Principios del Motor a Explosión

Motor Wankel Principio de Funcionamiento Ciclos o Fases

 Principio de Funcionamiento del Motor Wankel

En todos los motores de combustión interna se produce la energía por la expansión de los gases de combustión, obtenidos en la quema rápida del combustible en aire comprimido. En una turbina de gas, el proceso es continuo. Un flujo constante de aire, comprimido previamente, entra en la cámara de combustión y, simultáneamente, un chorro de combustible penetra en dicha cámara, quemándose en el aire y produciendo un chorro continuo de gases calientes y altamente comprimidos.

Felix Wankel
El hombre que da nombre a este motor, Félix Wankel, nació en Alemania, en 1902. En su juventud, dedicó mucho tiempo a la experimentación, y trabajó en la resolución de muchos problemas matemáticos. Después de la guerra, restableció su taller, y diseñó una pequeña válvula rotatoria para la fábrica N.S.U. La calidad de los cierres de esta válvula, a pesar de estar sometida a todo el calor de los gases de combustión, le hizo pensar en la posibilidad de construir un motor rotatorio, y lo desarrolló en cooperación con la N.S.U.

Éstos se dirigen a las aletas del rotor de una turbina fijada en el eje motriz, que de esta forma gira sin cesar, y los gases ya usados son expulsados a la atmósfera de una forma continua.

En un motor de cilindros, la producción de energía es discontinua, y se deriva de una serie de procesos: aspiración, compresión, encendido y expansión de los gases que son expulsados. Todo ello se verifica en dos vueltas del eje. Por tanto, el eje motriz de un motor de cuatro tiempos, de un solo cilindro, recibe energía solamente durante media vuelta cada dos vueltas, concretamente, durante la fase de expansión.

Durante vuelta y media se toma energía de él, para llevar a cabo los restantes procesos descritos anteriormente. Esto se manifiesta en vibraciones en la rotación del eje motriz, que pueden subsanarse, parcialmente, con un volante pesado, o mayor número de cilindros.

Todos los procesos anteriormente descritos de aspiración, compresión, expansión y expulsión se originan por el movimiento de vaivén, en una línea recta, de un pistón en el interior del cilindro. El movimiento de rotación del eje motriz se consigue acoplándolo al pistón por medio de una biela.

Cuando el pistón se halla en el extremo superior de su recorrido, es decir, pegado a la cabeza del cilindro, queda estacionario. También está así cuando se encuentra en el extremo inferior de su recorrido; o sea, en la parte más alejada de la cabeza del pistón.

Cuando empieza a moverse, se acelera hasta que alcanza su máxima velocidad, en un punto a la mitad de su recorrido. Entonces comienza a disminuir su velocidad hasta que se para en el extremo de su recorrido, repitiendo luego este proceso a la inversa. Todo esto ocurre durante dos movimientos del pistón, uno en cada dirección, por cada revolución del eje motriz.

En un motor con un recorrido de 10 cm., cuando el eje gira a una velocidad de 4.500 r.p.m., el pistón recorre una distancia total de 4.500 x 10 cm. x 2 = 900 m.; una velocidad media de 900 m/min. La velocidad máxima del pistón no es, sin embargo, 1.800 m/min. (900 x 2), como podía esperarse, sino 1.413,6 m/min. Es la velocidad a la que gira el eje.

Esta discrepancia se debe al hecho de que la aceleración es máxima cuando el pistón comienza a moverse a partir del reposo. Esta aceleración decrece a medida que la velocidad real del pistón se incrementa hasta alcanzar el valor máximo (cuando el pistón está a medio camino, a lo largo del cilindro y la biela, está formando un ángulo de 90° con la línea del cilindro); entonces cesa la aceleración y comienza la desaceleración.

La energía que se utiliza para mover el pistón (y partes de unión) miles de veces por minuto, y la necesaria para vencer el rozamiento de los segmentos o aros con las paredes del cilindro, causan una gran pérdida de energía.

ciclos del motor wankel
En un motor clásico de cuatro tiempos hay una serie de piezas móviles, la mayor parte de ellas con movimiento de vaivén. El motor Wankel trabaja según el principio del motor de cuatro tiempos, pero en él no hay piezas con movimiento de vaivén.

De lo dicho anteriormente, se desprende que un motor como el descrito no es el medio más eficaz para convertir en fuerza motriz el calor latente del combustible. De hecho, el rendimiento calorífico de un motor de petróleo, aun funcionando en las mejores condiciones, no es mayor del 25 %. Además, existe el inconveniente de molestias y pérdidas de energía que produce la vibración inherente a todo movimiento de vaivén.

