Motores eléctricos
El motor eléctrico es una máquina que convierte energía eléctrica en movimiento mecánico rotativo. Dado su funcionamiento, es una de las máquinas más simples que existen para la generación de energía eléctrica; y aunque hay una gran variedad de modelos, todos tienen un funcionamiento básico similar.
Breve historia de los motores eléctricos
Los primeros motores tipo eléctrico eran dispositivos electrostáticos que describieron Andrew Gordon y Benjamín Franklin, en experimentos, en la década de 1740.
Charles-Agustin de Coulomb publicó en 1785 la Ley de Coulomb, el principio teórico detrás del funcionamiento de los motores eléctricos. No fue hasta el año de 1820, cuando Hans Christian Orsted descubriera la interacción entre las corrientes persistentes (posible gracias a la pila electroquímica inventada por Alessandro Volta en 1779) y un campo magnético que hubo grandes pasos en el progreso hacia el motor eléctrico como lo conocemos hoy en día.
La Ley de Amperè, desarrollada unas semanas después por André-Marie Amperè, es la primera formulación de la interacción electromagnética. Describe la producción de fuerza mecánica al interactuar una corriente eléctrica y un campo magnético.
En 1821, Michael Faraday hizo la primera demostración de dicho efecto con un movimiento rotativo, sumergiendo un alambre colgante en mercurio y sobre él colocó un imán permanente. Al pasar la corriente a través del alambre, este giraba alrededor del imán, demostrando el campo magnético el campo magnético alrededor del mismo. La Rueda de Barlow, en 1822, se basó en este experimento.
Experimentando con bobinas electromagnéticas, Ányos Jedlik inventó el conmutador en 1827. En 1828, mostró el primer dispositivo con los tres principales componentes de un motor eléctrico de corriente continua: el Estator, el Rotor y el Conmutador. Este dispositivo no contiene imanes permanentes, pues los campos magnéticos se producían por la corriente fluyendo a través del devanado.
En 1832 y 1837, William Sturgeon y Thomas Davenport inventaron los primeros motores eléctricos de corriente continua. Fue el estadounidense Davenport quien lo patentó. Estos motores funcionaban a 600 RPM y eran utilizados en una imprenta. El alto costo de la energía de la batería primaria, aunado que no había sistema de distribución de energía eléctrica, impidieron que tuvieran éxito comercial. Lo anterior terminó llevando a Davenport a la bancarrota.
En 1834. Moritz von Jacobi, originario de Alemania, creó un motor de corriente continua que desarrolló potencia suficiente para tener una aplicación real, que movía a un barco de 14 personas a través de un río.
En 1855, Jedlik construyó un vehículo eléctrico utilizando un motor con principios similares a los que sus autorrotores utilizaban.
En 1864, Antonio Pacinotti describió la primera armadura de anillo. Esta se componía de bobinas agrupadas simétricamente, cerradas sobre sí mismas, y conectadas a las barras de un conmutador. Sus cepillos están suministrando corriente sin variaciones. Utilizando los avances de Pacinotti y Werner von Siemens, Zénobe Gramme desarrolló en 1871 los primeros motores que tuvieron aceptación comercial.
El descubrimiento de que el motor eléctrico puede ser utilizado como generador fue publicado por Siemens en 1867 y por Pacinotti en 1869. Pero fue Gramme quien lo demostró en 1873, durante la Exposición Universal de Viena, conectando dos motores de corriente continua a una distancia de 2 km entre ellos, utilizando uno como motor y el otro como generador.
La eficiencia de estos motores fue mejorada drásticamente cuando Friedrich von Hefner-Alteneck, en 1872, introdujo el rotor cilíndrico, que reemplazó a la armadura de anillo. Un año después se introdujo el rotor laminado, que disminuyó las pérdidas de hierro y aumentó la tensión que se inducía al motor. Jonas Wenström, originario de Suecia, en 1880, agregó al rotor unas ranuras que alojaban el devanado, lo que incrementó aún más la eficiencia.
