto de campo. Así, los motores pequeños

con un envase cilíndrico se denominaron como motores enlatados. La forma se debe

a que el envase exterior es una sencilla trayectoria de retorno de acero magnético

del circuito del campo. El campo consiste por lo general en una pieza bipolar de

Alnico o de material magnético cerámico y se coloca de manera concéntrica dentro

de la lata.

Éstos motores también tienen una inercia muy pequeña y no tienden a

bailotear a velocidades y potencias bajas. Los usos que se les da en la actualidad

son los de servocontroles en instrumentación y, por miles, en los modelos a escala.

Su desempeño es excepcionalmente bueno para el tamaño que tienen, ya que la

tendencia al bailoteo de los motores convencionales pequeños con sólo tres ranuras

en la armadura era y es muy severa. Esto podría haberse minimizado introduciendo

más ranuras en la armadura y segmentos del conmutador. Sin embargo, en los

modelos pequeños los alambres del devanado de la armadura son tan delgados

como cabellos, y hacer más bobinas de tamaño aún menor sería impráctico.

A pesar de sus ventajas, el tamaño de los motores enlatados parece tener en

el presente un límite debido a la dificultad de sostener en forma adecuada los

devanados de la armadura contra los pares y los esfuerzos centrífugos.

En la actualidad, la fabricación de este tipo de motores tiene un nicho

específico, aunque limitado. Su enorme desempeño hará que tal nicho se expanda,

ya que está limitado sólo por factores de costos competitivos y por los métodos

prácticos de fabricación. El intervalo actual de tamaño va desde poco más de una

pulgada de diámetro (25-30 mm) hacia abajo.


42/171


32

1.6.4 Motores sin Escobillas

Todos los motores y generadores considerados hasta ahora tienen una

armadura construida como un elemento rotatorio o rotor. Esto ha sido conveniente

porque todas las máquinas consideradas requieren de un mecanismo de

conmutación giratorio para seleccionar la polaridad de las conexiones de la bobina

de la armadura. Quienes diseñan motores y generadores han soñado desde hace

tiempo con eliminar el conmutador y las escobillas que, hasta hace muy pocos años,

eran el único medio práctico de efectuar el proceso requerido de conmutación.

Sólo hasta hace poco han hecho su aparición diversos medios prácticos para

conmutar las polaridades de la bobina sin el uso de escobillas y conmutadores.

La mayoría de estos nuevos modelos aprovecha el hecho de que no es

necesario un mecanismo rotatorio de conmutación en el motor si el devanado de la

armadura se coloca en una posición estacionaria en el estator. El campo es por lo

general un imán permanente, el cual se monta sobre el eje y hace las veces del rotor.

Esta construcción invertida se parece mucho a las armaduras básicas de ca.

2 Construcción física de Máquinas de Corriente Alterna

2.1 Construcción mecánica

A excepción de los tipos especializados, como el motor universal de ca-cd, el

cual se parece mucho a un motor de cd en serie, casi todos los motores y los

generadores de ca se construyen aprovechando la relación natural de tener la

armadura fija y en torno al campo, con el campo en movimiento y dentro de laarmadura.


43/171


33

2.2 Devanados del alternador

Los tipos de devanados que se usan en maquinaria de ca están

estrechamente relacionados con los devanados para cd. Se utilizan devanados tanto

traslapados como ondulados, pero el traslapado es mucho más común porque las

conexiones de bobina son más cortas.

Puesto que las máquinas trifásicas requieren tres grupos idénticos de

devanados separados por 120 grados eléctricos, y como los polos deben existir por

pares, hay ciertas reglas que afectan a los devanados y al espaciamiento de las

ranuras de la estructura magnética.

Los grados eléctricos se refieren al ángulo cíclico de la onda senoidal

repetitiva, donde un ciclo completo equivale a 360 grados eléctricos. Puesto que los

polos magnéticos opuestos producen voltajes opuestos en una situación de bobina

en movimiento a polo, la diferencia máxima de voltaje a lo largo de una onda

senoidal se encuentra separada por 180 grados eléctricos, el cual tiene lugar entre

cada polo sucesivo de campo. Los grados eléctricos totales en una rotación de 360

grados mecánicos son pues simplemente 180 veces el número de polos, o:

Ecuación 2-1

Donde P es él numero de polos.

