Universidad Técnica Particular de LojaElectrónica y telecomunicaciones

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DISEÑO DE UNA MÁQUINA ELÉCTRICA

Cristian Aguirre Esparzacbaguirre@utpl.edu.ecAlexis Riofrio Pomaapriofrio@utpl.edu.ecCristian Betancourth

cramirez@utpl.edu.ec

RESUMEN: EL proyecto fue elaborado con la finalidad de construir una maquina eléctrica e ilustrar los principios físicos que intervienen en el funcionamiento de dicha máquina, así como los principios de LENZ y FARADAY. Como resultado de la investigación logramos diseñar un motor eléctrico sencillo y de muy bajo costo.

PALABRAS CLAVE: ley de Lenz-Faraday

1 INTRODUCCIÓN

Como tercer proyecto del curso de teoría de circuitos se nos ha planteado la construcción de una maquina eléctrica de bajo costo. Por razones de un próximo proyecto se decidió diseñar un motor eléctrico

Un motor eléctrico, es una máquina que convierte la energía eléctrica en mecánica. Su modo de funcionamiento se basa en los principios del electromagnetismo, fundamentalmente en la interacción de fuerzas de origen magnético, está compuesto por dos partes, una parte eléctrica y otra magnética. Conocemos acerca de los imanes y la ley fundamental que los rige: polos distintos se atraen y polos iguales se repelen. Este es el principio básico de funcionamiento de un motor eléctrico.

Dentro del mismo esas fuerzas de atracción y repulsión son utilizadas para generar un movimiento rotacional.

2 PROBLEMÁTICA PLANTEADA

Tras haber elegido el diseño de un motor eléctrico, este conservará los mismos requerimientos antes planteados que son bajo costo y de alto nivel práctico.

3 PRIMER DISEÑO

Constaba de una bobina hecha de un conductor de cobre número 26, un par de soportes de hierro, un imán mediano, batería de 9v, todo sobre una base de madera,

Figura 2. Imagen del primer diseño.

Los inconvenientes presentes en este primer diseño fueron que el eje de rotación de la bobina era muy delgado y debido al peso de la bobina el eje se desalineaba, presentando dificultades para realizar el giro sin cabeceo.

3 SEGUNDO DISEÑO

Este contaba de una bobina de filamento de cobre esmaltado número 26, un par de soportes para el rotor que era un eje rígido adaptado a un colector pequeño de 0.5cm de diámetro, dos electroimanes, dos baterías de 9V, la una para alimentar el embobinado y al otra para crear un electroimán. Véase figura 3.

Figura 3. Motor con electroimán

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En realidad se implementó este motor, pero como ya contábamos con un par de imanes, decidimos hacer un tercer diseño que reemplazaría al electroimán por los imanes permanentes.

4 DISEÑO IMPLEMENTADO

4.1 CONSTRUCCION DE LA BOBINA

Con un cilindro de 5cm de diámetro enrollamos con el filamento de cobre número 26 hasta 15 vueltas. Así construimos la bobina, dejando unos 4 cm en cada extremo para hacer las demás conexiones , una vez que ya tenemos el arrollamiento fijamos para mantener la forma. Posteriormente se procederá a eliminar el esmalte de los extremos libres, esto lo haremos con una lija fina. Véase figura 4.

Figura 4. Bobina.

4.2 COSTRUCCION DEL ROTOR

Para construir nuestro rotor utilizamos un eje de madera, centrando y fijando en la bobina (fig.5). Este rotor debe ser lo suficientemente rígido como para no desalinearse

Figura 5. Eje fijo y bobina.

A este eje también se le adaptó un colector. Este cilindro (colector) está hecho de cinta enrollada hasta lograr un diamentro de 1.5cm recubierto de dos laminas de contacto, las que deben tener un mínimo esapacio entre láminas. En este caso utilizamos pequeñas placas de lata. Véase figura 6.

Figura 6. Soldado del colector.

Soldamos las puntas libres de la bobina en cada placa. Véase figura 7.

Figura 7. Rotor

4.3 CONSTRUCCION BASE DE MADERA

Como el estator es la parte del motor con campo magnético permanente, significa que unicamente los imanes son el estator. Así la estructura de madera seria una parte de este estator.

Para su construcción usamos dos rectángulos de madera de 18 x10cm. En donde fijamos los soportes del rotor de 11cm de altura y sepa 12cm. Estos soportes tienen un punto de giro a 5.5cm de altura, para permitir el rote y un giro equilibrado, al colocar en el piso y techo los imanes.

