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UNIVERSIDAD VERACUZANA
FACULTAD DE INGENIERIA
MECANICA ELECTRICA
METODOLOGIA DE DISEO Y MANUFACTUA DE SISTEMAS AISLANTES PARA
MAQUINAS ELECTRICAS ROTATIVAS
DE CA HASTA 7000 V.
T E S I N A
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:
INGENIERO MACANICO ELECTRICISTA
P R E S E N T A N:
POZA RICA, VER. 2002
JOSE LUIS SANTIAGO RAMIREZ
JOSE ALFREDO RAMIREZ CELIS
MORGADO VALLES MARCO VINICIO
DIRECTOR DE TESIS:
ING. CESAR IGNACIO VALENCIA GUTIERREZ
METODOLOGA DE DISEO Y MANUFACTURA DE SISTEMAS AISLANTES PARA MER DE CA HASTA 7000 V
I N D I C E
CAPITULO I Justificacin ------------------------------------------------------------------------------------------- ii Naturaleza, Sentido, y Alcance del Trabajo -------------------------------------------------- Iii Enunciacin -------------------------------------------------------------------------------------------- Iv Explicacin de la estructura del trabajo ------------------------------------------------------- V CAPITULO II Marco contextual -------------------------------------------------------------------------------------- 2 Planteamiento del problema ---------------------------------------------------------------------- 4 Marco terico ------------------------------------------------------------------------------------------- 5 1 Construccin de M. E. R. de cd --------------------------------------------------------------- 5 1.1 Construccin mecnica ----------------------------------------------------------------------- 5 1.1.1 Carcasa ------------------------------------------------------------------------------- 5 1.1.2 Polos del campo ------------------------------------------------------------------- 7 1.1.3 Estructura de la armadura ------------------------------------------------------- 8 1.1.4 Bobinas del devanado de la armadura ------------------------------------- 8 1.1.5 Cojinetes de la flecha de la armadura -------------------------------------- 9 1.1.6 Estructura de los extremos de campana ---------------------------------- 9 1.1.7 Bobinas de campo ---------------------------------------------------------------- 9 1.2 Devanados ---------------------------------------------------------------------------------------- 9 1.2.1 Tipos de devanado --------------------------------------------------------------- 10 1.2.1.1 Devanados traslapados ------------------------------------------- 11 1.2.1.2 Devanados ondulados --------------------------------------------- 11 1.2.1.3 Devanado tipo ancas de rana y conexiones
equipotenciales -------------------------------------------------------
11 1.3 Conmutador --------------------------------------------------------------------------------------- 13 1.3.1 Campos de conmutacin -------------------------------------------------------- 14 1.3.2 Devanados de compensacin ------------------------------------------------- 14 1.3.3 Escobillas ---------------------------------------------------------------------------- 14 1.3.4 Porta escobillas -------------------------------------------------------------------- 15 1.3.5 Espaciamiento de las escobillas --------------------------------------------- 16 1.3.6 Posicin neutra de las escobillas -------------------------------------------- 16 1.4 Reaccin y Reactancia de la Armadura ------------------------------------------------- 17 1.4.1 Reaccin de la armadura -------------------------------------------------------- 17 1.4.2 Reactancia de la armadura------------------------------------------------------- 19 1.4.3 Efecto de cortocircuito de las escobillas ---------------------------------- 19 1.5 El circuito magntico -------------------------------------------------------------------------- 20 1.5.1 Anlisis simplificado de un circuito magntico ------------------------ 24 1.6 Construcciones especiales ------------------------------------------------------------------ 29 1.6.1 Motores sin ncleo ---------------------------------------------------------------- 29 1.6.2 Rotores de disco o de circuito impreso ----------------------------------- 29 1.6.3 Motores enlatados ---------------------------------------------------------------- 31