Se han realizado intentos, a lo largo de estos años, para diseñar un motor que produzca energía motriz por un movimiento puro de rotación. La turbina de gas es un buen ejemplo; pero, a pesar de que a plena carga su rendimiento puede llegar a ser del 38 %, cuando no trabaja a plena carga su consumo de combustible sigue siendo elevado; esto es inconveniente cuando se destina a motores que, la mayoría de las veces, funcionan a velocidades muy inferiores a la máxima.

ciclos del motor wankel

En cada vértice del rotor se produce continuamente un cierre, que permite que los gases contenidos en los espacios entre el rotor y la cámara se nueven  con el rotor, desde la entrada hasta la expulsión. Cuando cada vértice del rotor deja abierta la válvula de entrada, penetra la mezcla de combustión y aire (amarillo) ; luego se comprime (naranja); se quema y se expande impulsando el rotor  y los gases son expulsados por el tubo de escape (marrón).

El motor diseñado por el ingeniero alemán Félix Wankel combina los cuatro procesos del motor clásico de cuatro tiempos en un movimiento rotativo, dentro de una cámara diseñada en forma epitrocoide. Tiene la utilidad de eliminar las partes del vaivén de un motor de émbolo, manteniendo la ventaja de permitir una velocidad de rotación baja.

El peso y el tamaño se reducen considerablemente y la vibración es virtualmente eliminada. Se asegura que la producción de energía de un Wankel es de dos a dos veces y media superior a la de uno de pistón de la misma cilindrada.

La parte fundamental de un motor Wankel es una cámara de formato especial, en la que hay un rotor de forma triangular, con los lados curvos. Los tres vértices están en contacto continuo con las paredes de la cámara, formando tres compartimientos estancos,limitados, por una parte, por el rotor y, por otra, por las paredes de la cámara. Cuando el rotor gira dentro de la cámara, giran con él, por tanto, los tres compartimientos, y la distancia entre cada cara del rotor y la pared de la cámara aumenta o disminuye, variando el volumen de cada compartimiento.

Para asegurar el funcionamiento suave y seguro del rotor, éste va provisto de un piñón con 30 dientes, que engranan excéntricamente con los 20 dientes de otro piñón que es concéntrico (es decir, tiene el mismo centro) con el eje motriz. En otras palabras, el rotor gira con el engranaje como lo hace un «huía hoop» alrededor de la cintura.
A. causa del engranaje excéntrico, y puesto que los dos piñones tienen distinto número de dientes, mientras el eje motriz da una vuelta completa, el rotor sólo ha realizado un tercio de su recorrido en el interior de la cámara, es decir, el eje gira a una velocidad tres veces mayor que la del rotor.

Se puede comprender mejor este movimiento si se imagina una manivela, o palanca, en el lugar de la excéntrica, siendo la longitud de la palanca la distancia entre los centros del rotor y del eje. Cuando el rotor se mueve, el espacio comprendido entre cada cara de éste y la pared de la cámara se agranda, o se hace más pequeño, dos veces por cada revolución completa del rotor.

Corte de un Motor Wankel

La primera expansión es la fase de «inducción», cuando la mezcla de aire y combustible entra del carburador. La primera contracción de volumen de la cámara comprime la mezcla. La segunda expansión es la base de producción de energía, cuando la mezcla se quema y, por expansión, mueve el rotor. La segunda contracción expulsa los gases. Estas cuatro fases completan un ciclo, y de nuevo hay un espacio, frente a cada cara del rotor; por lo tanto, hay tres de estos ciclos por cada vuelta completa del rotor, es decir, una por cada vuelta del eje.

Comoquiera que la combustión se realiza, sucesivamente, en una cara distinta del rotor, el incremento del calor es razonablemente bajo, con pequeña o nula dilatación del rotor. El interior del rotor está refrigerado con aceite, y el calor se disipa también a través de los contactos que los vértices del rotor realizan sobre las paredes de la cámara, que están refrigeradas por agua.

El eje lleva una rueda dentada para uniformar la rotación entre las fases productoras de energía, y unos pesos en los extremos, para equilibrar el ligero balanceo del rotor. El encendido y el carburador son similares a los del motor clásico de cuatro tiempos.

Fuente Consultada:
Enciclopedia de la Ciencia y la Tecnología TECNIRAMA Fasc. N°84 (CODEX)

Principio de Funcionamiento de Maquina Termicas Calderas y Turbinas

Funcionamiento de Máquina Térmicas

maquina termica

MÁQUINAS TÉRMICAS. Durante muchos siglos el hombre utilizó la energía térmica para calentarse, sin darse cuenta que ésta podría trabajar para él. Pero este hecho ocurrió en época muy reciente, hace poco menos de 200 años.