4.4 CONSTRUCCION DE LAS ESCOBILLAS

El material de las escobilas debe tener un coeficiente de deformidad bajo, debe ser buen conductor y debe estar colocado de tal manera que se de un mínimo rozamiento con el colector. Utilizando filamentos muy finos de cobre, uno a cada lado del cilindro. Se alimentarán con una fuente de cc de 9V.

5 MATERIALES

Conductor de cobre

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Eje firme de madera (palo de madera) Corcho de botella Cinta adhesiva Base de madera Batería 9v 2 imanes

6 RESULTADOS

El movimiento se genera a partir de una fuerza magnética de repulsión entre el campo del estator y el campo instantáneo que se crea en la bobina del rotor al dar sentido de corriente positivo arriba y negativo abajo. Al hacer corto entre las escobillas y el rotor genera un campo magnético por ley de Faraday, el campo generado por el rotor es atraído por el campo magnético generado por los imanes que se encuentran en la parte inferior y superior. Al dar media vuelta el paso de corriente se interrumpe y la bobina deja de comportarse como imán pero por inercia se sigue moviendo hasta que da otra media vuelta y la corriente pasa nuevamente, repitiéndose el ciclo.

Al aplicar corriente al rotor, se genera un campo positivo y otro negativo, el campo negativo del rotor es atraído por el campo positivo de los imanes, en el momento que el polo positivo del rotor y el polo negativo del imán están por alinearse, la polaridad del rotor se cambia por el colector y al estar el polo negativo del imán alineado con el polo negativo del rotor, estos se repelen, lo que hace que los dos polos se alejen y cómo el polo está atado a un eje, este gira hasta entrar en el campo magnético del otro imán, al alinearse los polos, sucede el mismo fenómeno de cambio de polaridad producido por el colector. Esto genera un movimiento continuo rotatorio. Véase figura 8.

Figura 8. Motor eléctrico.

7 DIFICULTADES EN EL DISEÑO IMPLEMENTADO

Como las escobillas van a estar rozando continuamente tienden a deformarse y por ende a dejar de hacer contacto con el colector, por lo que se nos dificulto encontrar un material para hacer de escobillas.

La siguiente dificultad que se nos presentó fue que las láminas de contacto del colector estuvieron muy separadas, por lo que entre contacto y contacto se iba deteniendo gradualmente.

Otra dificultad presentada fue mantener estable el rotor al momento del giro.

Al conectar el rotor se produce un corto circuito por lo que se produce una muy alta intensidad, haciendo que la fuente llegue a saturarse.

8 COSTOS.

- En la base y los soportes 1. 5 dolares, para el rotor bobina y eje 0.5 dolares, los imanes 2.0 dólares, más algunos materiales de ferreteria caseros. Dejándo un costo total de unos 5.0 dólares.

9 CONCLUSIONES

Al tener mayor número de vueltas en la bobina aumenta el campo magnético, pero a la vez el peso de dicha bobina será mayor por lo que para realizar el giro necesitaría mayor potencia.

El rotor debe poseer un eje de giro rígido, y en la mayor posible estable, al punto de que coincida la bobina con los imanes. Esto también minoriza la velocidad de giro.

El centrado del motor es muy importante, pues las líneas del campo magnético generado al pasar el flujo repele y/o atrae en dirección perpendicular al campo magnético fijo y así se produzca la rotación.

Al hacer contacto entre las escobillas y el colector, se produce un corto circuito el cual genera una corriente muy alta lo que hace que la fuente se sature.

En los extremos de la bobina, se debe quitar bien el esmalte del conductor para que haga un contacto con la base y exista paso de corriente eléctrica.

Los imanes permanentes tienen que ser iguales para que  el campo magnético generado sea equilibrado.

Las escobillas de contacto con el colector deben presentar un mínimo de rozamiento pues tienden a frenar el movimiento rotatorio.

Este proyecto tiene gran sentido practico para

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comprender y aplicar la ley Faraday.

10 REFERENCIAS

[1] Nsar, S.A. and Boldea, I. 1990. Electrical Machines- Steady- State Operation. John Wiley and Sons: London, UK.

[2] McGraw-hill .“Magnetismo y Electricidad .”Motores Electricos” [Online]. Disponible en: http://www.mcgraw-hill.es/bcv/guide/capitulo/8448173104.pdf

[3] Prearson Educación , México ,2003 . “Fuerzas Magnéticas Sobre conductores con corriente eléctrica”. Wilson and Buffa .

[4] IEEE-QUEBEC. "Electrical Motors of l'IEEE-Canada” [Online] Disponible en :http://ieee-quebec.gel.ulaval.ca/dynamique/index.php?idD=25&Lang=1

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