El motor elèctric representa un dels avenços més significatius a la història de l'enginyeria elèctrica. Aquesta màquina electrotècnica converteix lenergia elèctrica en energia mecànica, desencadenant el moviment de diversos dispositius i maquinàries. El seu funcionament és essencialment l'oposat al generador elèctric, que converteix l'energia mecànica en energia elèctrica.
El concepte del motor elèctric es va consolidar gràcies a les troballes fonamentals de pioners com Franz Ernst Neumann i James Clerk Maxwell els anys 1841 i 1873, respectivament. Aquests científics van establir les bases teòriques que van permetre el desenvolupament i l'aplicació pràctica dels motors elèctrics a diverses indústries i àmbits de la vida quotidiana.
Des de llavors, els motors elèctrics han revolucionat la manera com interactuem amb la tecnologia moderna, impulsant una àmplia gamma de dispositius i sistemes, des d'electrodomèstics fins a maquinària industrial de gran escala. La seva versatilitat i eficiència els converteixen en elements indispensables a l'era de l'electrificació, contribuint al progrés i la innovació a tot el món.
Tipus de motors elèctrics
Els motors elèctrics es categoritzen principalment segons el tipus de corrent elèctric que utilitzen:
1. Motors de corrent continu (CC)
Els motors de corrent continu utilitzen una font dalimentació de corrent continu per al seu funcionament. Aquests motors són àmpliament utilitzats en una varietat d'aplicacions per la seva capacitat per oferir un control precís de la velocitat i el parell motor.
Dins aquesta categoria, es poden trobar el motor d'inducció permanent, que utilitza imants permanents al rotor, i el motor d'inducció controlada, que permet variar la velocitat de manera controlada.
2. Motors de corrent altern (CA)
Els motors de corrent altern són alimentats per una font de corrent altern. Aquests motors són extremadament comuns en moltes aplicacions industrials i domèstiques a causa de la seva simplicitat de disseny i baix cost. Aquest tipus de motor és el més utilitzat en vehicles elèctrics, específicament el motor d'imants permanents síncron de corrent altern.
Els motors de corrent altern poden subdividir-se en diverses categories, incloent:
- Motor universal: Aquest tipus de motor pot funcionar tant amb corrent continu com amb corrent altern. Es caracteritzen per la seva alta velocitat i capacitat per proporcionar un alt parell motor.
- Motor síncron: En aquest tipus de motor, la velocitat del rotor està sincronitzada amb la freqüència del corrent altern subministrat. S'utilitzen en aplicacions que requereixen una velocitat constant i precisa destacant-ne l'ús en cotxes elèctrics.
- Motor asíncron (Inducció): També conegut com a motor d'inducció, aquest tipus de motor és el més comunament utilitzat en aplicacions industrials i comercials a causa del seu baix cost i la seva robustesa.
A més d'aquestes classificacions més tradicionals, han sorgit motors més moderns que aborden necessitats específiques en diverses aplicacions, com ara els motors pas a pas, que s'utilitzen en sistemes de posicionament i control de precisió, i els motors lineals, que ofereixen moviment lineal directe a lloc de rotatiu.
Com funciona un motor elèctric?
El funcionament d'un motor elèctric varia segons el tipus de motor de què formen part.
Funcionament d'un motor de corrent continu amb inducció permanent
El motor de corrent continu és el motor més senzill. Anant de l'exterior del motor cap a l'interior trobem:
- La carcassa o càrter, que té un sistema de fixació a la bancada o xassís. Al càrter hi ha un conjunt anomenat estator o inductor que està format per un suport de xapes i uns imants o electroimants.
- El rotor, format per un nucli de xapes sobre un eix que ho suporta tot. L'eix està envoltat per una sèrie de bobinats que estan connectats a les primes del col·lector. A través de les primes del col·lector es rep el corrent elèctric. Tot això està suportat pels coixinets als extrems del càrter.
- A un costat de l'eix hi ha la corriola. La corriola és una corona dentada o acoblament que transmet l'energia mecànica per ser aprofitada.
Quan es fa arribar el corrent a través de les escombretes al col·lector, es fa passar un corrent elèctric pels conductors de les bobines, que per la regla de la mà esquerra (recordar que estan submergits al camp de l'estator), crea una força lateral, i la suma de totes ens dóna el parell que fa girar el conjunt rotor o motor. Per mitjà del col·lector, es va donant corrent a les bobines adequades perquè aquest parell sigui el més fort possible. Són els motors que hi ha en aparells que són moguts per piles o bateries.
Motor de corrent continu amb inducció variable i corrent altern universal
És el mateix que el motor amb inducció permanent, però en aquest cas el que produeix el camp són unes bobines que treballen com un electroimant, i estan connectades al rotor en sèrie o paral·lel. Aquest motor també treballa amb corrent altern monofàsic. L'exemple més comú són els motors dels electrodomèstics normals.
Motor elèctric de corrent altern asíncron
En un motor asíncron, a l'estator hi ha tres grups de bobinats. Aquests bobinats es corresponen amb les tres fases del corrent altern comercial, i el rotor en comptes del col·lector, porta tres anells, que estan connectats als bobinats del rotor. Aquest tipus de motor elèctric funciona pel mateix principi, encara que a causa del desplaçament entre fases, es produeix un camp rotatori, que en certa manera arrossega el rotor.
Un cas particular molt utilitzat és el motor gàbia d'esquirol, ja que és un motor molt senzill. En què les primes i bobinats del rotor, són substituïts per unes varetes amb uns anells als extrems ajuntant les varetes, d'aquí el seu nom.
Als motors de corrent altern asíncrons es poden connectar els bobinats de dues maneres: En estrella, quan un extrem de les bobines és comú i l'altre connectat a cadascuna de les fases. L'altre és en triangle, quan els extrems de les bobines van connectades entre si i en una fase. L'intercanvi de dues fases provoca inversió del sentit de gir.