2.2.1 Encordado de los devanados

Un factor de diseño es el encordado de los devanados de los polos, si en la

máquina de 36 ranuras y cuatro polos, una bobina individual entra en la ranura 1 y

retorna en la ranura 10, se habrán abarcado 90 grados mecánicos de la estructura

circular del estator. Puesto que por definición hay cuatro polos en este caso, 90

grados mecánicos son 180 grados eléctricos con base en la ecuación anterior. Así,

Grados eléctricos totales en una revolución = 180 P


44/171


34

los lados de la bobina están en la misma posición relativa sobre las posiciones

adyacentes de los polos norte y sur. Esta es una construcción de las bobinas de

paso completo (véase en la Figura 17 una representación de esta condición).

La bobina de máquina de ca más común cubre menos de la periferia de la

máquina y se dice por lo tanto que es de paso fraccionario, en una situación típica

una bobina puede entrar en la ranura 1 y salir por la ranura 7, esto cubre seis de

nueve posibles pasos de ranura, y tiene por tanto un paso de 6/9 o 66.7%. La

mayoría de las bobinas de máquinas de ca es del tipo de paso fraccionario, el cual

presenta algunas ventajas importantes.

(1) Los extremos de las bobinas son más cortos, lo cual significa menos pérdidas

en el cobre gracias a una longitud total menor.

(2) A las bobinas de los extremos se les puede dar una forma más compacta, las

campanas de los extremos necesitan menos espacio de devanado, lo que da

por resultado una unidad más corta.

Aquí también, en la situación con 36 ranuras, y con bobinas de paso ya sea

completo o fraccionario, las 36 bobinas son todas iguales.

Figura 17. Estator de ca de cuatropolos con bobinas de pasocompleto


45/171


35

Figura 18. Bobinas de doble capa en un estator de ca.

2.2.2 Conexiones de grupos de bobinas

La figura 18, muestra como se depositan las bobinas dentro de las ranuras. La

inmensa mayoría de las máquinas con devanados traslapados u ondulado emplea

esta disposición de devanado en capas dobles. Esto es muy parecido a la forma de

devanar una armadura de cd la interconexión de las bobinas da por resultado, como

en la situación de las 36 bobinas, 12 grupos de tres bobinas por grupo. Cada grupo

se asocia luego con una fase y un polo. Como hay cuatro polos en esta situación

sencilla pero real. Hay cuatro grupos de bobinas en cada fase. Esta es la situaciónordinaria, incluso cuando se usan más ranuras y bobinas.

Una máquina de 72 ranuras y seis polos devanada para tres fases tendría

72/6 = 12 ranuras por polo y 12/3 = 4 ranuras por fase y por polo. En este caso las

bobinas se conectarían en grupos de cuatro y habría seis de estos grupos de cuatro

bobinas por fase.

Son posibles muchas variedades de conexiones de grupos de bobinas, pero

en la actualidad sólo se usan relativamente pocas de ellas. En una máquina trifásica

los grupos de bobinas por fase se reúnen para todos los polos, y este agrupamiento

mayor se divide por lo común en dos partes, en la máquina de 36 ranuras, dos

grupos de tres bobinas están conectados en forma permanente. Así pues, hay dos


46/171


36

de estas conexiones de seis bobinas por fase. Si están conectadas en serie, el motor

o generador esta ajustado para trabajar con el más alto de sus voltajes nominales en

esta forma, un motor o generador puede trabajar con 110 o 220 V, o tal vez con 220

o 440 V, y así sucesivamente. Se obtiene de manera inherente una gran flexibilidad

de instalación.

Cuando estos grupos de bobinas se asocian entre si, el sentido de devanado o

de conexión sobre polos opuestos (norte o sur) debe ser opuesto. Así, cada conexión

en serie adyacente por fase y por grupo polar se debe invertir para que la polaridad

sea correcta (véase en la figura 19 una interconexión típica de bobinas).

Una maquina trifásica, cuando se reúnen grupos de bobinas de fase, seconecta luego en estrella o en delta, y también en serie o en paralelo, como se

muestra para las conexiones de estrella en la figura 19. Los extremos de grupo de

bobinas de estator de motor trifásico se numeran normalmente del 1 al 9, según se

muestra, y por lo común los puntos 10,11 y 12 se “sepultan”, a menos que se les

necesite de manera especial.

