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Toni Leanez [email protected] Barcelona, 20-02-13
MOTORES Y HÉLICES II R.I.P (Requiescat in pace). Descanse en
paz. Nuestro viejo amigo el motor de corriente continua, con
escobillas (Brushed) e imán permanente se nos muere. O mejor dicho
los avances tecnológicos lo han postergado al ostracismo hasta el
día de su total extinción. Los ordenadores necesitaban un motor,
ventiladores, discos duros, disqueteras, etc. de alto rendimiento,
reducido en sus dimensiones, silencioso, etc. Nacieron los
(Brushless), pero de estos motores hablaremos en la tercera parte
de este trabajo. En casi todas las facetas del modelismo este viejo
aliado nos ha ayudado y sacado de muchos problemas que el diseño de
diferentes artefactos (más o menos conseguidos) nos ha planteado.
Explicar a estas alturas como funciona puede parecer fuera de
lugar, pero, siquiera a título de homenaje póstumo vamos a
dedicarle algunas líneas. Sin entrar en más detalles hay dos tipos
de imanes: permanentes y momentáneos. Si tomamos un rozo de acero y
lo imantamos, este trozo de acero se habrá convertido en un imán
permanente y esta propiedad la conservará siempre, por eso lo
denominamos “imán permanente” Si tomamos un trozo de hiero y lo
mantenemos unido a un imán, el hierro se habrá
convertido en un imán. Pero esta capacidad durará en tanto en
cuanto dure el contacto. Si el núcleo de hierro atraviesa una
bobina por la cual circula una corriente eléctrica, el hierro
quedará imantado, pero al cesar la corriente cesará el magnetismo.
Si invertimos la polaridad de la corriente invertiremos la
polaridad del imán. Cada uno de estos comportamientos tiene su
campo de aplicación. En un timbre (de llamar a la puerta)
necesitamos las propiedades magnéticas del hierro, mientras que en
un cierre magnético, (la puerta del frigorífico) necesitamos las
propiedades magnéticas del acero.
Todos los imanes tienen dos polos: N – S (norte - sur). Dice la
vieja máxima: Polos del mismo nombre se repelen, de nombre
contrario se atraen. Quiere decir que si ponemos en contacto dos
imanes unidos por sus polos norte o sur, se repelerán. La eficacia
de un motor de corriente continua con escobillas e imán permanente,
por regla general, se sitúa dentro del margen del 65 al 75%, según
su calidad de construcción, rodamientos a bolas, equilibrado, etc.
quiere decir que de la potencia consumida, devuelve en forma de
trabajo eficaz del 65 al 75% y el resto de la potencia se pierde en
forma de calor, rozamiento, etc. Otra cosa es la potencia real que
llegue a la hélice. Esto dependerá casi exclusivamente, de nuestra
habilidad en diseñar y construir el sistema que conecta la salida
del motor con la hélice. Este sistema, por simple que sea, debe
contemplar una conexión cardan que absorba la falta de linealidad
entre los ejes de salida del motor y el eje de transmisión de la
hélice. Los rodamientos, mínimo dos, para el eje de la hélice y
finalmente un sistema de engrase que mantenga siempre en perfectas
condiciones de rodadura, con el mínimo de pérdidas, la potencia que
llega a la hélice y es la que se transforma en trabajo
efectivo.
mailto:[email protected]
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En la imagen precedente podemos ver a un viejo amigo de muchos
montajes, con un gran resultado. Podemos apreciar las
características mecánicas y eléctricas. Este motor se suministraba
para una tensión nominal de 6 y 12 voltios. El motor eléctrico, a
diferencia del motor de combustión interna, se compone de muy pocas
piezas, que prácticamente a lo largo de toda su vida útil no
requiere de ningún tipo de ajuste, salvo la limpieza, el engrase
adecuado y el acondicionamiento de las escobillas y por ser su
movimiento circular, con una bancada medianamente bien construida,
no transmite vibración alguna. Su puesta en marcha es instántanea y
trabaja perfectamente dentro de un amplio margen de temperaturas,
incluso bajo cero. Para la inversión de marcha basta simplemente
con cambiar la polaridad de la corriente de alimentación. Las rpm
van en función directa a la tensión de alimentación y en general,
un motor de este tipo, digamos que alimentado a 6 voltios,
arrancará perfectamente a partir de 1 o 1,2 voltios. Por término
medio, en motores de tipo estándar muchos fabricantes dan la
relación de 1.000 rpm por voltio de alimentación en vacio, es decir
sin carga en el eje de salida.
