tesis aislantes

UNIVERSIDAD VERACUZANA

FACULTAD DE INGENIERIA

MECANICA ELECTRICA

METODOLOGIA DE DISEO 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

METODOLOGA DE DISEO Y MANUFACTURA DE SISTEMAS AISLANTES PARA MER DE CA HASTA 7000 V

I N D I C E

CAPITULO I Justificacin ------------------------------------------------------------------------------------------- ii Naturaleza, Sentido, y Alcance del Trabajo -------------------------------------------------- Iii Enunciacin -------------------------------------------------------------------------------------------- Iv Explicacin de la estructura del trabajo ------------------------------------------------------- V CAPITULO II Marco contextual -------------------------------------------------------------------------------------- 2 Planteamiento del problema ---------------------------------------------------------------------- 4 Marco terico ------------------------------------------------------------------------------------------- 5 1 Construccin de M. E. R. de cd --------------------------------------------------------------- 5 1.1 Construccin mecnica ----------------------------------------------------------------------- 5 1.1.1 Carcasa ------------------------------------------------------------------------------- 5 1.1.2 Polos del campo ------------------------------------------------------------------- 7 1.1.3 Estructura de la armadura ------------------------------------------------------- 8 1.1.4 Bobinas del devanado de la armadura ------------------------------------- 8 1.1.5 Cojinetes de la flecha de la armadura -------------------------------------- 9 1.1.6 Estructura de los extremos de campana ---------------------------------- 9 1.1.7 Bobinas de campo ---------------------------------------------------------------- 9 1.2 Devanados ---------------------------------------------------------------------------------------- 9 1.2.1 Tipos de devanado --------------------------------------------------------------- 10 1.2.1.1 Devanados traslapados ------------------------------------------- 11 1.2.1.2 Devanados ondulados --------------------------------------------- 11 1.2.1.3 Devanado tipo ancas de rana y conexiones

equipotenciales -------------------------------------------------------

11 1.3 Conmutador --------------------------------------------------------------------------------------- 13 1.3.1 Campos de conmutacin -------------------------------------------------------- 14 1.3.2 Devanados de compensacin ------------------------------------------------- 14 1.3.3 Escobillas ---------------------------------------------------------------------------- 14 1.3.4 Porta escobillas -------------------------------------------------------------------- 15 1.3.5 Espaciamiento de las escobillas --------------------------------------------- 16 1.3.6 Posicin neutra de las escobillas -------------------------------------------- 16 1.4 Reaccin y Reactancia de la Armadura ------------------------------------------------- 17 1.4.1 Reaccin de la armadura -------------------------------------------------------- 17 1.4.2 Reactancia de la armadura------------------------------------------------------- 19 1.4.3 Efecto de cortocircuito de las escobillas ---------------------------------- 19 1.5 El circuito magntico -------------------------------------------------------------------------- 20 1.5.1 Anlisis simplificado de un circuito magntico ------------------------ 24 1.6 Construcciones especiales ------------------------------------------------------------------ 29 1.6.1 Motores sin ncleo ---------------------------------------------------------------- 29 1.6.2 Rotores de disco o de circuito impreso ----------------------------------- 29 1.6.3 Motores enlatados ---------------------------------------------------------------- 31

1.6.4 Motores sin escobillas ----------------------------------------------------------- 32 2 Construccin fsica de mquinas de corriente alterna ----------------------------- 32 2.1 Construccin mecnica ----------------------------------------------------------------------- 32 2.2 Devanados del alternador -------------------------------------------------------------------- 33 2.2.1 Encordado de los devanados ------------------------------------------------ 33 2.2.2 Conexiones de grupos de bobinas ------------------------------------------ 35 2.2.3 Distribucin de los devanados ----------------------------------------------- 36 2.3 Armadura fija o estator ------------------------------------------------------------------------ 37 2.3.1 Estructura del campo giratorio ----------------------------------------------- 40 2.4 Relaciones de voltaje -------------------------------------------------------------------------- 41 2.4.1 Frmula bsica de generacin de voltaje -------------------------------- 42 2.4.2 Paso de devanados ---------------------------------------------------------------- 44 2.4.3 Distribucin de los devanados ----------------------------------------------- 45 2.5 Alternador sncrono ---------------------------------------------------------------------------- 47 3 Sistemas de aislamiento para mquinas elctricas rotativas (MER) ---------- 50 3.1 Breve historia de diseo de aislamiento para MER --------------------------------- 50 3.2 Requerimientos del sistema ----------------------------------------------------------------- 51 3.3 Envolventes y cintas de mica --------------------------------------------------------------- 54 4 Calificacin de sistemas aislantes -------------------------------------------------------- 55 4.1 Pruebas de bobinas ---------------------------------------------------------------------------- 55 4.2 Requerimientos de prueba para calificacin de sistemas aislantes ----------- 57 5 Tratamiento del devanado de estator de MER de ca ------------------------------- 61 5.1 Proceso VPI -------------------------------------------------------------------------------------- 61 5.2 Ciclo VPI ------------------------------------------------------------------------------------------ 62 5.3 Consideraciones especiales del proceso VPI ---------------------------------------- 63 5.3.1 Calidad de la resina, estabilidad --------------------------------------------- 63 5.3.2 Huecos -------------------------------------------------------------------------------- 64 5.3.3 Impregnacin ----------------------------------------------------------------------- 65 5.4 Barnices aislantes ----------------------------------------------------------------------------- 65 6 Diseo de aislamiento de la bobina de estator de ca ------------------------------ 66 6.1 Diseo de aislamiento a tierra -------------------------------------------------------------- 66 6.2 Diseo de aislamiento del subconductor y la vuelta ------------------------------- 67 6.3 Tolerancias de aislamiento ------------------------------------------------------------------ 72 7 Descripcin del diseo de la bobina de estator de ca ------------------------------ 74 7.1 Descripcin de las partes de bobinas --------------------------------------------------- 74 7.2 Parmetros relacionados con el diseo de la mquina ---------------------------- 75 7.3 Parmetros relacionados con el diseo de bobina --------------------------------- 79 8 Manufactura de la bobina de estator ----------------------------------------------------- 89 8.1 Devanador ----------------------------------------------------------------------------------------- 89 8.2 Expansin o formado de bobina ----------------------------------------------------------- 92 8.3 Curado de las partes rectas para unin de subconductores --------------------- 95 8.4 Aislamiento de la terminal ------------------------------------------------------------------- 96 8.5 Aislamiento a tierra ---------------------------------------------------------------------------- 97 8.6 Cinta de proteccin --------------------------------------------------------------------------- 99 8.7 Impregnacin (Bobinas pre-impregnadas) ------------------------------------------- 99 8.8 Tratamiento de la superficie exterior del aislamiento (Bobinas de alto