1.6.4 Motores sin escobillas ----------------------------------------------------------- 32 2 Construccin fsica de mquinas de corriente alterna ----------------------------- 32 2.1 Construccin mecnica ----------------------------------------------------------------------- 32 2.2 Devanados del alternador -------------------------------------------------------------------- 33 2.2.1 Encordado de los devanados ------------------------------------------------ 33 2.2.2 Conexiones de grupos de bobinas ------------------------------------------ 35 2.2.3 Distribucin de los devanados ----------------------------------------------- 36 2.3 Armadura fija o estator ------------------------------------------------------------------------ 37 2.3.1 Estructura del campo giratorio ----------------------------------------------- 40 2.4 Relaciones de voltaje -------------------------------------------------------------------------- 41 2.4.1 Frmula bsica de generacin de voltaje -------------------------------- 42 2.4.2 Paso de devanados ---------------------------------------------------------------- 44 2.4.3 Distribucin de los devanados ----------------------------------------------- 45 2.5 Alternador sncrono ---------------------------------------------------------------------------- 47 3 Sistemas de aislamiento para mquinas elctricas rotativas (MER) ---------- 50 3.1 Breve historia de diseo de aislamiento para MER --------------------------------- 50 3.2 Requerimientos del sistema ----------------------------------------------------------------- 51 3.3 Envolventes y cintas de mica --------------------------------------------------------------- 54 4 Calificacin de sistemas aislantes -------------------------------------------------------- 55 4.1 Pruebas de bobinas ---------------------------------------------------------------------------- 55 4.2 Requerimientos de prueba para calificacin de sistemas aislantes ----------- 57 5 Tratamiento del devanado de estator de MER de ca ------------------------------- 61 5.1 Proceso VPI -------------------------------------------------------------------------------------- 61 5.2 Ciclo VPI ------------------------------------------------------------------------------------------ 62 5.3 Consideraciones especiales del proceso VPI ---------------------------------------- 63 5.3.1 Calidad de la resina, estabilidad --------------------------------------------- 63 5.3.2 Huecos -------------------------------------------------------------------------------- 64 5.3.3 Impregnacin ----------------------------------------------------------------------- 65 5.4 Barnices aislantes ----------------------------------------------------------------------------- 65 6 Diseo de aislamiento de la bobina de estator de ca ------------------------------ 66 6.1 Diseo de aislamiento a tierra -------------------------------------------------------------- 66 6.2 Diseo de aislamiento del subconductor y la vuelta ------------------------------- 67 6.3 Tolerancias de aislamiento ------------------------------------------------------------------ 72 7 Descripcin del diseo de la bobina de estator de ca ------------------------------ 74 7.1 Descripcin de las partes de bobinas --------------------------------------------------- 74 7.2 Parmetros relacionados con el diseo de la mquina ---------------------------- 75 7.3 Parmetros relacionados con el diseo de bobina --------------------------------- 79 8 Manufactura de la bobina de estator ----------------------------------------------------- 89 8.1 Devanador ----------------------------------------------------------------------------------------- 89 8.2 Expansin o formado de bobina ----------------------------------------------------------- 92 8.3 Curado de las partes rectas para unin de subconductores --------------------- 95 8.4 Aislamiento de la terminal ------------------------------------------------------------------- 96 8.5 Aislamiento a tierra ---------------------------------------------------------------------------- 97 8.6 Cinta de proteccin --------------------------------------------------------------------------- 99 8.7 Impregnacin (Bobinas pre-impregnadas) ------------------------------------------- 99 8.8 Tratamiento de la superficie exterior del aislamiento (Bobinas de alto
voltaje). -------------------------------------------------------------------------------------------
100 8.9 Ejemplo de diseo de la bobina de estator ------------------------------------------- 101 9 Aislamiento utilizado durante el devanado del ncleo del estator de ca --- 109
9.1 Arreglo del devanado del ncleo de estator ----------------------------------------- 109 9.2 Bobinas del devanado ----------------------------------------------------------------------- 109 9.3 Separadores y acuamiento --------------------------------------------------------------- 111 9.4 Aislamiento de conexiones serie y de conexiones de grupo ------------------ 112 9.5 Instalacin de las terminales y anillos paralelos ----------------------------------- 114 9.6 Instalacin del sistema de soporte de la bobina ------------------------------------ 115 10 Tolerancias de aislamiento ----------------------------------------------------------------- 121 11 Capacidades, seleccin y mantenimiento de las M. E. R. ----------------------- 126 11.1 Factores que afectan la capacidad de las mquinas ----------------------------- 127 11.1.1 Informacin de Placa ------------------------------------------------------------ 128 11.2 Elevacin de temperatura y norma de temperatura ambiente ----------------- 129 11.2.1 Temperaturas lmite de los materiales aislantes ------------------------ 130 11.2.2 Influencia de la temperatura en la vida de la maquinaria elctrica 132 11.3 Voltajes Nominales --------------------------------------------------------------------------- 135 11.4 Efecto del ciclo de trabajo y la temperatura ambiente sobre el tamao del
