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Cómo funcionan los motores y generadores eléctricos

Cómo funcionan los motores y generadores eléctricos

Los vehículos eléctricos dependen exclusivamente de motores eléctricos para propulsión, y los híbridos usan motores eléctricos para ayudar a sus motores de combustión interna a la locomoción. Pero eso no es todo. Estos mismos motores pueden usarse y se utilizan para generar electricidad (a través del proceso de frenado regenerativo) para cargar las baterías a bordo de estos vehículos.

La pregunta más común es: "¿Cómo puede ser eso ... cómo funciona eso?" La mayoría de la gente entiende que un motor funciona con electricidad para hacer el trabajo: lo ven todos los días en sus electrodomésticos (lavadoras, aspiradoras, procesadores de alimentos).

Pero la idea de que un motor puede "funcionar hacia atrás", en realidad generando electricidad en lugar de consumirlo, parece casi mágico. Pero una vez que se comprende la relación entre los imanes y la electricidad (electromagnetismo) y el concepto de conservación de la energía, el misterio desaparece.

Electromagnetismo

La potencia del motor y la generación de electricidad comienzan con la propiedad del electromagnetismo: la relación física entre un imán y la electricidad. Un electroimán es un dispositivo que actúa como un imán, pero su fuerza magnética se manifiesta y controla mediante la electricidad.

Cuando el alambre hecho de material conductor (cobre, por ejemplo) se mueve a través de un campo magnético, se crea corriente en el alambre (un generador rudimentario). Por el contrario, cuando la electricidad pasa a través de un cable que se enrolla alrededor de un núcleo de hierro, y este núcleo está en presencia de un campo magnético, se moverá y girará (un motor muy básico).

Motor / Generadores

Los motores / generadores son realmente un dispositivo que puede funcionar en dos modos opuestos. Al contrario de lo que la gente piensa a veces, eso no significa que los dos modos del motor / generador funcionen uno atrás del otro (que como motor el dispositivo gira en una dirección y como generador, gira en la dirección opuesta).

El eje siempre gira de la misma manera. El "cambio de dirección" está en el flujo de electricidad. Como motor, consume electricidad (fluye hacia adentro) para generar energía mecánica, y como generador, consume energía mecánica para producir electricidad (fluye hacia afuera).

Rotación electromecánica

Los motores / generadores eléctricos generalmente son de dos tipos, ya sea CA (corriente alterna) o CC (corriente continua) y esas designaciones son indicativas del tipo de electricidad que consumen y generan.

Sin entrar en demasiados detalles y nublar el problema, esta es la diferencia: la corriente alterna cambia de dirección (alterna) a medida que fluye a través de un circuito. Las corrientes de CC fluyen unidireccionalmente (se mantiene igual) a medida que atraviesa un circuito.

El tipo de corriente utilizada se relaciona principalmente con el costo de la unidad y su eficiencia (un motor / generador de CA generalmente es más costoso, pero también es mucho más eficiente). Baste decir que la mayoría de los híbridos y muchos vehículos eléctricos más grandes usan generadores / motores de CA, así que ese es el tipo en el que nos centraremos en esta explicación.

Un motor / generador de CA consta de 4 partes principales:

  • Una armadura de alambre montado en el eje (rotor)
  • Un campo de imanes que inducen energía eléctrica apilada lado a lado en una carcasa (estator)
  • Anillos deslizantes que transportan la corriente alterna hacia / desde la armadura
  • Cepillos que entran en contacto con los anillos colectores y transfieren corriente al / del circuito eléctrico

El generador de CA en acción

La armadura es impulsada por una fuente mecánica de energía (por ejemplo, en la producción comercial de energía eléctrica sería una turbina de vapor). A medida que este rotor enrollado gira, su bobina de alambre pasa sobre los imanes permanentes en el estator y se crea una corriente eléctrica en los cables de la armadura.

Pero debido a que cada bucle individual en la bobina pasa primero el polo norte y luego el polo sur de cada imán secuencialmente a medida que gira sobre su eje, la corriente inducida cambia continua y rápidamente de dirección. Cada cambio de dirección se llama ciclo, y se mide en ciclos por segundo o hertz (Hz).

En los Estados Unidos, la velocidad del ciclo es de 60 Hz (60 veces por segundo), mientras que en la mayoría de las otras partes desarrolladas del mundo es de 50 Hz. Se colocan anillos deslizantes individuales en cada uno de los dos extremos del bucle de alambre del rotor para proporcionar una ruta para que la corriente salga de la armadura. Las escobillas (que en realidad son contactos de carbono) se montan contra los anillos colectores y completan el camino de la corriente hacia el circuito al que está conectado el generador.

El motor de CA en acción

La acción del motor (que suministra energía mecánica) es, en esencia, lo contrario de la acción del generador. En lugar de hacer girar la armadura para generar electricidad, la corriente es alimentada por un circuito, a través de los cepillos y los anillos colectores, hacia la armadura. Esta corriente que fluye a través del rotor enrollado de la bobina (armadura) lo convierte en un electroimán. Los imanes permanentes en el estator repelen esta fuerza electromagnética que hace que la armadura gire. Mientras la electricidad fluya a través del circuito, el motor funcionará.