Es interesante conocer las características electromecánicas del motor eléctrico de corriente continua (DC) con el que vamos a trabajar para conseguir un funcionamiento óptimo de éste.
Algunas de éstas características vienen dadas por el fabricante y otras las tendremos que averiguar nosotros.
A parte de las dimensiones y del intervalo de temperaturas entre las que debe funcionar el motor, es importante saber el Voltaje Nominal (Rated Voltage) para el que se ha diseñado. Es el voltaje al que el fabricante aconseja conectar el motor para que funcione de la manera más óptima posible. En su funcionamiento normal no se debe superar esta tensión de alimentación.
Otro parámetro que el fabricante indicará en las características técnicas es el torque o par motor. Indica la "fuerza de rotación" del eje del motor y se mide en Newtons metro (Nm), libras pie o gramos fuerza centímetro (gfcm).
A este respecto decir que 1 Newton son 101,972 gramos fuerza y que 1 metro son 100 centímetros.
Si consideramos un cilindro de radio "r" que puede rotar sobre su centro, al que aplicamos una fuerza "F" sobre un punto de su superficie, el cilindro girará sobre su eje con una fuerza de rotación que viene dada por el par, torque o momento de torsión (tau) generado.
Es el producto vectorial de la distancia desde el centro de rotación del cilindro al punto de aplicación de la fuerza aplicada:
𝝉 = r x F
En el producto vectorial se aplica la regla de la mano derecha según la cual, si los dedos largos de la mano indican la dirección de la fuerza aplicada, el dedo pulgar indicará el sentido del vector torque generado, perpendicular al plano formado por los vectores distancia y fuerza:
Por lo tanto, la fuerza aplicada hará girar al cilindro en contra de las agujas del reloj, generando un vector torque dirigido hacia el observador y de valor el producto de la fuerza por la distancia desde el centro de rotación del cilindro al punto de aplicación de la fuerza y por el seno del ángulo que forman ambos vectores (theta):
𝝉 = F r sen 𝛉
Otro parámetro a tener en cuenta en las características técnicas facilitadas por el fabricante de un motor eléctrico es su velocidad angular (𝛚).
Este parámetro se suele dar en RPM (Revoluciones o vueltas Por Minuto), aunque también en radianes por segundo (rad/s).
La intensidad de corriente es la corriente que consume el motor eléctrico cuando está en funcionamiento.
Viene dada en amperios y cuanto mayor es su valor, mayor es el par o torque del motor.
Los motores eléctricos tienen la característica de que en los primeros momentos de conexión a la fuente de alimentación, consumen un pico de intensidad de corriente, denominada corriente in-Rush, corriente de irrupción, corriente de entrada, o corriente transitoria de excitación; la cual posteriormente desciende a valores menores en los que se estabiliza durante su funcionamiento normal.
Una vez que el motor eléctrico ya ha pasado esta primera fase de irrupción y ha entrado en una fase más estable de funcionamiento, los fabricantes también suelen ofrecer los valores de velocidad y de corriente consumida en 3 diferentes estados de carga.
Cuando el motor eléctrico funciona sin carga (no load), esto es cuando el torque o par motor que se aplica en contra del motor es mínimo, la velocidad (speed) es máxima y la intensidad de corriente (current) es mínima.
Si vamos aumentando el torque que debe vencer el motor, llegamos a un punto de máxima eficiencia en el que la velocidad disminuye y la corriente aumenta.
Por último, cuando aplicamos al motor un torque máximo con el que conseguimos bloquear su funcionamiento (stall), la velocidad es cero pues el eje del motor no gira y la corriente es máxima.
Un parámetro que el fabricante no suele facilitar es la resistencia del hilo de cobre de las bobinas del motor. Es un valor que debemos determinar mediante el uso de un multímetro, simplemente conectando sus terminales al ohmímetro para obtener directamente su valor.
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| 1,3 ohmios |
Decir que también se puede hallar el valor de la resistencia de un motor eléctrico aplicando la ley de ohm y aprovechando el voltaje y la intensidad de corriente que consume el motor en un punto determinado de funcionamiento, concretamente cuando funciona en estado de bloqueo o "stall" .
Esto es debido a que el voltaje al que se conecta el motor no sólo va a ser consumido por la resistencia (R) del hilo de cobre con el que están construidas sus bobinas (I x R).
El voltaje de la fuente de alimentación también se va a consumir en contrarrestar el fenómeno de la autoinducción (L) de las bobinas del motor, generada ésta en el momento de la puesta en marcha de la máquina y según la cual, al aumentar rápidamente la corriente que circula por las bobinas del motor se induce en ellas una corriente en sentido contrario, que se opone al paso de la corriente inicial. Este voltaje viene dado por la expresión - L(dI/dt), que indica que el voltaje en las bobinas del motor es directamente proporcional, aunque en sentido contrario, a la inductancia de las bobinas del motor y a la velocidad con la que cambia la intensidad de la corriente en función del tiempo.
Además, en el momento en el que los hilos de cobre empiezan a moverse en el seno del campo magnético de los imanes del motor, se genera una fuerza electromotriz que también se va a oponer al voltaje de la fuente de alimentación, por lo que a este voltaje inducido también se le denomina fuerza contraelectromotriz (FCEM), la cual también va a consumir voltaje de la fuente de alimentación.
Así que según la ley de los voltajes de Kirchhoff:
V - (I x R) - L (dI/dt) - FCEM = 0
I x R: Voltaje consumido por la Resistencia óhmica del motor.
L (dI/dt): Voltaje consumido por la inductancia de las bobinas del motor.
FCEM (fuerza contraelectromotriz): Voltaje inducido al moverse los hilos de cobre de las bobinas del motor en el seno del campo magnético del imán del motor y que también se opone al voltaje de la fuente de alimentación.
Si eliminamos el fenómeno de la autoinducción y de la fuerza contraelectromotriz del motor eléctrico, nos quedaríamos únicamente con el efecto de la resistencia eléctrica.
Para ello podemos bloquear el motor, con lo que anularemos la fuerza contraelectromotriz generada al moverse los hilos de cobre de la máquina en el seno del campo magnético. Si además esperamos un determinado lapso de tiempo a que la máquina se estabilice, también anularemos el efecto de autoinducción de las bobinas.
Si en ese momento medimos con un polímetro el voltaje (que habrá disminuido porque la velocidad ha descendido hasta pararse) y la intensidad de corriente (que habrá aumentado hasta el valor máximo, o corriente de bloqueo "stall"), podremos aplicar la ley de Ohm y hallar la resistencia. El valor calculado debe coincidir con el valor previo obtenido directamente con el ohmímetro.
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| 1,42 voltios y 1,13 amperios |
En este punto hay que advertir que las intensidades de corriente que vamos a obtener en el polímetro, realizando el bloqueo del motor, van a ser elevadas (1,13 A); por lo que deberemos tener cuidado de protegernos de ellas y de no estropear la fuente de alimentación, el resto del circuito, o el propio motor, bloqueando su funcionamiento durante excesivo tiempo.
Igual que la resistencia, podemos determinar el valor de la inductancia de un motor eléctrico conectando un inductómetro a sus terminales y obtener directamente su valor.
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| 0,37 miliHenrios |
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