armazn y la capacidad ---------------------------------------------------------------------
135 11.4.1 Efecto del ciclo de trabajo sobre la potencia RMS -------------------- 137 11.4.2 Efecto de la temperatura ambiente sobre el tamao de armazn y
la capacidad -------------------------------------------------------------------------
139 11.4.3 Tipos de envolventes (Carcasas) ------------------------------------------- 139 11.5 Velocidad nominal: clasificaciones de velocidad y reversibilidad ----------- 141 11.6 Otros factores que afectan a la seleccin de la dinamo de cd o ca ---------- 144 11.7 Caractersticas de la carga para la seleccin de motores de cd -------------- 144 11.8 Seleccin de motores de ca --------------------------------------------------------------- 145 11.8.1 Caractersticas de la carga para seleccionar motores de ca ------- 145 11.9 El sistema por unidad ------------------------------------------------------------------------ 146 CAPITULO III Conclusiones ------------------------------------------------------------------------------------------- 149 ANEXOS ------------------------------------------------------------------------------------------------ 150 BIBLIOGRAFA ----------------------------------------------------------------------------------------- 161
CAPITULO I
Metodologa de diseo y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
ii
JUSTIFICACIN Debido al gran desarrollo de la Industria en el Mercado y la creciente
demanda de equipos elctricos de corriente alterna, se han creado unidades de
gran capacidad, lo cual lleva al diseo de mejores elementos de produccin en las
mquinas.
La tecnologa en la actualidad permite el desarrollo de equipos que operan
bajo estrictas condiciones de trabajo, lo cual requiere elementos humanos con un
nivel de conocimientos tericos y tcnicos de calidad, que operen y mantengan en
condiciones ptimas dichas unidades.
Cualquier error de diseo podra llevar a prdidas cuantiosas, lo cual
repercute al rendimiento de las mquinas como a la misma empresa.
Visto de otra manera, la seleccin adecuada de un aislante ptimo para las
Mquinas Elctricas Rotativas de corriente alterna, nos conduce a obtener un
mejor funcionamiento; es por ello el inters de obtener un diseo que cubra estas
necesidades, analizando posibles causas, consecuencias y buscando los
procedimientos adecuados.
Metodologa de diseo y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
iii
NATURALEZA, SENTIDO Y ALCANCE DEL TRABAJO
El presente trabajo ha sido elaborado debido a la carente informacin
bibliogrfica existente en nuestro medio, adems de que constantemente existen
diseos ms actualizados y acordes con las especificaciones que en determinado
momento puedan ser de utilidad en la seleccin del aislante para devanados de
mquinas de corriente alterna.
Asimismo se ha tomado un rango de operacin de hasta 7000 Volts, con el
cual se trabajar en este anlisis, tomando principios de funcionamiento de las
mquinas de cd y ca as como los factores y efectos ms importantes en el
funcionamiento de ambas mquinas. Tambin se hace una breve pero precisa
descripcin de cada uno de los elementos, pruebas, construcciones, detalles,
capacidades y tolerancias fundamentales.
Este trabajo ha sido diseado para incrementar el acervo bibliogrfico en
nuestra Facultad de Ingeniera, esperando tambin obtener la calidad requerida
para poder ingresar al difcil mercado industrial en la seleccin de aislantes para
devanados con las caractersticas mencionadas.
Metodologa de diseo y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
iv
ENUNCIACION DEL TEMA
El problema de satisfacer la demanda de Mquinas Elctricas Rotativas de
Corriente Alterna, ha llevado a la constante bsqueda de diseos que
proporcionen alternativas de seleccin de stas de acuerdo a su capacidad y
operacin. Por tal motivo se han creado diseos de este tipo de mquinas para
capacidades especficas de funcionamiento, las cuales utilizan elementos de gran
costo; por citar algunos: carcasa, ncleo, devanados (de estator y de rotor).
Es imposible evitar que en los devanados se presenten fallas debido al
calentamiento ocasionado por la disminucin del aislamiento por la constante
operacin del equipo. Por lo que se requiere de un mantenimiento peridico para
reducir la incidencia de fallas en estos elementos y a la vez disminuir los costos
que resulten por poner fuera de funcionamiento una unidad.