En Estados Unidos, Frank Julian Sprague, en 1886, inventó el primer motor de corriente continua que resultaría práctico. Este dispositivo no producía chispas y, más importante, era capaz de mantener la misma velocidad aún con variaciones en la carga. Sprague también aportó invenciones que facilitaron la distribución de la energía eléctrica a la red. Gracias a esto, se pudieron utilizar los carros que tomaban su energía a través de los cables elevados, naciendo el primer sistema de trolebuses eléctricos, en 1887 y 1888, en Richmond, así como el sistema de control y elevador eléctrico en 1892.
François Arago, físico francés, formuló la existencia de campos rotatorios en el año 1824. En americano Walter Baily, en 1879, logró el primer motor de inducción abriendo y cerrando los circuitos. Posterior a esto, muchos inventores estaban intentando hacer motores que funcionan con corriente alterna, ya que esta es mucho más fácil y económico distribuir a largas distancias que la corriente directa.
Galileo Ferraris inventó el primer motor de corriente alterna en 1885, pero en 1888 la Real Academia de Ciencias de Turín publicó las bases de su funcionamiento concluyendo que nunca iba a tener uso comercial o industrial.
Desarrollo de los motores modernos
En 1887-1888, fue Nikola Tesla quien, al inventar y patentar su propio diseño de motor eléctrico de corriente alterna, impulsó su desarrollo en el área industrial, con su trabajo Un Nuevo Sistema de Motores de Corriente Alterna y Transformadores, presentado al Instituto de Ingenieros Eléctricos. George Westinhouse compró las patentes de Tesla por 60,000 dólares, después de haber adquirido la patente de Ferraris por 1,000. Aunque el motor de corriente alterna no fue adecuado para funcionar en automóviles, en 1891 Westinhouse pudo adaptarlo para operar en una mina en Colorado, Estados Unidos. Logrando así, el primer uso práctico para el motor eléctrico de corriente alterna
En 1893 desarrolla una línea de motores de inducción polifásicos de 60 Hz. Estos eran de dos fases, con rotores enrollados. Posteriormente, Benjamin Lamme inventó el rotor bobinado de barra giratoria.
El motor trifásico fue inventado por el ruso Mikhail Dolivo-Dobrovolsky en 1889. Posteriormente se desarrollan motores más grandes desde 20 hasta 100 HP. De esta manera es como nació el motor eléctrico de tres fases de corriente alterna como lo conocemos en la actualidad.
Mucho ayudó a su impulso en usos industriales la demostración de transmisión de corriente trifásica a larga distancia, presentada en la Exposición Electrónica Internacional de Frankfurt en 1891. Esta tenía una capacidad de 15 kV con una distancia de 175 km, desde la cascada de Lauffen hasta la exposición, en la que se alimentaba un motor de 100 HP que bombeaba agua a una cascada artificial, representando la transferencia de energía desde la fuente original.
En 1896 Westinhouse y General Electric firman un acuerdo de licencia cruzada para el diseño del rotor de bobinado en barra que más tarde fue conocido, como hasta ahora, como el rotor en jaula de ardilla.
Gracias a las innovaciones y mejoras que se han hecho a los diseños del motor eléctrico, las dimensiones de un motor de 100 HP de hoy son similares a las dimensiones de un motor de 7.5 HP de aquel entonces. Dotado de un motor eléctrico, cada máquina podía contar con su propia fuente de energía, proporcionando control sencillo y una transmisión de energía más eficiente.
Al usar los motores en la agricultura, se elimina el trabajo de animales y humanos en tareas como manipulación de granos o bombeo de agua. En el hogar, el motor mejoró mucho la calidad de vida reduciendo el trabajo pesado realizado hasta entonces.
En la actualidad, se pueden encontrar motores eléctricos en todo tipo de aplicaciones industriales, comerciales y domésticas. Algunos ejemplos son operaciones mineras en las que los motores mueven grandes trituradores para romper piedra, bombear agua o en bandas transportadoras, en la petroquímica para el bombeo de crudo o gasolinas o para mover las perforadoras, en las bandas que mueven el equipaje en los aeropuertos, en las bombas que llevan agua a nuestras casas.
También se pueden encontrar desde las impresoras, licuadoras, cepillos de dientes eléctricos, juguetes infantiles, computadoras y hasta en teléfonos celulares (hacen que vibre). En fin, las aplicaciones de los motores eléctricos son innumerables y han facilitado nuestras vidas.
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