2.2.3 Distribución de los devanados

Se necesita una última definición antes de intentar el cálculo específico de

voltajes nominales de máquina. Puesto que las bobinas se depositan, por lo común

como se muestra en la figura 18, se observa que están espaciadas de manera

uniforme en torno a la periferia del estator de la máquina. Volviendo a la situación de

36 bobinas y cuatro polos, se puede ver que en este caso específico cualquiera de

los polos tiene dos grupos de fase de tres bobinas conectadas en serie por polo. Los

voltajes que se generan en las bobinas de un grupo monofásico de tres bobinas no

se suman simplemente. Puesto que cada bobina no es barrida o cortada por la

misma intensidad de flujo magnético al mismo tiempo, no se encuentra en la misma

relación de tiempo y fase a pesar de que son parte del mismo devanado de fase.

Todos estos factores, que constituyen un devanado multifásico, de dos niveles,


47/171


37

encordado o distribuido en pasos completos, son aplicables a diversos generadores y

motores de ca, tanto grandes como pequeños.

2.3 Armadura fija o estator

Esta armadura fija y externa tiene un anillo completo con dientes y ranuras en

su cara interna. En una máquina ordinaria, todas las ranuras están llenas con

bobinas similares y simétricas. Por consiguiente, puede no ser tan evidente cuántos

polos o fases se presentan en el devanado. En el rotor de campo, la construcción

puede ser muy parecida a la de una armadura de cd con una estructura magnética

circular completa que tiene un grupo continuo de ranuras y dientes sobre la superficie

externa. También en este caso las ranuras están llenas con bobinas similares ysimétricas, y no se aprecia con facilidad cuántos polos o fases tiene la máquina. Con

una construcción de campo de polos salientes, el número de polos es visible, como

en una máquina de cd.

Si los lados de las ranuras de devanado son paralelas entre sí en una ranura

individual, lo cual constituye un tipo de construcción frecuente, se puede ver en la

figura 20 que la estructura dentada de estator se vuelve más fuerte conforme se hace

más profunda. Sin embargo, la misma figura muestra que la ranura del rotor se

vuelve más débil al hacerse más profundo. Esta ventaja en la estructura dentada

para el estator se utiliza en el estator de ca.


48/171


38

Figura 19. Conexiones típicas de grupos de bobinas y polos.

A estas alturas ya puede uno preguntarse si es necesario usar ranuras con

lados paralelos. No son necesarias en los tamaños pequeños, sin embargo en los

grandes, donde las bobinas se hacen con alambre de sección transversal grande y el

aislamiento se debe distribuir con el mayor cuidado, se requiere la ranura de lados

paralelos, puesto que las bobinas grandes se ejecutan, se unen con aislamiento, se

impregnan con barniz y se hornean, no pueden cambiar con facilidad de forma

durante la instalación en el núcleo magnético.


49/171


39

Las máquinas más pequeñas de ca. se devanan con bobinas sueltas de

alambre redondo las cuales se pueden deslizar dentro de las ranuras vuelta a vuelta

durante el devanado o la instalación. De esta manera se puede emplear casi

cualquier forma de ranura. El uso pleno de la sección transversal de la ranura parece

requerir ranuras laterales paralelas en los tamaños grandes. En todas las ranuras de

la forma que sean, se debe proveer algún medio para aprisionar y sujetar los

devanados en su lugar. Como consecuencia, se prevé algún recurso en la ranura

para cuña de recubrimiento, incluso si tiene lados paralelos.

Figura 20. Estructura típica de ranuras de laminados magnéticos en una dínamo de ca.

En el estator de una máquina de ca la corriente varía en forma continua con la

rapidez de repetición de frecuencia. El flujo magnético resultante varía entonces en la

forma cíclica, y hay histéresis y pérdidas por corrientes parásitas en la estructura

magnética. La estructura esta hecha de placas delgadas de aleación de acero alcilicio que troquelan con facilidad para dar forma en matrices de presión construidas

para esa tarea. Los laminados troquelados de estator cubren ordinariamente él

circulo completo en las máquinas de tamaño pequeño y mediano. Existen familias

patentadas de tamaño progresivamente mayores que cada fabricante ajusta a una

norma. Puesto que las matrices de troquelado son costosas, se suministran sólo


50/171


40

unos pocos números distintos de ranuras y dientes para un tamaño básico. Como se

podrá ver, estos números de ranuras determinan el número de bobinas que se

puedan alojar.