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El inducido, se trata de un núcleo de hierro rodeado por una
bobina que al circular la corriente produce un campo
electromagnético.
El colector formado por tres segmentos de cobre, recibe la
corriente por frotamiento de las escobillas y la hace circular a
través de las bobinas que rodean al núcleo de hierro.
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La tapa posterior, vista desde el interior, cumple varias
funciones. Recibe la corriente del regulador de velocidad. Aloja
las escobillas y el cojinete antifricción.
Generalmente, también en la tapa posterior y por su lado
exterior se montan los condensadores para absorber los parásitos y
transitorios que se puedan producir por la generación de chispas
entre las escobillas y las delgas de colector.
Como es sabido el condensador, sin entrar en mayores detalles
técnicos, deja pasar la corriente alterna que es la causante de las
interferencias y la deriva a masa, representada por la carcasa
metálica del propio motor. Si observamos los condensadores veremos
que hay una conexión; polo positivo condensador y masa y otra polo
negativo condensador y masa. El valor de los condensadores depende
de la potencia del motor, el voltaje de su alimentación, etc.
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La carcasa que contiene todos los elementos del motor. Obsérvese
el cojinete antifricción del que hablaremos después y las dos
aletas (hacia dentro) para posicionar los imanes.
Generalmente los motores que solemos montar en nuestros modelos
equipan dos imanes permanentes. La investigación en el campo de los
imanes ha sido imparable, así, de los imanes naturales como la
magnetita utilizados por los chinos en sus “brújulas”, hemos hecho
un gran camino pasando por los imanes de ferrita, los sinterizados,
alnicos compuestos de hierro, níquel, aluminio, cobalto y cobre, en
diferentes proporciones. Los de tierras raras como el samario y el
cobalto, para finalmente, en 1984 en que hizo su aparición un nuevo
compuesto llamado Neodimio, Hierro, Boro que supera las propiedades
magnéticas del samario cobalto a un precio menor, aunque con
algunas limitaciones en cuanto a temperatura y baja resistencia a
la corrosión que se han ido mejorando.
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En la imagen anterior podemos ver los dos imanes que encajan en
las aletas de la carcasa y el muelle que con su fuerza mantiene la
posición. Antes de explicar como funciona nuestro motor vamos a
recordar algunas premisas que se citaban en la primera página.
a) El acero imantado es un imán permanente. Conserva su
propiedad electromagnética. b) El hierro es un imán momentáneo. La
propiedad magnética cesa al cesar el contacto
con un imán o la fuerza electromagnética de una bobina. c) Si
introducimos una barra de hierro en una bobina por la que circula
una corriente
eléctrica, la barra se imanta. Si invertimos la polaridad de la
corriente invertimos los polos de la barra de hierro. Al cesar la
corriente en la bobina cesa el magnetismo en la barra de
hierro.
d) Polos del mismo nombre se repelen, de nombre contrario se
atraen.
La parte exterior de cada figura y marcado con las letras “S y
“N” en grande, representa los imanes permanentes de nuestro motor.
La polaridad de estos imanes permanente siempre es la misma,
permanece fija. En la imagen marcada como “1”, la figura de la
parte central representa el inducido del motor (también llamado
rotor), es lo que da vueltas y proporciona el trabajo útil. A las
bobinas que rodean el núcleo y a través del colector le llega la
corriente, por tanto el núcleo de hierro queda imantado y la
polaridad “N” del rotor queda enfrentada a la polaridad “N” de los
imanes permanentes. Lo mismo sucede con la polaridad “S” Como polos
del mismo nombre se….., el rotor se ve obligado a girar. Al girar,
también gira el colector que va montado en el mismo eje y las
escobillas hacen contacto en otra delga.