voltaje). -------------------------------------------------------------------------------------------

100 8.9 Ejemplo de diseo de la bobina de estator ------------------------------------------- 101 9 Aislamiento utilizado durante el devanado del ncleo del estator de ca --- 109

9.1 Arreglo del devanado del ncleo de estator ----------------------------------------- 109 9.2 Bobinas del devanado ----------------------------------------------------------------------- 109 9.3 Separadores y acuamiento --------------------------------------------------------------- 111 9.4 Aislamiento de conexiones serie y de conexiones de grupo ------------------ 112 9.5 Instalacin de las terminales y anillos paralelos ----------------------------------- 114 9.6 Instalacin del sistema de soporte de la bobina ------------------------------------ 115 10 Tolerancias de aislamiento ----------------------------------------------------------------- 121 11 Capacidades, seleccin y mantenimiento de las M. E. R. ----------------------- 126 11.1 Factores que afectan la capacidad de las mquinas ----------------------------- 127 11.1.1 Informacin de Placa ------------------------------------------------------------ 128 11.2 Elevacin de temperatura y norma de temperatura ambiente ----------------- 129 11.2.1 Temperaturas lmite de los materiales aislantes ------------------------ 130 11.2.2 Influencia de la temperatura en la vida de la maquinaria elctrica 132 11.3 Voltajes Nominales --------------------------------------------------------------------------- 135 11.4 Efecto del ciclo de trabajo y la temperatura ambiente sobre el tamao del

armazn y la capacidad ---------------------------------------------------------------------

135 11.4.1 Efecto del ciclo de trabajo sobre la potencia RMS -------------------- 137 11.4.2 Efecto de la temperatura ambiente sobre el tamao de armazn y

la capacidad -------------------------------------------------------------------------

139 11.4.3 Tipos de envolventes (Carcasas) ------------------------------------------- 139 11.5 Velocidad nominal: clasificaciones de velocidad y reversibilidad ----------- 141 11.6 Otros factores que afectan a la seleccin de la dinamo de cd o ca ---------- 144 11.7 Caractersticas de la carga para la seleccin de motores de cd -------------- 144 11.8 Seleccin de motores de ca --------------------------------------------------------------- 145 11.8.1 Caractersticas de la carga para seleccionar motores de ca ------- 145 11.9 El sistema por unidad ------------------------------------------------------------------------ 146 CAPITULO III Conclusiones ------------------------------------------------------------------------------------------- 149 ANEXOS ------------------------------------------------------------------------------------------------ 150 BIBLIOGRAFA ----------------------------------------------------------------------------------------- 161

CAPITULO I

Metodologa de diseo y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V

ii

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

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

gran capacidad, lo cual lleva al diseo de mejores elementos de produccin en las

mquinas.

La tecnologa 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 tericos y tcnicos de calidad, que operen y mantengan en

condiciones ptimas dichas unidades.

Cualquier error de diseo podra llevar a prdidas cuantiosas, lo cual

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

Visto de otra manera, la seleccin adecuada de un aislante ptimo para las

Mquinas Elctricas Rotativas de corriente alterna, nos conduce a obtener un

mejor funcionamiento; es por ello el inters de obtener un diseo que cubra estas

necesidades, analizando posibles causas, consecuencias y buscando los

procedimientos adecuados.


iii

NATURALEZA, SENTIDO Y ALCANCE DEL TRABAJO

El presente trabajo ha sido elaborado debido a la carente informacin

bibliogrfica existente en nuestro medio, adems de que constantemente existen

diseos ms actualizados y acordes con las especificaciones que en determinado

momento puedan ser de utilidad en la seleccin del aislante para devanados de

mquinas de corriente alterna.

Asimismo se ha tomado un rango de operacin de hasta 7000 Volts, con el

cual se trabajar en este anlisis, tomando principios de funcionamiento de las

mquinas de cd y ca as como los factores y efectos ms importantes en el

funcionamiento de ambas mquinas. Tambin se hace una breve pero precisa

descripcin de cada uno de los elementos, pruebas, construcciones, detalles,

capacidades y tolerancias fundamentales.