Para llevar a cabo el diseo de aislamiento de un equipo rotatorio es
imprescindible primero contar con el desarrollo de un sistema aislante propio. Este
desarrollo implica la seleccin de materiales aislantes (cintas y resina), la
manufactura de bobinas experimentales y pruebas a realizar en estas para
verificar la compatibilidad de los materiales.
Metodologa de diseo y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
v
EXPLICACION DE LA ESTRUCTURA DEL TRABAJO
El presente trabajo esta constituido por una introduccin seguida por tres
captulos que representan el cuerpo del mismo. De esta forma se puede apreciar
que el contenido de cada captulo esta detallado de la siguiente manera.
CAPITULO I
Este captulo est representado por una justificacin; naturaleza, sentido y
alcance del trabajo; la enunciacin del tema, as como la explicacin de la
estructura del trabajo.
CAPITULO II
En este segundo captulo se presenta el desarrollo del tema, as como su
planteamiento, a la vez que se menciona el contexto en el cual se realiza la
presente investigacin documental, el marco terico que son los diferentes
enfoques o puntos de vista que los autores manejan acerca de la metodologa de
diseo y manufactura de sistemas aislantes para maquinas elctricas rotativas de
ca hasta 7000 Volts, terminando con un anlisis critico de los diferentes mtodos
investigados.
CAPITULO III
En este tercer y ltimo captulo se presentan las conclusiones obtenidas,
as como tambin los anexos, apndices y la bibliografa consultada.
Metodologa de diseo y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
1
CAPITULO II
Metodologa de diseo y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
2
MARCO CONTEXTUAL
Una parte decisiva del diseo de una mquina de ca es el aislamiento de sus
embobinados. Si se retira el aislamiento de un motor o generador, la mquina se
daa inmediatamente. Aunque fuera posible reparar una mquina cuyo aislamiento
est averiado, ello resultara muy costoso. Para evitar este tipo de dao, por
recalentamiento, es necesario limitar la temperatura de los embobinados. Esto puede
hacerse, en parte, al suministrarles una circulacin de aire fro, pero finalmente la
temperatura mxima del embobinado limita la potencia mxima que la mquina
puede suministrar continuamente.
El recalentamiento de los embobinados es un problema muy grave en un
motor o en un generador. En raras ocasiones el aislamiento falla por ruptura
inmediata a determinada temperatura crtica. En cambio, el aumento de temperatura
produce una paulatina degradacin del aislamiento, exponindolo a que se produzca
una falla por otras causas como: vibracin o tensin elctrica. Esta temperatura de
funcionamiento est relacionada estrechamente con el pronstico de vida de la
mquina, porque el deterioro del aislamiento es funcin tanto del tiempo como de la
temperatura. Este deterioro es un fenmeno qumico que implica una oxidacin lenta
y un endurecimiento frgil que conduce a la prdida de duracin mecnica y de
resistencia dielctrica. Se puede obtener una idea muy tosca de la relacin entre vida
y temperatura con la vieja y obsoleta regla de que el tiempo para que falle el
aislamiento orgnico se reduce a la mitad por cada aumento de 8 a 10oC. Los
materiales de aislamiento modernos son menos susceptibles a fallar, en teora
debera de ser as, pero esto no es totalmente cierto, debido a que las alzas de
temperatura todava acortan su vida drsticamente. Por esta razn una mquina
nunca debe sobrecargarse, a menos que sea absolutamente necesario.
Las pruebas de vida en condiciones aceleradas sobre modelos llamados
motoretas, se emplean normalmente para evaluar los aislamientos. Sin embargo
Metodologa de diseo y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
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esas pruebas no se pueden aplicar con facilidad a todos los equipos, sobre todo en
sistemas de aislamiento de las mquinas grandes.
Es por esto que las pruebas de vida del aislamiento tratan en general de
simular las condiciones de servicio. Normalmente comprenden los siguientes
elementos:
1. Calentamiento sostenido a la temperatura de prueba.
2. Vibracin y esfuerzo mecnico como el que pueda encontrarse durante el
servicio normal.