La invención de las máquinas térmicas abrió nuevos horizontes, cambiando en pocos años la marcha de la civilización, y contribuyó eficazmente a la revolución industrial, que caracteriza a los siglos XVIII y XIX. Los dispositivos destinados a transformar energía calorífica en energía mecánica se denominan máquinas térmicas, las cuales se pueden clasificar en dos tipos fundamentales: máquinas de vapor, que utilizan el vapor de agua producido por calentamiento, y motores de explosión, que funcionan gracias a la expansión de los gases producidos por la combustión de una mezcla explosiva.

LAS PRIMERAS MAQUINAS DE VAPOR.
En 1712, el inglés Newcomen construyó un dispositivo que transformaba el calor en trabajo, y que guarda un cierto parecido con las máquinas de vapor utilizadas en la actualidad. Estaba constituido por una caldera que mediante un tubo comunicaba con un cilindro vertical, cuyo pistón se unía al brazo de una palanca.

El vapor de la caldera empujaba el pistón hacia arriba, hasta alcanzar la posición superior; en este momento se proyectaba dentro del cilindro un chorro de agua fría, mediante una válvula accionada por la palanca. De este modo, el vapor se enfriaba y condensaba creando un vacío en el interior del cilindro y en la caldera. Entonces la presión de la atmósfera empujaba el pistón hacia abajo.

La máquina de Newcomen presentaba el inconveniente de que en cada carrera del pistón, el agua perdía la temperatura de ebullición, precisando recuperar ésta para que se repitiera el proceso.
Durante más de dos décadas este dispositivo se utilizó para bombear agua de las minas y de los pozos.

La utilización industrial de la máquina de vapor fue llevada a cabo por James Watt, ingeniero escocés, que modificó el dispositivo de Newcomen en el sentido de evitar las pérdidas de calor. Para ello construyó un aparato que llevaba una cámara separada que aspiraba el vapor y donde se condensaba por medio de un sistema de refrigeración. De este modo consiguió disminuir el tiempo de subida y bajada del émbolo y ahorró gran cantidad de combustible, lo que representa una considerable economía.

Hay que notar que estas máquinas no utilizan la presión del vapor, sino que su funcionamiento está basado en el vacío que se origina al condensar el gas que permite actuar a la presión atmosférica y hace descender el émbolo y, por consiguiente, da el impulso necesario para la ascensión.

La necesidad de refrigerar el vapor lleva consigo la utilización de grandes cantidades de agua que hace a la máquina de vapor inaplicable a la tracción. Unos años más tarde, el propio Watt ideó un dispositivo de doble efecto, y a partir de este momento la máquina de vapor fue utilizada para el transporte, construyéndose diversos tipos de vehículos y empleándose, también, para mover los barcos.

Para disminuir el riesgo que supone la elevada presión a que está sometido el vapor de la caldera, Watt ideó un dispositivo, llamado «regulador centrífugo», de cuyo fundamento nos hemos ocupado en páginas anteriores, para evitar posibles explosiones.

LA MÁQUINA DE VAPOR ACTUAL. Modernamente se utilizan dos tipos principales de generadores de vapor.

a) Caldera con tubos de humo, constituida por un haz de tubos de acero colocados en el interior de la caldera, a través de los cuales circulan los productos de la combustión procedentes del hogar.
b) Caldera con tubos de agua, que está provista de numerosos tubos por los que circula el agua de la caldera propiamente dicha, y que son lamidos superficialmente por las llamas y los gases calientes.

En el hogar se quema el combustible, que puede ser carbón, leña, aceites pesados, gas, etc. Cuando se utiliza carbón o leña, el hogar está dividido en dos partes por una parrilla. En la superior están las llamas y en la inferior, o cenicero, se recogen las cenizas procedentes de la combustión.

El vapor producido en la caldera entra en una caja de distribución, provista de una corredera a la que una excéntrica da movimiento de vaivén. Esta corredera distribuye alternativamente el vapor a ambos lados del émbolo, de modo que cuando el vapor penetra por la cara derecha empuja el émbolo hacia la izquierda, mientras el vapor contenido en el otro lado del émbolo escapa por un canal de la izquierda a través de la corredera. De este modo se origina el movimiento de vaivén del émbolo que por medio de un sistema de biela y manivela se transmite a la rueda.