Este trabajo ha sido diseado para incrementar el acervo bibliogrfico en

nuestra Facultad de Ingeniera, esperando tambin obtener la calidad requerida

para poder ingresar al difcil mercado industrial en la seleccin de aislantes para

devanados con las caractersticas mencionadas.


iv

ENUNCIACION DEL TEMA

El problema de satisfacer la demanda de Mquinas Elctricas Rotativas de

Corriente Alterna, ha llevado a la constante bsqueda de diseos que

proporcionen alternativas de seleccin de stas de acuerdo a su capacidad y

operacin. Por tal motivo se han creado diseos de este tipo de mquinas para

capacidades especficas de funcionamiento, las cuales utilizan elementos de gran

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

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

calentamiento ocasionado por la disminucin del aislamiento por la constante

operacin del equipo. Por lo que se requiere de un mantenimiento peridico 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 diseo de aislamiento de un equipo rotatorio es

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

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

manufactura de bobinas experimentales y pruebas a realizar en estas para

verificar la compatibilidad de los materiales.


v

EXPLICACION DE LA ESTRUCTURA DEL TRABAJO

El presente trabajo esta constituido por una introduccin seguida por tres

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

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

CAPITULO I

Este captulo est representado por una justificacin; naturaleza, sentido y

alcance del trabajo; la enunciacin del tema, as como la explicacin de la

estructura del trabajo.

CAPITULO II

En este segundo captulo se presenta el desarrollo del tema, as como su

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

presente investigacin documental, el marco terico que son los diferentes

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

diseo y manufactura de sistemas aislantes para maquinas elctricas rotativas de

ca hasta 7000 Volts, terminando con un anlisis critico de los diferentes mtodos

investigados.

CAPITULO III

En este tercer y ltimo captulo se presentan las conclusiones obtenidas,

as como tambin los anexos, apndices y la bibliografa consultada.


1

CAPITULO II


2

MARCO CONTEXTUAL

Una parte decisiva del diseo de una mquina de ca es el aislamiento de sus

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

daa inmediatamente. Aunque fuera posible reparar una mquina cuyo aislamiento

est averiado, ello resultara muy costoso. Para evitar este tipo de dao, por

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

hacerse, en parte, al suministrarles una circulacin de aire fro, pero finalmente la

temperatura mxima del embobinado limita la potencia mxima que la mquina

puede suministrar continuamente.

El recalentamiento de los embobinados es un problema muy grave en un

motor o en un generador. En raras ocasiones el aislamiento falla por ruptura

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

produce una paulatina degradacin del aislamiento, exponindolo a que se produzca

una falla por otras causas como: vibracin o tensin elctrica. Esta temperatura de

funcionamiento est relacionada estrechamente con el pronstico de vida de la

mquina, porque el deterioro del aislamiento es funcin tanto del tiempo como de la

temperatura. Este deterioro es un fenmeno qumico que implica una oxidacin lenta

y un endurecimiento frgil que conduce a la prdida de duracin mecnica y de

resistencia dielctrica. Se puede obtener una idea muy tosca de la relacin entre vida

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

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

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

debera de ser as, pero esto no es totalmente cierto, debido a que las alzas de

temperatura todava acortan su vida drsticamente. Por esta razn una mquina

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


3

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

sistemas de aislamiento de las mquinas 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. Vibracin y esfuerzo mecnico como el que pueda encontrarse durante el

servicio normal.

3. Exposicin a la humedad.

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

Se deben probar las suficientes muestras para permitir la aplicacin de

mtodos estadsticos para analizar los resultados. Las relaciones vida temperatura

que se obtengan con estas pruebas, conducirn a la clasificacin 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 clasificacin ms

importantes.

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

observables de temperatura permisibles para las diversas partes de las mquinas

industriales consultando las normas pertinentes. Se hacen diferencias detalladas

razonables con respecto al tipo de mquina, mtodo de medicin de temperatura,

parte de la mquina en cuestin, si la mquina es cerrada, y el tipo de enfriamiento

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


4

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

La metodologa de diseo y manufactura de sistemas aislantes para mquinas

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

documento bibliogrfico que nos facilite la seleccin de ciertos materiales aislantes

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

requerir para prevencin de fallas en los equipos, brindando mayor vida til y un

optimo aprovechamiento en beneficio de la industria elctrica.

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

mquinas elctricas rotativas y hacia sus medios de proteccin como lo son los

aislamientos; para lo cual se han realizado pruebas para conocer los limites que

proporcionen datos confiables de los cuales se pueda hacer una adecuada seleccin

del material necesario. Tambin ser necesario recordar principios de

funcionamiento de las mquinas de ca y cd as, como cada una de las partes

componentes de cada mquina.

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 mquinas elctricas, aunque

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

provocar algn dao al sistema, de lo cual se estar hablando mas adelante.

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

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

sentido de que al presentarse agrietamientos debido a la expansin o contraccin

trmica pueden surgir problemas de operacin en las mquinas.


5

MARCO TEORICO

1. Construccin de M. E. R. de cd

1.1 Construccin Mecnica

1.1.1. Carcasa

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

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

de conduccin del flujo determina la seleccin transversal necesaria del material

magntico, que por lo general es un acero al carbn. La construccin ms usual

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

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

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

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

una carcasa representativa.

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

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

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


6

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

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

la construccin de una de estas mquinas. En los modelos ms grandes, los polos y

las bobinas de campo tambin requieren ser manejadas con gra; de esa manera la

estructura separable sirve a un doble propsito.

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

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

compensacin. (Cortesa de General Electric Company)

En las unidades de tamao pequeo a mediano es posible que la estructura

de sus carcasas est 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 magntico y una estructura muy slida, aunque los

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

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

la figura 3.