3. Exposicin a la humedad.
4. Pruebas de dielctrico para determinar el estado del aislamiento.
Se deben probar las suficientes muestras para permitir la aplicacin de
mtodos estadsticos para analizar los resultados. Las relaciones vida temperatura
que se obtengan con estas pruebas, conducirn a la clasificacin del aislamiento o
del sistema de aislamiento dentro de la clase adecuada de temperatura.
La experiencia y las pruebas que demuestren que el material o sistema es
capaz de funcionar a la temperatura deseada son los criterios de clasificacin ms
importantes.
Cuando se establece la clase de aislamiento, se pueden calcular los aumentos
observables de temperatura permisibles para las diversas partes de las mquinas
industriales consultando las normas pertinentes. Se hacen diferencias detalladas
razonables con respecto al tipo de mquina, mtodo de medicin de temperatura,
parte de la mquina en cuestin, si la mquina es cerrada, y el tipo de enfriamiento
(de aire, con ventilacin, enfriamiento por hidrogeno, etc.).
Metodologa de diseo y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
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PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La metodologa de diseo y manufactura de sistemas aislantes para mquinas
elctricas rotativas de ca hasta 7000 V, tiene como finalidad primordial crear un
documento bibliogrfico que nos facilite la seleccin de ciertos materiales aislantes
para mquinas del tipo y rango mencionado anteriormente, y en el caso de llegarse a
requerir para prevencin de fallas en los equipos, brindando mayor vida til y un
optimo aprovechamiento en beneficio de la industria elctrica.
El objetivo principal en este caso gira alrededor de los embobinados de las
mquinas elctricas rotativas y hacia sus medios de proteccin como lo son los
aislamientos; para lo cual se han realizado pruebas para conocer los limites que
proporcionen datos confiables de los cuales se pueda hacer una adecuada seleccin
del material necesario. Tambin ser necesario recordar principios de
funcionamiento de las mquinas de ca y cd as, como cada una de las partes
componentes de cada mquina.
La temperatura tiene un papel importante para los motores o generadores
cuando los embobinados se ven afectados por el recalentamiento, siendo un
problema considerable para el funcionamiento de las mquinas elctricas, aunque
no solo existe este problema, debido a que existen muchas mas causas que puedan
provocar algn dao al sistema, de lo cual se estar hablando mas adelante.
Por lo anterior se exponen a su vez, los requerimientos para la obtencin de
una resina que nos permita encontrar el sistema adecuado de aislamiento, en el
sentido de que al presentarse agrietamientos debido a la expansin o contraccin
trmica pueden surgir problemas de operacin en las mquinas.
Metodologa de diseo y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
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MARCO TEORICO
1. Construccin de M. E. R. de cd
1.1 Construccin Mecnica
1.1.1. Carcasa
La carcasa se requiere como una trayectoria de retorno para todo el flujo
magntico circulante que pasa de los polos del campo a la armadura. Este requisito
de conduccin del flujo determina la seleccin transversal necesaria del material
magntico, que por lo general es un acero al carbn. La construccin ms usual
consiste en una estructura de anillo rolado con el empalme final de la soldada por
maquinaria automtica, lo que, obviamente, deja una soldadura visible.
Esta estructura sirve a la vez para que las zapatas de los polos de campo se
distribuyan concntricamente alrededor de la armadura. En la figura 1, puede verse
una carcasa representativa.
Figura 1. Unidad representativa de CD (Cortesa de General Electric Company)
En las unidades muy grandes la carcasa se divide en dos mitades, una
superior y una inferior, con una unin de brida atornillada en forma horizontal por su
Metodologa de diseo y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
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parte central. Este tipo de construccin se presenta cuando la armadura es
demasiado grande y pesada para insertar sin un malacate. En la figura 2, se muestra
la construccin de una de estas mquinas. En los modelos ms grandes, los polos y
las bobinas de campo tambin requieren ser manejadas con gra; de esa manera la
estructura separable sirve a un doble propsito.
Figura 2. Modalidad de carcasa dividida de una mquina de CD. Se ven 6
polos de campo; 6 campos de conmutacin y los devanados de
compensacin. (Cortesa de General Electric Company)
En las unidades de tamao pequeo a mediano es posible que la estructura
de sus carcasas est hecha de laminaciones perforadas apiladas. En este tipo de
unidades la carcasa y los polos del campo forman una sola pieza, de modo que se
obtiene un excelente circuito magntico y una estructura muy slida, aunque los
costos de los dados de perforacin son elevados. Los motores de seguridad se
construyen por lo general en esta forma. Vase un ejemplo de carcasa perforada en
la figura 3.