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En la figura 2 el rotor ha girado una porción de vuelta y
tenemos enfrentada la polaridad “N” del imán permanente con la
polaridad “S” del rotor y como Polos de nombre contrario…el rotor
sigue girando. Si seguimos la evolución del rotor y el cambio de
polaridad del mismo veremos que este ciclo de rechazo, atracción se
va repitiendo con lo cual el motor, mientras esté alimentado con
una corriente eléctrica no cesará de girar. Isaac Newton, en su ley
de la gravitación universal dice: Dos cuerpos se atraen
proporcionalmente al producto de sus masas e inversamente al
cuadrado de la distancia que los separa. Vamos a poner un ejemplo
muy sencillo. Tenemos una linterna que en el cristal del foco nos
proporciona una cantidad de luz que establecemos en 100, a 2 metros
de distancia la cantidad de luz que recibe un objeto será 100
dividido por el cuadrado de 2 o sea 100 dividido por 4 igual a 25 y
así sucesivamente. Y la fuerza magnética, aunque creo yo que lo
intenta, no puede escapar a esta ley. Y es que Newton es mucho
Newton. Así que si somos capaces de disminuir la distancia entre
los imanes permanentes de nuestro motor y el inducido (rotor), en
cierta forma habremos burlado un poco la ley de la gravitación
universal y nuestro motor tendrá más fuerza. Otra forma de mejorar
nuestro motor consiste en cambiar los cojinetes antifricción por
rodamientos a bola (cojinetes), pero vayamos paso a paso y veamos
cada una de las mejoras que podemos introducir en nuestro
motor.
En primer lugar limpiaremos el colector, lo haremos con mucho
cuidado y con una lija muy fina, del 400 o más. Hemos de tener en
cuenta que las delgas de cobre son muy delgadas y podríamos
arrancar más material del debido con lo cual nuestro motor quedaría
inservible.
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Con el rodar del motor la ranura que separa cada delga se va
llenando de partículas del carbón de las escobillas, que son
conductoras y van perjudicando el rendimiento del motor. Así que
con la punta de un alfiler sacaremos las partículas de carbón,
limpiando la ranura. Con el torno o con el taladro de mano,
tornearemos e igualaremos la superficie del rotor, dejándola lo más
lisa e igualada posible.
Ya tenemos la primera parte de nuestra mejora, vayamos ahora por
la segunda que consistirá en cambiar los cojinetes antifricción por
rodamientos a bola. Para ello adquiriremos unos rodamientos con un
agujero central igual al diámetro del eje de nuestro motor. En las
características técnicas que se dan del motor Permax 60 nos indica
“Arbres Ø3, 2” que quiere decir que el diámetro del eje de salida
es de 3, 2 milímetros. Las otras medidas, diámetro total y banda de
rodadura las tomaremos directamente de los cojinetes antifricción.
Tener en cuenta que generalmente las medidas del cojinete delantero
y trasero no son iguales. Con un taco de madera y un pequeño
martillo golpearemos el cojinete que saldrá sin demasiado esfuerzo
e introduciremos el rodamiento a bolas. Procederemos de igual
manera con la tapa posterior. Y ya tenemos la mitad de la mejora
realizada. Ha continuación, en los imanes permanentes pegaremos
unas tiras de cinta aislante con el objeto de adelantar su posición
y acercarla lo máximo posible al inducido (rotor) probaremos con
una capa o con dos hasta conseguir que rotor e imanes estén lo más
cerca posible pero sin que lleguen a tocarse. Montaremos nuestro
motor y simplemente a “oído” notaremos como “tira” bastante más. En
el próximo trabajo hablaremos de los motores sin escobillas y
haremos una comparativa en cuanto a precios de un conjunto motor -
regulador en un sistema y en el otro.
MOTORES Y HÉLICES II