Figura 3. Mquina de cd con

carcasa de lminas perforadas

(Cortesa de Reliace Electric

Company)


7

1.1.2. Polos del campo

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

delgadas de aleaciones de acero altamente magnticas. La construccin 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 magntica del rotor de la

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

corrientes parsitas internas generadas en una estructura magntica. Estas

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

magnticas laminadas, las cuales permiten que el flujo magntico pase a lo largo de

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

a travs de la estructura de una lmina a otra. La pila de lminas se mantiene unida

mediante 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, tpicos. Cualquier discontinuidad en una estructura magntica

produce una reluctancia significativa, la cual es ms o menos anloga a la

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

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

produccin de calor, lo cual es una prdida, de manera que la unin 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 tpicos con la bobina de campo

(Cortesa de GE Company)


8

1.1.3. Estructura de la armadura

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

el asiento de los alambres del devanado que pasan a travs del campo magntico y,

por otra es una fraccin sustancial del circuito de flujo magntico. Dado que cualquier

parte de la estructura magntica de la armadura recibe inversiones cclicas en la

direccin del flujo magntico, est sujeta a prdidas ms severas por corrientes

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

invariablemente laminada.

La construccin usual, desde los modelos ms pequeos hasta los gigantes

que suministran potencias del orden de los kilowatts, consiste en una pila de discos

de una aleacin de acero magntico. Estos discos tienen muescas o perforaciones

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

requerido del apilamiento se mantiene gracias a unos remaches apropiados,

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

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

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

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

importar cmo estn unidas las laminaciones, los devanados mismos refuerzan la

solidez de la unidad. En los modelos mayores se asegura la unin 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 configuracin de estas bobinas se

hace desde un punto de vista elctrico, deben disponerse de manera mecnica de tal

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

asegurada mecnicamente contra fuerzas centrfugas y pares; debe estar

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


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unidades ms grandes, se vuelve muy difcil formar, manejar y ensamblar en

posicin 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 est confinada en su posicin correcta.

1.1.6. Estructura de los extremos de campana

La localizacin geomtrica de los cojinetes con respecto a la carcasa se

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

cierran la mquina.

1.1.7. Bobinas de campo

La generacin del campo magntico 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 delgado

diseado para producir los ampere-vuelta que se requieren con una pequea

corriente del voltaje de lnea, o pocas vueltas de alambre ms grueso diseado para

trabajar con una cada de voltaje pequea. Al primero de estos tipos se le conoce

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

que est conectada en serie con la lnea principal de la armadura. Cuando estn

presentes los dos tipos de embobinado, se dice que la combinacin 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 mquina en la que se


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

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

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

derivacin. De manera anloga, si el campo est devanado en serie, llevar la

corriente total de la armadura pero ocupar slo un porcentaje pequeo del voltaje

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

mayor potencia y son la parte ms importante de la mquina.

1.2.1. Tipos de devanado

Hay slo dos configuraciones bsicas del devanado: el traslapado y el

ondulado. En algunas mquinas grandes se usa una combinacin de estos dos tipos

bsicos, y se le llama devanado de ancas de rana por la apariencia de las bobinas

antes de ser instaladas. Cada tipo de devanado tiene ms subdivisiones en relacin

con el nmero 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.

Detrs de toda configuracin de devanado est el mismo objetivo: llevar una

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

segmentos del conmutador, subir a travs del campo magntico, seguir por el

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

travs del campo opuesto hasta llegar por ltimo a otro de los segmentos del

conmutador, subir a travs del campo magntico, seguir por el extremo posterior de

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

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

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

armadura hasta completar los devanados y dejarlos simtricos y balanceados.


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

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

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

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

pero sus extremos siempre quedan prximos (vase Figura 5).

1.2.1.2. Devanados ondulados

El devanado ondulado tiene bsicamente el mismo aspecto trapezoidal en los

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

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

del conmutador que estn un segmento menos o uno ms 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 comenz.

1.2.1.3. Devanado tipo ancas de rana y conexiones equipotenciales.

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

traslapado y ondulado.

Figura 6. Bobina de un devanado de tipo

ondulado.

Figura 5. Bobina de un

devanado de tipo traslapado.


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La eleccin del tipo de devanado no es nica, por lo general se utilizan

devanados ondulados ya que son ms fciles de instalar y tienen una conmutacin

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

chispas. Sin embargo, parece que el lmite prctico de conmutacin 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 automviles, y se alcanza bajo una

intensa aceleracin en el motor de un vehculo elctrico si llegase a demandar un

voltaje de lnea de ms de 100 V. Las corrientes mayores requieren un devanado

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

posible situacin lmite que se halla en el motor de un vehculo moderno sirve para

ilustrar en qu forma se hace la eleccin del tipo de devanado. Si en un motor de

cuatro polos se requieren 500 A, por ejemplo, en cada trayectoria de un devanado

ondulado simple debern circular 250 A. Esto es as porque hay slo dos trayectorias

paralelas en cualquier devanado ondulado simple, independientemente de cuntos

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

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

trayectorias paralelas porque la mquina tiene cuatro polos.

Entre las mquinas que necesitan corrientes muy grandes se agudiza un

problema que existe de por s 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, prdidas de energa 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 deberan tener exactamente la misma polaridad.

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

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

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


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las pequeas diferencias entre los entrehierros originados por un centrado imperfecto

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

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

chumaceras slo agrava este problema.

1.3. El conmutador

Los devanados deben terminar en la unidad rotatoria conocida como

conmutador. sta se hace casi siempre con segmentos en forma de cua hechos de

cobre estirado en fro. Los segmentos de cobre, o delgas, estn aislados uno de otro

y tambin 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 no

se ha encontrado un mejor material. Los requerimiento de baja resistencia, excelente

conductividad y buena resistencia al desgaste mecnico son conflictivos entre s.

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

ensamblados a una flecha y ranuras con bobinas.