Para obtener un mayor aprovechamiento de la energía calorífica se han ideado asociaciones de cilindros, como en las máquinas tándem o en serie, constituidas por dos cilindros que actúan sobre el mismo eje, o las máquinas compound o en paralelo, en las que los cilindros forman ángulo recto, y mediante unas manivelas actúan sobre un mismo eje.

La asociación también puede ser de más de dos cilindros. Muchas veces el vapor pasa de un cilindro a otro, cuyos diámetros son cada vez mayores, con lo que se producen varias expansiones, por lo que se habla de doble, triple y múltiple expansión.

TURBINAS. Mientras la máquina de vapor es un dispositivo de presión, la turbina es una máquina basada en el flujo del vapor. Obtiene la energía a partir de pequeñas fuerzas que trabajan a gran velocidad.

turbina

La constitución de la turbina de vapor es semejante a la hidráulica, de la que nos hemos ocupado anteriormente, El rodete recibe sobre sus paletas un chorro de vapor a presión dirigido por unos tubos llamados «toberas». El vapor penetra en la turbina y hace girar los discos, luego pasa a baja presión a una segunda cámara donde imprime movimiento a otros discos. A continuación entra en un condensador, donde por medio de un serpentín refrigerado se licúa, para volver de nuevo a la caldera y repetir el proceso.

El rendimiento es mucho mayor que en las máquinas de vapor antes descritas, llamadas de , pistón, por lo que cada día son más utilizadas las turbinas, sobre todo cuando se trata de obtener grandes potencias, como en las locomotoras, barcos, centrales termoeléctricas, etc.

La potencia de las turbinas empleadas en los barcos es muy grande. Para el buque «Queen Mary» se construyó una de 200.000 CV. Los barcos de guerra también van provistos de turbinas que les permiten desarrollar grandes velocidades y tienen la ventaja de ocupar un espacio reducido. La desventaja de este sistema de propulsión es que la turbina no puede girar en sentido contrario, por lo que la nave debe llevar una turbina auxiliar para la marcha atrás.

Principio Fisico del Funcionamiento de un Motor Explosion

Principio Físico del Funcionamiento
De Un Motor Explosión o Combustión Interna

El motor de combustión interna (o motor de explosión) es un mecanismo destinado a transformar la energía calorífica en trabajo. La combustión tiene lugar en el cilindro mismo de la máquina, lo que permite un mayor rendimiento en la transformación.(Tutoriales sobre Mecánica)

El motor de combustión interna fue diseñado a finales del siglo XIX. Su funcionamiento es, en algunos aspectos, similar al de la máquina de vapor: un pistón situado en un cilindro se expande y contrae ejerciendo una fuerza. El líquido introducido dentro del cilindro es un derivado del petróleo al que, a continuación, se prende fuego. Al estar sometido a presión, el combustible no arde normalmente, sino que estalla. Esta explosión empuja el pistón hacia afuera, ejerciendo un trabajo. Posteriormente, entra nuevo combustible en el cilindro y se vuelve a comprimir para empezar de nuevo el ciclo.

Los motores comerciales se fabrican con varios cilindros, ya que este sistema permite obtener más potencia y ofrece menos problemas que los que plantea un motor provisto de un único cilindro de mayor tamaño. En este dispositivo, la posición de los cilindros se calcula para que, en un momento dado, cada uno se halle en un ciclo distinto, uno en admisión, otro en compresión, otro en explosión y otro en escape. De este modo, se obtiene un funcionamiento más estable, sin vibraciones, y en el que cada cilindro, al hacer explosión, ayuda a los demás a moverse.

Los cilindros de un motor pueden estar dispuestos de varias formas, siempre en relación con su número y con las dimensiones del vehículo que deban impulsar. En el motor de los automóviles, se colocan generalmente en línea, si van todos paralelos; en y, si la mitad se halla inclinada en un pequeño ángulo con respecto a la otra mitad; y en Boxer o contrapuestos, si unos se encuentran enfrentados a los otros.

El motor de combustión interna ha sustituido a la gran mayoría de máquinas de vapor debido a sus considerables ventajas. En primer lugar, el aprovechamiento de la energía es mayor. El origen de la energía se sitúa en el interior del cilindro, y no en el exterior como en la máquina de vapor. Por otra parte, no es necesario cargar con grandes cantidades de agua.

Los vapores empleados son los propios del combustible al explosionar. El tamaño del motor se reduce considerablemente y facilita su instalación en vehículos pequeños. Por último, este motor es capaz de realizar en poco tiempo una gran variación de energía, comparado con la máquina de vapor.