És el motor més comunament emprat a la indústria, amb el sistema d'arrencada estrella triangle.
Motor elèctric de corrent altern síncron
El motor síncron s'anomena així perquè la velocitat de gir està relacionada amb la freqüència del corrent d'alimentació. Aquesta característica és deguda al fet que el rotor és alimentat amb corrent continu, i és arrossegat pel camp giratori que produeix les bobines de l'estator.
Normalment aquest motor de corrent altern porta una dinamo acoblada al mateix eix motor per alimentar el rotor. Com que varia la velocitat amb la freqüència i que permet fixar el parell motor amb un mínim consum, mitjançant ser acoblats a un oscil·lador es pot variar molt fàcilment la seva velocitat, i per tant s'utilitza en sistemes de tracció (AVE-TGV).
Motor pas a pas
El motor pas a pas està alimentat amb corrent continu, i el rotor conté una sèrie d'imants permanents, que són arrossegats per les bobines de l'estator, governades per una electrònica de potència, determinant l'angle de gir, els que tenen comandament proporcional , són extremadament precisos a l'angle de gir, o posició. Aquests motors es fan servir molt en els servos de moviment de les màquines de control numèric, o en els motors de lectura / escriptura dels discs durs dordinador.
Motor lineal
De manera bàsica, un motor lineal és un motor asíncron que s'ha desenvolupat, per la qual cosa en comptes de crear un parell giratori, crea un desplaçament lineal pel desplaçament de les fases. Aquests motors es divideixen en dos grans grups:
- Els d'acceleració lenta que es fan servir en transport Sky Train, Maglev, etc.
- D'acceleració ràpida utilitzats en armes com el canó magnètic i artefactes espacials.
Dins la mateixa categoria hi ha les bombes electromagnètiques d'inducció que permeten circular a fluids conductors. Les primeres proves es van fer amb mercuri, després amb una barreja de sodi i potassi, en vista de la circulació de sodi per a la refrigeració en algunes centrals nuclears.
Eficiència i rendiment
L'eficiència i el rendiment dels motors elèctrics són aspectes crítics que impacten en la seva aplicabilitat, els costos operatius i la seva empremta ambiental. Tot seguit, s'examinen els conceptes clau relacionats amb l'eficiència i el rendiment d'aquests motors:
- Leficiència energètica es defineix com la relació entre la potència de sortida útil i la potència dentrada elèctrica, determinant la capacitat del motor per convertir energia elèctrica en treball mecànic. Els motors moderns es dissenyen per aconseguir alts nivells deficiència reduint el consum denergia.
- Tot i avenços en disseny, els motors encara pateixen pèrdues , incloent resistència elèctrica en els debanats (pèrdues en el coure), histèresi i corrents de Foucault en materials magnètics, pèrdues mecàniques per fricció i càrregues inercials, així com pèrdues en rodaments. La minimització daquestes pèrdues és essencial per millorar leficiència.
- La corba d'eficiència mostra que els motors assoleixen el punt òptim a prop de la càrrega nominal, disminuint la seva eficiència a càrregues més baixes o més altes.
Els fabricants estan en constant recerca de millores en leficiència , com lús de materials conductors dalta puresa, disseny aerodinàmic de rotors i estators, i tecnologies de control avançades per optimitzar el rendiment en temps real.
D'altra banda, per impulsar l'adopció de motors més eficients moltes regions han establert normatives i estàndards que imposen requisits mínims d'eficiència. Aquestes regulacions, com les classificacions d‟eficiència energètica de l‟EPA i la Comissió Europea, fomenten l‟adopció de tecnologies més eficients, contribuint a la reducció del consum d‟energia i les emissions de carboni.
Història dels motors elèctrics
El 1821, arran del descobriment del fenomen de l'electromagnetisme pel químic danès Hans Christian Ørsted, el físic anglès Michael Faraday va construir dos aparells per produir el que va anomenar una rotació electromagnètica. Aquests aparells consisteixen amb el moviment circular continu d‟un camp magnètic al voltant d‟un fil. En fer la demostració, la primera descripció va ser la del motor elèctric actual, de corrent altern, ho va patentar el 1887 el físic serbi Nikola Tesla.
El 1822, Peter Barlow va crear la roda de Barlow. La roda de Barlow és un giny que consisteix en un disc metàl·lic tallat en estrella, les extremitats de l'estrella estan submergides en un entreferro que conté mercuri. La funció del mercuri és assegurar el pas del corrent.
El primer commutador utilitzable va ser inventat el 1832 per William Sturgeon. Més tard, el 1834, el Sr. Thomas Davenport va fabricar un motor de corrent continu amb aquest invent. El motor de corrent continu va ser patentat el 1837. L'elevat cost de les bateries no va permetre que aquests motors elèctrics tinguessin un important èxit inicial.
No es té gaire clar qui és el pare de les màquines asíncrones. Aquest títol se'l disputen tres inventors: Nikola Tesla, Galileu Ferraris i Michail Ossipowitsch.
El 1887 el físic Nikola Tesla va presentar una patent sobre la màquina asíncrona. A l'any següent va presentar 5 patents més de màquina elèctrica asíncrona. Mentrestant, Galileu Ferraris publicava els tractats sobre les màquines giratòries.
El 1885 Ferraris publica un experiment i, posteriorment, publica una teoria sobre el motor asíncrona a l'abril de 1888. Finalment, el 1889 un electricista alemany d'origen rus anomenat Michail Ossipowitsch Doliwo-Dobrowolski inventa el primer motor asíncron de corrent trifàsic de gàbia . Aquest darrer motor elèctric va ser construït industrialment a partir de 1891.