Figura 3. Mquina de cd con
carcasa de lminas perforadas
(Cortesa de Reliace Electric
Company)
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1.1.2. Polos del campo
Los polos del campo se hacen por lo general, pero no siempre, de lminas
delgadas de aleaciones de acero altamente magnticas. La construccin laminada es
necesaria en el extremo interior o zapata del polo. Esto es debido a las pulsaciones
de la magnitud del campo que resulta cuando la estructura magntica del rotor de la
armadura pasa frente a la zapata del polo. Las variaciones del campo producen
corrientes parsitas internas generadas en una estructura magntica. Estas
corrientes son prdidas que se pueden evitar, en gran medida, con las estructuras
magnticas laminadas, las cuales permiten que el flujo magntico pase a lo largo de
la longitud de las laminaciones, pero no permiten que las corrientes parsitas circulen
a travs de la estructura de una lmina a otra. La pila de lminas se mantiene unida
mediante remaches colocados en lugares apropiados. El extremo exterior del polo
laminado es curvo, a fin de que se ajuste lo mejor posible a la forma de la superficie
interior de las carcasas. En la figura 4, se muestra un polo laminado de campo y una
zapata de polo, tpicos. Cualquier discontinuidad en una estructura magntica
produce una reluctancia significativa, la cual es ms o menos anloga a la
resistencia, de manera que se requieren ms ampere-vueltas para obtener un flujo
magntico determinado en la estructura como un todo. Esto implica una mayor
produccin de calor, lo cual es una prdida, de manera que la unin del polo con la
carcasa se asegura con firmeza mediante los pernos de montura de los polos de
campo.
Figura 4. Polo de campo y zapata
polar tpicos con la bobina de campo
(Cortesa de GE Company)
Metodologa de diseo y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
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1.1.3. Estructura de la armadura
La estructura de la armadura tiene una doble funcin,.ya que por una parte es
el asiento de los alambres del devanado que pasan a travs del campo magntico y,
por otra es una fraccin sustancial del circuito de flujo magntico. Dado que cualquier
parte de la estructura magntica de la armadura recibe inversiones cclicas en la
direccin del flujo magntico, est sujeta a prdidas ms severas por corrientes
parsitas que las zapatas de los polos del campo y se construye, por tanto, en forma
invariablemente laminada.
La construccin usual, desde los modelos ms pequeos hasta los gigantes
que suministran potencias del orden de los kilowatts, consiste en una pila de discos
de una aleacin de acero magntico. Estos discos tienen muescas o perforaciones
en su periferia para acomodar y soportar el devanado de la armadura. El tamao
requerido del apilamiento se mantiene gracias a unos remaches apropiados,
paralelos al eje. Los remaches mismos constituyen una trayectoria para las
corrientes parsitas y son un camino de corto circuito para los voltajes generados, de
manera que deben estar aislados. Ya sea eso o su funcin se toman en cuenta
uniendo en forma adhesiva las laminaciones mediante un barniz aislante. Sin
importar cmo estn unidas las laminaciones, los devanados mismos refuerzan la
solidez de la unidad. En los modelos mayores se asegura la unin entre las
laminaciones y al eje, a fin de transmitir pares de fuerzas.
1.1.4. Bobinas del devanado de la armadura
Las bobinas del devanado de la armadura se colocan en las ranuras en
diversas disposiciones o arreglos . Aun cuando la configuracin de estas bobinas se
hace desde un punto de vista elctrico, deben disponerse de manera mecnica de tal
modo que se puedan montar en las ranuras de las lminas. Esta montura debe estar
asegurada mecnicamente contra fuerzas centrfugas y pares; debe estar
apropiadamente aislada y debe permitir el ensamblaje ms simple posible. En las
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unidades ms grandes, se vuelve muy difcil formar, manejar y ensamblar en
posicin correcta estas bobinas.
1.1.5. Cojinetes de la flecha de la armadura
Los cojinetes o chumaceras se requieren para que la armadura pueda girar
libremente y al mismo tiempo est confinada en su posicin correcta.
1.1.6. Estructura de los extremos de campana
La localizacin geomtrica de los cojinetes con respecto a la carcasa se
controla mediante los extremos de campana, que son estructuras cubiertas que
cierran la mquina.