Un motor de combustión interna ligero puede pasar en pocos segundos de una posición de reposo a otra en la que proporcione la máxima energía, tardando sólo unos minutos en sistemas de grandes dimensiones, como los barcos. Esta característica lo convierte en el mecanismo ideal para aplicaciones con cambios frecuentes de energía, como puede ser el motor de un automóvil, un tren o un barco.

Clasificación de motores de combustión interna

Existen distintos criterios para clasificar los motores de combustión interna: según el combustible utilizado, el número y la disposición de los cilindros, el tipo y la colocación de las válvulas o el sistema de enfriamiento empleado. La clasificación más frecuente se basa en el tipo de ciclo, es decir, en el número de tiempos por ciclo (entendiendo por tiempo una carrera hacia arriba o hacia abajo del émbolo a lo largo del cilindro).

En el denominado motor de explosión de cuatro tiempos, en cada ciclo de motor (llamado ciclo de Otto) se suceden cuatro tiempos (admisión, compresión, explosión y escape).

Principio Fisico del Funcionamiento de Un Motor Explosion Combustion Interna

En el denominado motor de dos tiempos, cada ciclo de motor consta de sólo dos tiempos, combinándose en uno la admisión y la compresión y en el otro la expulsión y el escape. Estos motores se emplean con gasoil.

Funcionamiento del motor de explosión de cuatro tiempos

El motor de explosión de cuatro tiempos es utilizado en la mayor parte de los automóviles. En su funcionamiento se suceden cuatro tiempos o fases distintas, que se repiten continuamente mientras opera el motor. A cada uno de estos tiempos le corresponde una carrera del pistón y, por tanto, media vuelta del cigüeñal.

En el primer tiempo, llamado de admisión, el pistón se encuentra en el punto muerto superior y empieza a bajar. En ese instante se abre la válvula de admisión, permaneciendo cerrada la de escape. Al ir girando el cigüeñal, el codo va ocupando distintos puntos de su recorrido giratorio, y, por medio de la biela, hace que el pistón vaya bajando y provocando una succión en el carburador a través del conducto que ha abierto la válvula de admisión, arrastrando una cantidad de aire y gasolina, que se mezclan y pulverizan en el carburador.

Estos gases van llenando el espacio vacío que deja el pistón al bajar. Cuando ha llegado al punto muerto inferior, se cierra la válvula de admisión y los gases quedan encerrados en el interior del cilindro. Durante este recorrido del pistón, el cigüeñal ha girado media vuelta.

Al comenzar el segundo tiempo, llamado de compresión, el pistón se encuentra en el punto muerto inferior y las dos válvulas están cerradas. El cigüeñal sigue girando y, por tanto, la biela empuja al pistón, que sube. Los gases que hay en el interior del cilindro van ocupando un espacio cada vez más reducido a medida que el pistón se acerca al punto muerto superior. Cuando alcanza este nivel, los gases ocupan el espacio de la cámara de compresión y, por tanto, están comprimidos y calientes por efecto de la compresión. Al elevarse la temperatura, se consigue la vaporización de la gasolina y la mezcla se hace más homogénea, por lo que existe un contacto más próximo entre la gasolina y el aire. Durante esta nueva carrera del pistón, el cigüeñal ha girado otra media vuelta.

El tercer tiempo es el llamado de explosión. Cuando el pistón se encuentra en el punto muerto superior después de acabada la carrera de compresión, salta una chispa en la bujía, que inflama la mezcla de aire y gasolina ya comprimida y caliente, la cual se quema rápidamente. Esta combustión rápida recibe el nombre de explosión y provoca una expansión de los gases ya quemados, que ejercen una fuerte presión sobre el pistón, empujándolo desde el punto muerto superior hasta el inferior. A medida que el pistón se acerca al punto muerto inferior, la presión va siendo menor, al ocupar los gases un mayor espacio.

En este nuevo tiempo, el pistón ha recibido un fuerte impulso, que transmite al cigüeñal, que por inercia seguirá girando hasta recibir un nuevo impulso. Cuando el pistón llega al punto muerto inferior, se abre la válvula de escape, y permanece cerrada la de admisión. Durante esta nueva carrera del pistón, denominada motriz por ser la única en que se desarrolla trabajo, el cigüeñal ha girado otra media vuelta.