El anlisis de los tipos de devanados ha revelado una caracterstica comn 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 magntica. A todos los

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

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

diferentes. Esta conexin del devanado al conmutador es la unin elctrica ms

delicada de la mquina, y se debe efectuar con tanta perfeccin como sea posible.

Figura 7. Rotor de armadura de cd

completo con las bobinas, el

conmutador, el ventilador y los cojinetes.


14

1.3.1. Campos de conmutacin

En las mquinas de cd ms grandes, es decir, en aquellas con una potencia

de 1 hp o 1 kW hacia arriba, entre los polos principales del campo se colocan

campos de conmutacin, los cuales son ms pequeos que los polos del campo

principales pero se construyen en forma similar.

1.3.2. Devanado de compensacin

De manera exclusiva en las unidades ms grandes de uso pesado puede

encontrarse a veces un devanado de compensacin, el cual se instala en las caras

de las zapatas de los polos de los campos principales. El devanado de

compensacin se requiere, adems de los campos de conmutacin, con el objeto de

que el proceso de conmutacin est libre de chispas cuando circulen corrientes muy

altas o bien en condiciones transitorias. En la figura 2 se muestra una unidad grande

con su carcasa separable a la mitad; ah se puede apreciar tanto los campos de

conmutacin como el devanado de compensacin.

1.3.3. Escobillas

La funcin de conmutacin la realizan conjuntamente el conmutador y las

escobillas, las cuales se hacen generalmente de una mezcla de carbono, grafito o

carbono relleno con cobre. Para esta aplicacin los requerimientos son baja

resistencia de contacto, cierta resistencia interna controlada y buenas cualidades

ante el desgaste. La superficie real de contacto est entre la escobilla y una

superficie de xido de cobre en el conmutador. Si hay demasiada friccin y

produccin de chispas, el xido de cobre se gasta ms rpido que como se repone,

acortndose la vida de la escobilla. Todo esto puede llega a ser un gran problema,

pero se obtiene una vida ms larga si se hace un diseo adecuado. En la figura 8 se

muestra un conmutador y sus segmentos.


15

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

centrfugos, se ahoga en un material aislante, se balancea y se le aade un

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

posicin 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 tamao, nmero de escobillas, ventilacin y necesidades de acceso

para el mantenimiento. En las mquinas ms pequeas las escobillas se apoyan en

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

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

gran variedad de apertura o de proteccin, segn sean los usos de mantenimiento.

Figura 8. Ensamblado de un conmutador.

(Cortesa de General Electric Company)

Figura 9. Armadura completa en posicin en un corte del motor


16

1.3.5 Espaciamiento de las escobillas

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

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

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

principal; por tanto, una mquina de 8 polos tendr 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

construccin ondulada es tal que hay una conexin interna en el devanado, en el

negativo se conecta a los restantes puntos negativos. Por esta razn, 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. Posicin neutra de las escobillas

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

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

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

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

encontrar un voltaje gradualmente ms positivo. Luego, conforme se atraviesa la

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

campo magntico y funcionando, se agregarn incrementos sustanciales de voltaje.

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

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

salida del extremo lejano de la regin del campo en funcionamiento. Por ltimo, se ve

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

conmutador en la misma direccin que antes revelar una reduccin gradual del

voltaje. Este patrn de aumento y luego disminucin de voltaje contina alrededor del

conmutador tantas veces como polos tenga la mquina. Los puntos de mximo

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


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 mximo voltaje

disponible del a mquina 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 reaccin 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. Reaccin y reactancia de la Armadura

1.4.1. Reaccin de la armadura

La forma y disposicin del campo magntico que generan los campos

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

armadura, ya que stos tambin estn produciendo una estructura magntica. El

campo magntico producido en la armadura est desfasado 90 grados elctricos 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 magntico

tpico 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 combinacin

de los dos campos. El campo magntico 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 ste se incrementa

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

proporcin directa al campo real que est presente. Siguiendo estos razonamientos,

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


18

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

consecuencia, la funcin de conmutacin del conmutador y las escobillas ya no est

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

conmutador y las escobillas.

Figura 10 Distribucin del flujo

magntico debido slo a los polos de

campo.

Figura 11. Distribucin del flujo

magntico debido slo a la excitacin de

la armadura. Figura 11. Distribucin del flujo

magntico debido slo a la excitacin de

la armadura.

Figura 12. Distribucin combinada del

flujo debido a la armadura y el campo.


19

1.4.2 Reactancia de la armadura

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

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

particular de la armadura en el que se est efectuando la conmutacin. El proceso de

conmutacin de un circuito de armadura rotatoria incluye la inversin 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, alejndose de las

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

similar. Si en la ltima bobina que se est acercando a la escobilla hay una corriente

que est fluyendo hacia el contacto de la escobilla en el segmento del conmutador,

esta corriente se invertir en forma abrupta cuando el segmento pase de la escobilla

y se va alejando de ella. Esta inversin de corriente se efecta durante el tiempo en

el que ambos extremos de la bobina estn 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

rpidamente una a la otra, debido a que ambos extremos de la bobina estn puestos

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

La corriente cae rpidamente 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

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

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

alrededor de un ncleo magntico. Esta inductancia tiene relacin con el nmero de

vueltas de la bobina y, mutuamente, con las dems 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 rotacin altas, ya


20

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

bobina est relacionada entonces con la velocidad de rotacin, o tiempo de

conmutacin, y el nmero de vueltas en la bobina.