Las máquinas de tamaño mayor se construyen con laminados en segmentos

de tamaños razonables. El tamaño depende del ancho del material y los tamaños de

matriz de presión disponibles.

El espesor del material para laminado se determina mediante consideraciones

de pérdidas por corrientes parásitas y de manejo del material. El laminado delgado

tiene menos perdidas por corrientes parásitas, pero su manejo se dificulta y los

dientes se doblan con demasiada facilidad. Un espesor de material de alrededor de0.014 in (0.35mm) se emplea desde hace mucho tiempo para máquinas de ca de 60

Hz. El tamaño de material para laminado bajo los tamaños de material acordados en

el SI permanecerá tal vez sin cambio, puesto que 0.35 mm es el espesor tentativo

que ocupa el segundo lugar en preferencia. De no ser así, tal vez se usara un

espesor de 0.3 o 0.4 mm, ya que serán válidas las mismas consideraciones

económicas y de frecuencia independiente de las unidades de medición empleadas.

Los números de ranuras están normalizados en torno a 36, 48, 60 y 72, y así

sucesivamente, por algunas razones mecánicas de los devanados.

2.3.1 Estructura del campo giratorio

La constricción mecánica del resto de un motor o generador de ca. Se

diferencia excepto por la falta de un conmutador. Con alternadores y motores

síncronos, se usan anillos colectores que sirven para llevar ca. Hacia adentro y

afuera del campo giratorio, ubicados en una posición similar a la de un conmutador.

Un anillo colector es una aleación de cobre que esta aislado del eje del rotor y

conectado a los devanados del rotor. Una escobilla de carbón sostiene a un aparejo


51/171


41

porta escobillas que completa la conexión. Puesto que no se requiere una resistencia

interna particular para facilitar la conmutación, la escobilla de anillo colector es más

dura y densa que una de conmutador. Tiene una caída de voltaje menor y por lo

tanto es responsable de menos pérdida de potencia que su contraparte de cd.

Cuando los devanados del rotor llevan ca. Trifásica se utilizan tres anillos

colectores, en ciertos casos de motores síncronos más grandes, se utilizan múltiples

devanados y pueden estar presentes cinco anillos o más.

Los devanados de armadura de alta energía se colocan sobre la estructura del

estator, que tiene un espacio relativamente mayor para devanados. Por lo común,

una máquina de ca. Puede ser más pequeña en conjunto que su contraparte de cd.Con la misma potencia nominal. La falta de un conmutador también contribuye a

reducir el tamaño más adelante se podrá ver que los tamaños de maquinas de ca.

También están normalizados de acuerdo con los tamaños de carcasa de NEMA y a

tamaños tentativos de carcasa en el SI. Sin embargo la máquina de ca. Alcanza en

promedio alrededor de 50% más de potencia dentro del mismo tamaño de carcasa.

2.4 Relaciones de voltaje

En los cálculos para determinar los amperes – vueltas por polo de campo se

usan los mismos procedimientos que se describen anteriormente. Este procedimiento

es válido excepto si es distinta la disposición estructural. En una máquina de ca se

seguirá la misma división del circuito a través del centro de los polos. Sin embargo, la

geometría real de los polos no es tan obvia a menos que se use una construcción de

rotor de campo con polos salientes. Saliente significa aquí individual y por separado

en el sentido de los polos de campo en una máquina de cd. Con polos salientes, seconsideraría una división arbitraria de 360/número polos. En este caso los polos

están unidos al núcleo del rotor y el entrehierro está en el extremo exterior de los

polos en vez del extremo interior. La carcasa exterior principal está dentada en su

cara interior para alojar los devanados del estator o armadura. Un rotor de campo

con polos no salientes o cilíndricos tiene una estructura dentada similar a la de


52/171


53/171


43

Y para el sistema internacional:

También en este caso las unidades son las mismas, empleando s o ω para la

velocidad de rotación. Obsérvese que se usa s en rps.

Por conveniencia cuando se trabaja con un generador y debido a que la

frecuencia resultante del voltaje de ca es un parámetro básico y critico, podemossustituir s en revoluciones por segundo por ƒ en hertz sobre la base de uno a uno.

Esto es cierto para una maquina de dos polos, puesto que una revolución produce un

Documents

Santiago y Ramirez y Morg a Do