Al comenzar el cuarto tiempo, llamado de escape, el pistón se encuentra en el punto muerto inferior, y la válvula de escape se ha abierto, por lo que los gases quemados en el interior del cilindro escaparán rápidamente al exterior a través de ella, por estar sometidos a mayor presión que la atmosférica. El cigüeñal sigue girando y hace subir al pistón, que expulsa los gases quemados al exterior. Cuando llega al punto muerto superior, se cierra la válvula de escape y se abre la de admisión. Durante el tiempo de escape, el pistón ha realizado una nueva carrera y el cigüeñal ha girado otra media vuelta. Acabado el tiempo de escape, el ciclo se repite.

Como ha quedado expuesto, las válvulas se abren y cierran coincidiendo con el paso del pistón por el punto muerto superior e inferior. Para conseguir un mayor rendimiento en los motores, se hace que las válvulas se abran y cierren con un cierto adelanto o retraso respecto a los momentos indicados. Son las llamadas cotas de la distribución, cuyos valores son determinados por el fabricante y calculados para que el motor desarrolle la máxima potencia.

ciclo del motor a explosion

Motor Wankel

El motor Wankel posee una forma especial de la cámara de combustión del pistón que permite un mejor aprovechamiento de la potencia obtenida

Principio Fisico del Funcionamiento de Un Motor Explosion Combustion InternaEn un motor tradicional, el pistón sube y baja verticalmente y un eje unido a ése encarga de transformar dicho movimiento en otro vertical que se transmite al cigüeñal. Este movimiento vertical del pistón tiene inconvenientes.

El primero consiste en que los bruscos cambios de dirección, de abajo hacia arriba y viceversa fatigan el metal y provocan una rotura anticipada Otro problema es que la transferencia de energía es ineficiente y parte se pierde en mover el pistón verticalmente sin invertirse en girar el cigüeñal.

El motor Wankel fue diseñado para que la fuerza de la explosión se empleara íntegramente en mover el cigüeñal y para que utilizara menos partes móviles. Consta de una cavidad curva que es la cámara de combustión  Dentro de ella se halla el pistón, que tiene forma de triángulo con los bordes cóncavos. La parte interior de dicho pistón tiene una circunferencia dentada que va unida a un engranaje del cigüeñal.

Al ir girando el pistón en la cavidad, toma el combustible en un punto y lo comprime hasta llegar a un segundo Punto en el que se produce la explosión Siguiendo con el giro, llega al área de expulsión de gases al exterior, ya Continuación vuelve a admitir combustible Se puede Considerar por tanto como un motor de explosión de cuatro tiempos.

Dado que el pistón tiene forma triangular, puede entenderse como si fueran tres Pistones Separados, cada uno en una fase cada vez. La energía se emplea en mover circularmente el Pistón y los cambios bruscos de movimiento se reducen en gran medida.

Con este motor se ha llegado, incluso, a doblar la Potencia de un motor normal, pero problemas de diseño y de desgaste, en especial de las esquinas del pistón que rozaban con la pared de la cámara han impedido su difusión a gran escala.

Haciendo ahora un poco de historia, podemos decir que la historia del motor de explosión de gasolina es la siguiente:

Primer motor de explosión de cuatro tiempos: Otto y Rochas (1861-1862).
Primer motor de explosión comercial: Otto (1876).
Primer automóvil con motor de explosión: Marcus (1875).
Primer motor comercial útil, aplicable a vehículos: Daimler y Maybach (1885, aproximadamente).
Primer automóvil moderno: «Mercedes» de Maybach  (1900)

Ampliar la historia desde aquí

Ver: Funcionamiento Motor Eléctrico

Ver:  Resumen Historia La Patente de Selden

 

Principios fisicos del funcionamiento del motor electrico Descripcion

Principio Físico del Funcionamiento
De Un Motor Eléctrico

Los motores eléctricos son máquinas eléctricas rotatorias que transforman la energía eléctrica en energía mecánica.

Debido a sus múltiples ventajas, entre las que cabe citar su economía, limpieza, comodidad y seguridad de funcionamiento, el motor eléctrico ha reemplazado en gran parte a otras fuentes de energía, tanto en la industria como en el transporte, las minas, el comercio, o el hogar.

Podemos decir que son unos dispositivos rotativos que incluyen, como los generadores eléctricos, dos armaduras ferromagnéticas cilindricas coaxiales, una fija (estator) y la otra móvil (rotor), separadas por un entrehierro.

motor electrico

Los motores eléctricos satisfacen una amplia gama de necesidades de servicio, desde arrancar, acelerar, mover, o frenar, hasta sostener y detener una carga.

Estos motores se fabrican en potencias que varían desde una pequeña fracción de caballo de fuerza  hasta varios miles, y con una amplia variedad de velocidades, que pueden ser fijas, ajustables o variables.