Las escobillas de uso prctico ocupan ms de un segmento del conmutador,

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

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

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

autoinductancias e inductancias mutuas tan pequeas 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 energa almacenada durante el

ciclo de conmutacin. En el caso ideal habr un cambio uniforme en la corriente de la

bobina conforme sta 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 inversin de la corriente se favorece si la magnitud del

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

el voltaje suficiente para facilitar la inversin de la corriente.

Todo esto implica que hay una considerable disipacin de energa tanto en la

superficie de contacto de las escobillas como en su interior.

1.5. El circuito magntico

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. ste es el flujo que cortan las bobinas del devanado de la

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

necesario para cerrar el circuito magntico. El propsito del diseo es el de conseguir


21

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

la parte forzadora del circuito en saturacin.

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

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

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

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

La fuerza de magnetizacin necesaria para alcanzar una intensidad de campo

dada en un elemento de forma geomtrica conocida del circuito magntico se debe

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

del circuito.

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

ese valor del flujo ser por lo general el punto de partida en los clculos.

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

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

consecuencia, cuanto mayor sea la fuerza de magnetizacin tanto mayor ser el flujo

del campo. Esta relacin lineal tan sencilla no es vlida en los materiales ferrosos,

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

una fuerza de magnetizacin dada.

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

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

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


22

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

magntico. La densidad de flujo magntico es una medida del flujo en lneas o en

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

B inglesas unidadesen in

lneasen est

2

SI del unidadesen metro

weberen

2est

Gauss cm

maxwellen

2est

La relacin entre H y B en los materiales no ferrosos o en el vaco o, desde un

punto de vista prctico, en el aire, se defini originalmente en las unidades del

sistema mtrico cgs; en el SI son

vueltaampere metro

weber x104 7-OSI

H

En consecuencia,

79577.0 metro

vuelta-ampere 0.79577x10 6H Ec. (1-5a SI)

La constante OSI (lase mi subndice cero) recibe el nombre de

permeabilidad del espacio libre; su conversin al sistema ingls es la siguiente:

inglesas unidadesen pulgada

vueltas-ampereen est H

SI del unidadesen metro

vueltas-ampereen est H


23

in 39.37

metro

weber

lnea 10

vueltaampere metro

weber x104

87-

EO

Es decir,

vueltaampere pulgada

lnea 3.1919

39.37

40EO

Por tanto, en unidades del sistema ingls,

pulgada

vueltaampere 30 313.0 BH

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

del aire en el entrehierro. Esto no es vlido en el caso de las partes magnticas 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 especficos que se utilizan normalmente en los circuitos magnticos. 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 magnetizacin para mantener una fuerza til

en los materiales magnticos, a pesar de que estos ltimos constituyen la parte ms

larga del circuito.

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

Ec. (1-5bI)


24

Figura 13. Curvas de figura magnetizacin en unidades inglesas.

Figura 14. Curvas de magnetizacin en unidades del SI.

1.5.1. Anlisis simplificado de un circuito magntico

Para el estudio de las relaciones en un circuito magntico tpico en forma

simplificada convienen ver primero las relaciones dimensionales de una mquina

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

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


25

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

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

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

(in)in

lnea 000 50

65.5

000 650 1

x

O bien:

m(m)

Wb 0.775

1524.01397.0

0165.0

x

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

Obsrvese que el rea 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 magnticas de la armadura y el campo.

El problema es ms fcil de resolver si se descompone de acuerdo con los

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

segn lo requieren el material especfico del que est hecha y su geometra.

Un ligero anlisis del diagrama de circuito magntico que se muestra en la

figura 15 nos indica que cada polo es similar. Adems, como se muestran las lneas

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

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

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

laminaciones de la armadura.


26

Figura 15. Dimensiones de la estructura magntica.

Usando este tipo de divisin, cada trayectoria del circuito magntico es

afectada por dos bobinas de campo diferentes. Al mismo tiempo, cada bobina acta

sobre 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 magnticos, dicha cantidad se puede dividir entre dos y cada bobina de


27

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

vueltas necesarios.

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

pueden determinarse los diversos elementos del circuito magntico. El procedimiento

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

circuito magntico que tienen una seccin transversal, longitud y material

especficos.

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

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

individuales para hallar el total requerido en el circuito completo.

Dependiendo del grado de detalle y precisin de los clculos, pueden aadirse

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

de flujo calculado.

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

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

clculos 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 magntico 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% ms

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

20% mayor que su dimensin mnima verdadera, con el objeto de dar una tolerancia

a la forma de cara interior de la zapata del polo y a la pequea rea del material

magntico que hay en los dientes de armadura. La seccin transversal de la

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

partes, y el valor de la menor rea encontrada es el que se toma como la dimensin

que manda.


28

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

trayectorias individuales y las reas de las secciones transversales se tabulan

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

ingls como en el SI. La tabla se utiliza as:

(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 rea 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 especfico empleado para esa parte.

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

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

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

obtienen de las curvas BH del material en cuestin. 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

diseo para una bobina de campo especfica. Por supuesto que el requerimiento

bsico de flujo que se tom como 1 650 000 lneas (0.0165 Wb), tiene que

determinarse en este caso para el mximo requerido.

Poniendo atencin a este proceso se podr hacer un clculo a groso modo del

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

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

ya que las marchas de los automviles baratos, por ejemplo, slo se devanan sobre


29

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

magntico.

1.6 Construcciones especiales

1.6.1 Motores sin ncleo

Hace poco ha surgido una nueva clase de motor de tamao pequeo. El motor

sin ncleo no tiene ncleo magntico en la armadura rotatoria. Hay dos formas de

construccin fundamentalmente distintas, dependiendo de la forma fsica elegida.

Las ventajas que se obtienen son:

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

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

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

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

apenas sobrepasa el campo de las fuerzas magnticas de atraccin de la armadura.

Los dos tipos principales se describirn a continuacin 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 construccin lleva al uso de un circuito impreso. En ese caso la base

estructural es el material laminado no conductor y no magntico. La separacin entre

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

del material bsico laminado o de la placa. En los modelos ms pequeos 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


30

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

delgada a los largo de la dimensin axial y por tanto no requiere de un ncleo

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

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

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

a travs del rea del conductor de la armadura en la regin en la que los

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

de un motor de disco.

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

desarrollo de cualquier construccin intrnsecamente nueva se hacen aparentes. El

calentamiento en el devanado de la armadura, causado por una prdida 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 seleccin cuidadosa de los

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

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

en cierto rango de tamaos y con cualquier construccin normal de polos de campo

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

usan campos de imn permanentes.

Una de las limitaciones es que es difcil hacer ms de una vuelta de devanado

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

pequeos. Sin embargo, la mayora de los servocontroles usan tanto motores como

voltajes pequeos.

Figura 16. Motor de rotor de disco. (Cortesa

de PMI Motors Divisin, Kellmorgen Corp.)


31

1.6.3 Motores enlatados

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

cilndricos ya existan, como en las marchas de los automviles, pero los motores

muy pequeos se fabricaban por lo comn con una carcasa abierta y una

protuberancia en un extremo para su magneto de campo. As, los motores pequeos

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

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

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

Alnico o de material magntico cermico y se coloca de manera concntrica dentro

de la lata.

stos motores tambin tienen una inercia muy pequea y no tienden a

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

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

Su desempeo es excepcionalmente bueno para el tamao que tienen, ya que la

tendencia al bailoteo de los motores convencionales pequeos con slo tres ranuras

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

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

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

como cabellos, y hacer ms bobinas de tamao an menor sera imprctico.

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

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

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

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

especfico, aunque limitado. Su enorme desempeo har que tal nicho se expanda,

ya que est limitado slo por factores de costos competitivos y por los mtodos

prcticos de fabricacin. El intervalo actual de tamao va desde poco ms de una

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


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 mquinas consideradas requieren de un mecanismo de

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

de la armadura. Quienes disean motores y generadores han soado desde hace

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

eran el nico medio prctico de efectuar el proceso requerido de conmutacin.

Slo hasta hace poco han hecho su aparicin diversos medios prcticos para

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

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

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

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

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

Esta construccin invertida se parece mucho a las armaduras bsicas de ca.

2 Construccin fsica de Mquinas de Corriente Alterna

2.1 Construccin mecnica

A excepcin 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 relacin natural de tener la

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

armadura.


33

2.2 Devanados del alternador

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

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

traslapados como ondulados, pero el traslapado es mucho ms comn porque las

conexiones de bobina son ms cortas.

Puesto que las mquinas trifsicas requieren tres grupos idnticos de

devanados separados por 120 grados elctricos, 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 magntica.

Los grados elctricos se refieren al ngulo cclico de la onda senoidal

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

polos magnticos opuestos producen voltajes opuestos en una situacin de bobina

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

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

cada polo sucesivo de campo. Los grados elctricos totales en una rotacin de 360

grados mecnicos son pues simplemente 180 veces el nmero de polos, o:

Ecuacin 2-1

Donde P es l numero de polos.

2.2.1 Encordado de los devanados

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

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

retorna en la ranura 10, se habrn abarcado 90 grados mecnicos de la estructura

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

grados mecnicos son 180 grados elctricos con base en la ecuacin anterior. As,

Grados elctricos totales en una revolucin = 180 P


34

los lados de la bobina estn en la misma posicin relativa sobre las posiciones

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

paso completo (vase en la Figura 17 una representacin de esta condicin).

La bobina de mquina de ca ms comn cubre menos de la periferia de la

mquina y se dice por lo tanto que es de paso fraccionario, en una situacin tpica

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

mayora de las bobinas de mquinas de ca es del tipo de paso fraccionario, el cual

presenta algunas ventajas importantes.

(1) Los extremos de las bobinas son ms cortos, lo cual significa menos prdidas

en el cobre gracias a una longitud total menor.

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

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

por resultado una unidad ms corta.

Aqu tambin, en la situacin 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 cuatro polos con bobinas de paso completo


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 mayora de las mquinas con devanados traslapados u ondulado emplea

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

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

en la situacin 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 situacin

sencilla pero real. Hay cuatro grupos de bobinas en cada fase. Esta es la situacin

ordinaria, incluso cuando se usan ms ranuras y bobinas.

Una mquina de 72 ranuras y seis polos devanada para tres fases tendra

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

bobinas se conectaran en grupos de cuatro y habra seis de estos grupos de cuatro

bobinas por fase.

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

en la actualidad slo se usan relativamente pocas de ellas. En una mquina trifsica

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

mayor se divide por lo comn en dos partes, en la mquina de 36 ranuras, dos

grupos de tres bobinas estn conectados en forma permanente. As pues, hay dos


36

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

o generador esta ajustado para trabajar con el ms 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 as sucesivamente. Se obtiene de manera inherente una gran flexibilidad

de instalacin.

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

de conexin sobre polos opuestos (norte o sur) debe ser opuesto. As, cada conexin

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

sea correcta (vase en la figura 19 una interconexin tpica de bobinas).

Una maquina trifsica, cuando se renen grupos de bobinas de fase, se

conecta luego en estrella o en delta, y tambin 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 trifsico se numeran normalmente del 1 al 9, segn se

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

necesite de manera especial.