Un motor eléctrico contiene un número mucho más pequeño de piezas mecánicas que un motor de combustión interna o uno de una máquina de vapor, por lo que es menos propenso a los fallos.

Los motores eléctricos son los más ágiles de todos en lo que respecta a variación de potencia y pueden pasar instantáneamente desde la posición de reposo a la de funcionamiento al máximo.

Su tamaño es más reducido y pueden desarrollarse sistemas para manejar las ruedas desde un único motor, como en los automóviles.

El inconveniente es que las baterías son los únicos sistemas de almacenamiento de electricidad, y ocupan mucho espacio.

Además, cuando se gastan, necesitan varias horas para recargarse antes de poder funcionar otra vez, mientras que en el caso de un motor de combustión interna basta sólo con llenar el depósito de combustible.

Este problema se soluciona, en el ferrocarril, tendiendo un cable por encima de la vía, que va conectado a las plantas de generación de energía eléctrica.

La locomotora obtiene la corriente del cable por medio de una pieza metálica llamada patín. Así, los sistemas de almacenamiento de electricidad no son necesarios.

Cuando no es posible o no resulta rentable tender la línea eléctrica, para encontrar una solución al problema del almacenamiento de la energía se utilizan sistemas combinados, que consisten en el uso de un motor de combustión interna o uno de máquina de vapor conectado a un generador eléctrico.

Este generador proporciona energía a los motores eléctricos situados en las ruedas.

Estos sistemas, dada su facilidad de control, son ampliamente utilizados no sólo en locomotoras, sino también en barcos.

El uso de los motores eléctricos se ha generalizado a todos los campos de la actividad humana desde que sustituyeran en la mayoría de sus aplicaciones a las máquinas de vapor.

Existen motores eléctricos de las más variadas dimensiones, desde los pequeños motores fraccionarios empleados en pequeños instrumentos hasta potentes sistemas que generan miles de caballos de fuerza, como los de las grandes locomotoras eléctricas

En cuanto a los tipos de motores eléctricos genéricamente se distinguen motores monofásicos, que Contienen un juego simple de bobinas en el estator, y polifásicos, que mantienen dos, tres o más conjuntos de bobinas dispuestas en círculo.

Según la naturaleza de la corriente eléctrica transformada, los motores eléctricos se clasifican en motores de corriente continua, también denominada directa, motores de corriente alterna, que, a su vez, se agrupan, según su sistema de funcionamiento, en motores de inducción, motores sincrónicos y motores de colector.

Tanto unos como otros disponen de todos los elementos comunes a las máquinas rotativas electromagnéticas

Motores de corriente continua

La conversión de energía en un motor eléctrico se debe a la interacción entre una corriente eléctrica y un campo magnético.

Un campo magnético, que se forma entre los dos polos opuestos de un imán, es una región donde se ejerce una fuerza sobre determinados metales o sobre otros campos magnético.

Un motor eléctrico aprovecha este tipo de fuerza para hacer girar un eje, transformándose así la energía eléctrica en movimiento mecánico.

Los dos componentes básicos de todo motor eléctrico son el rotor y el estator. El rotor es una pieza giratoria, un electroimán móvil, con varios salientes laterales, que llevan cada uno a su alrededor un bobinado por el que pasa la corriente eléctrica.

El estator, situado alrededor del rotor, es un electroimán fijo, cubierto con un aislante.

Al igual que el rotor, dispone de una serie de salientes con bobinados eléctricos por los que circula la corriente.

Cuando se introduce una espira de hilo de cobre en un campo magnético y se conecta a una batería, la corriente pasa en un sentido por uno de sus lados y en sentido contrario por el lado opuesto.

Así, sobre los dos lados de la espira se ejerce una fuerza, en uno de ellos hacia arriba y en el otro hacia abajo.

Sí la espira de hilo va montada sobre el eje metálico, empieza a dar vueltas hasta alcanzar la posición vertical.

Entonces, en esta posición, cada uno de los hilos se encuentra situado en el medio entre los dos polos, y la espira queda retenida.

Para que la espira siga girando después de alcanzar la posición vertical, es necesario invertir el sentido de circulación de la corriente.

Para conseguirlo, se emplea un conmutador o colector, que en el motor eléctrico más simple, el motor de corriente continua, está formado por dos chapas de metal con forma de media luna, que se sitúan sin tocarse, como las dos mitades de un anillo, y que se denominan delgas.

Los dos extremos de la espira se conectan a las dos medias lunas.

Dos conexiones fijas, unidas al bastidor del motor y llamadas escobillas, hacen contacto con cada una de las delgas del colector, de forma que, al girar la armadura, las escobillas contactan primero con una delga y después con la otra.