2.2.3 Distribucin de los devanados

Se necesita una ltima definicin antes de intentar el clculo especfico de

voltajes nominales de mquina. Puesto que las bobinas se depositan, por lo comn

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

uniforme en torno a la periferia del estator de la mquina. Volviendo a la situacin de

36 bobinas y cuatro polos, se puede ver que en este caso especfico 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 monofsico de tres bobinas no

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

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

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

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


37

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

motores de ca, tanto grandes como pequeos.

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 mquina ordinaria, todas las ranuras estn llenas con

bobinas similares y simtricas. Por consiguiente, puede no ser tan evidente cuntos

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

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

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

externa. Tambin en este caso las ranuras estn llenas con bobinas similares y

simtricas, y no se aprecia con facilidad cuntos polos o fases tiene la mquina. Con

una construccin de campo de polos salientes, el nmero de polos es visible, como

en una mquina de cd.

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

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

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

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

vuelve ms dbil al hacerse ms profundo. Esta ventaja en la estructura dentada

para el estator se utiliza en el estator de ca.


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Figura 19. Conexiones tpicas 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 tamaos pequeos, sin embargo en los

grandes, donde las bobinas se hacen con alambre de seccin 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 instalacin en el ncleo magntico.


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Las mquinas ms pequeas 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 instalacin. De esta manera se puede emplear casi

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

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

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

devanados en su lugar. Como consecuencia, se prev algn recurso en la ranura

para cua de recubrimiento, incluso si tiene lados paralelos.

Figura 20. Estructura tpica de ranuras de laminados magnticos en una dnamo de ca.

En el estator de una mquina de ca la corriente vara en forma continua con la

rapidez de repeticin de frecuencia. El flujo magntico resultante vara entonces en la

forma cclica, y hay histresis y prdidas por corrientes parsitas en la estructura

magntica. La estructura esta hecha de placas delgadas de aleacin de acero al

cilicio que troquelan con facilidad para dar forma en matrices de presin construidas

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

circulo completo en las mquinas de tamao pequeo y mediano. Existen familias

patentadas de tamao progresivamente mayores que cada fabricante ajusta a una

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


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unos pocos nmeros distintos de ranuras y dientes para un tamao bsico. Como se

podr ver, estos nmeros de ranuras determinan el nmero de bobinas que se

puedan alojar.

Las mquinas de tamao mayor se construyen con laminados en segmentos

de tamaos razonables. El tamao depende del ancho del material y los tamaos de

matriz de presin disponibles.

El espesor del material para laminado se determina mediante consideraciones

de prdidas por corrientes parsitas y de manejo del material. El laminado delgado

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

dientes se doblan con demasiada facilidad. Un espesor de material de alrededor de

0.014 in (0.35mm) se emplea desde hace mucho tiempo para mquinas de ca de 60

Hz. El tamao de material para laminado bajo los tamaos de material acordados en

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

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

espesor de 0.3 o 0.4 mm, ya que sern vlidas las mismas consideraciones

econmicas y de frecuencia independiente de las unidades de medicin empleadas.

Los nmeros de ranuras estn normalizados en torno a 36, 48, 60 y 72, y as

sucesivamente, por algunas razones mecnicas de los devanados.

2.3.1 Estructura del campo giratorio

La constriccin mecnica del resto de un motor o generador de ca. Se

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

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

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

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

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


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

interna particular para facilitar la conmutacin, la escobilla de anillo colector es ms

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

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

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

colectores, en ciertos casos de motores sncronos ms grandes, se utilizan mltiples

devanados y pueden estar presentes cinco anillos o ms.

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

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

una mquina de ca. Puede ser ms pequea en conjunto que su contraparte de cd.

Con la misma potencia nominal. La falta de un conmutador tambin contribuye a

reducir el tamao ms adelante se podr ver que los tamaos de maquinas de ca.

Tambin estn normalizados de acuerdo con los tamaos de carcasa de NEMA y a

tamaos tentativos de carcasa en el SI. Sin embargo la mquina de ca. Alcanza en

promedio alrededor de 50% ms de potencia dentro del mismo tamao de carcasa.

2.4 Relaciones de voltaje

En los clculos para determinar los amperes vueltas por polo de campo se

usan los mismos procedimientos que se describen anteriormente. Este procedimiento

es vlido excepto si es distinta la disposicin estructural. En una mquina de ca se

seguir la misma divisin del circuito a travs del centro de los polos. Sin embargo, la

geometra real de los polos no es tan obvia a menos que se use una construccin de

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

en el sentido de los polos de campo en una mquina de cd. Con polos salientes, se

considerara una divisin arbitraria de 360/nmero polos. En este caso los polos

estn unidos al ncleo del rotor y el entrehierro est en el extremo exterior de los

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

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

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


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armadura de cd, y su dimetro llena el espacio dentro del rotor a excepcin del

entrehierro. En este caso las ubicaciones de los polos son tan definidas como en la

construccin con polos salientes, pero no es fcil de visualizar.

Tambin se debe tomar en cuenta que se utilizan los mismos materiales y,

que por tanto, son validas las mismas limitaciones de densidad de flujo real en B

lneas / in, o Wb/m2, para una estructura de maquina de ca.

2.4.1. Frmula bsica de generacin de voltaje

Haciendo otra vez referencia a la ley bsica de Faraday, segn fue

cuantificada por Neumann, la ecuacin bsica para el voltaje medio que se genera

en una sola vuelta de bobina de un devanado es:

O, para el sistema internacional:

Las unidades son en cada caso las mismas. Obsrvese que ser necesario

modificar el trmino de voltaje medio para usarlo en una condicin de onda senoidal.

Si estas ecuaciones de por vuelta de

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