Cuando la corriente eléctrica pasa por el circuito, la armadura empieza a girar y la rotación dura hasta que la espira alcanza la posición vertical.

Al girar las delgas del colector con la espira, cada media vuelta se invierte el sentido de circulación de la corriente eléctrica.

Esto quiere decir que la parte de la espira que hasta ese momento recibía la fuerza hacia arriba, ahora la recibe hacia abajo, y la otra parte al contrario. De esta manera la espira realiza otra media vuelta y el proceso se repite mientras gira la armadura.

El esquema descrito corresponde a un motor de corriente continua, el más simple dentro de los motores eléctricos, pero que reúne los principios fundamentales de este tipo de motores.

Motores de corriente alterna

Los motores de corriente alterna tienen una estructura similar, con pequeñas variaciones en la fabricación de los bobinados y del conmutador del rotor.

Se dividen en dos familias: los motores asincronos y los motores síncronos.

Su funcionamiento se basa en la noción de campo electromagnético giratorio. Dicho campo lo crean unas bobinas, que hacen de imanes, arrolladas en unas ranuras situadas en la periferia del estator y alimentadas con corriente alterna.

En un motor asincrono, el bobinado del rotor es polifásico (devanado o jaula de ardilla) y no está conectado a ninguna fuente de energía. Bajo la acción del campo magnético del estator, aparecen en el rotor unas corrientes inducidas y unas fuerzas de rotación. Un motor asincrono puede crear un par cualquiera que sea su velocidad de rotación, incluso durante el arranque.

En un motor síncrono, el campo magnético lo crea en el rotor un electroimán alimentado con corriente continua.

El motor síncrono posee una sola velocidad de rotación, igual al cociente entre la frecuencia de la corriente y el número de pares de polos del estator. Su defecto reside en su incapacidad para arrancar por sí mismo.

Los motores síncronos y asincronos han presentado durante mucho tiempo problemas relacionados con su funcionamiento a velocidad variable.

Los avances realizados en el terreno de los dispositivos a base de semiconductores permiten alimentar los motores por medio de cambios de frecuencia y onduladores de frecuencia variable.

Motores de asincrónico (o de inducción):

El motor de inducción no necesita escobillas ni colector. Su armadura es de placas de metal magnetizable.

El sentido alterno de circulación, de la corriente en las espiras del estator genera un campo magnético giratorio que arrastra las placas de metal magnetizable, y las hace girar.

El motor de inducción es el motor de corriente alterna más utilizado, debido a su fortaleza y sencillez de construcción, buen rendimiento y bajo coste así como a la ausencia de colector y al hecho de que sus características de funcionamiento se adaptan bien a una marcha a velocidad constante.

motor asincronico corte

Los motores asincronos trifásicos se utilizan para accionar muchas máquinas industriales.

Este tipo de motor se impone en razón de su bajo coste, de su solidez y de su facilidad de mantenimiento. Gracias al convertidor de frecuencia, que permite hacer variar su velocidad de rotación, compite directamente con el motor de corriente continua.

Motores sincrónicos

Los motores sincrónicos funcionan a una velocidad sincrónica fija proporcional a la frecuencia de la corriente alterna aplicada. Su construcción es semejante a la de los alternadores.

Cuando un motor sincrónico funciona a potencia constante y sobreexcitado, la corriente absorbida por éste presenta, respecto a la tensión aplicada un ángulo de desfase en avance que aumenta con la corriente de excitación.

Esta propiedad es la que ha mantenido la utilización del motor sincrónico en el campo industrial, pese a ser el motor de inducción más simple, más económico y de cómodo arranque, ya que con un motor sincrónico se puede compensar un bajo factor de potencia en la instalación al suministrar aquél la corriente reactiva, de igual manera que un Condensador conectado a la red.

Motores de colector: El problema de la regulación de la velocidad en los motores de corriente alterna y la mejora del factor de potencia han sido resueltos de manera adecuada con los motores de corriente alterna de colector.

Según el número de fases de las comentes alternas para los que están concebidos los motores de colector se clasifican en monofásicos y Polifásicos, siendo los primeros los más utilizados.

Los motores monofásicos de colector más Utilizados son los motores serie y los motores de repulsión.

Funcionamiento Motor a Explosión

VIDEO DE UN MOTOR A INDUCCION

Fuente Consultadas:
Gran Enciclopedia Universal de Espasa Calpe Tomo 27,
Revista Tecnirama N°52
Reparación de Motores Eléctricos de Martínez Domínguez