1.1.7. Bobinas de campo
La generacin del campo magntico se logra usando las bobinas de campo,
que rodean a los polos del campo. Estas bobinas se mantienen en su lugar entre la
zapata del polo y la carcasa. Se emplean varios tipos y combinaciones de bobinas,
los cuales dependen de si hay muchas vueltas de alambre relativamente delgado
diseado para producir los ampere-vuelta que se requieren con una pequea
corriente del voltaje de lnea, o pocas vueltas de alambre ms grueso diseado para
trabajar con una cada de voltaje pequea. Al primero de estos tipos se le conoce
como bobina en derivacin, mientras que al segundo se le llama bobina en serie, ya
que est conectada en serie con la lnea principal de la armadura. Cuando estn
presentes los dos tipos de embobinado, se dice que la combinacin es un campo
compuesto. El flujo requerido lo pueden proporcionar unos imanes permanentes.
1.2 Devanados
La parte que realmente trabaja en un motor o en un generador, ya sea de cd o
ca, es el devanado de la armadura. Se trata de la parte de la mquina en la que se
Metodologa de diseo y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
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generan los voltajes o la fuerza que se convierte en par o accin del motor. Los
devanados de campo sirven para producir el campo magntico que se requiere, y
consumen entre 2 y 10% de la corriente de la mquina, si son devanados en
derivacin. De manera anloga, si el campo est devanado en serie, llevar la
corriente total de la armadura pero ocupar slo un porcentaje pequeo del voltaje
presente en la armadura. Sea como fuere, los devanados de la armadura tienen una
mayor potencia y son la parte ms importante de la mquina.
1.2.1. Tipos de devanado
Hay slo dos configuraciones bsicas del devanado: el traslapado y el
ondulado. En algunas mquinas grandes se usa una combinacin de estos dos tipos
bsicos, y se le llama devanado de ancas de rana por la apariencia de las bobinas
antes de ser instaladas. Cada tipo de devanado tiene ms subdivisiones en relacin
con el nmero de conductores que se colocan paralelamente, de modo que un
devanado es simple si tiene un solo conductor, doble si tiene dos conductores
paralelos, triple si hay tres, etc.
Detrs de toda configuracin de devanado est el mismo objetivo: llevar una
trayectoria de conductor desde una polaridad de la escobilla, mediante uno de los
segmentos del conmutador, subir a travs del campo magntico, seguir por el
extremo posterior de la estructura de la armadura, regresar por el camino opuesto a
travs del campo opuesto hasta llegar por ltimo a otro de los segmentos del
conmutador, subir a travs del campo magntico, seguir por el extremo posterior de
la estructura de la armadura, regresar por el camino opuesto a travs del campo
opuesto hasta llegar por ltimo a otro de los segmentos del conmutador. Este
proceso se repite alrededor de este ltimo y de la pila de laminaciones de la
armadura hasta completar los devanados y dejarlos simtricos y balanceados.
Metodologa de diseo y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
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1.2.1.1. Devanados traslapados
Las diferencias entre los tipos de devanado surgen de la forma en la que se
configuran las terminales de las bobinas. Un devanado traslapado puede tener una o
ms vueltas en forma aproximadamente trapezoidal, con sus extremos cerca el uno
del otro de manera que puedan conectarse a segmentos del conmutador adyacentes.
Hay pequeas variaciones en las bobinas traslapadas dobles o de orden superior,
pero sus extremos siempre quedan prximos (vase Figura 5).
1.2.1.2. Devanados ondulados
El devanado ondulado tiene bsicamente el mismo aspecto trapezoidal en los
que es el cuerpo de la bobina, y la diferencia est en que sus extremos quedan
separados (vase Figura 6). Las terminales de la bobina se conectan a segmentos
del conmutador que estn un segmento menos o uno ms que la distancia angular
entre dos polos de campo de polaridad igual. Un devanado ondulado debe rodear la
armadura antes de cerrar su recorrido en el punto donde comenz.
1.2.1.3. Devanado tipo ancas de rana y conexiones equipotenciales.
Un devanado tipo ancas de rana es una combinacin de los devanados
traslapado y ondulado.
Figura 6. Bobina de un devanado de tipo
ondulado.
Figura 5. Bobina de un
devanado de tipo traslapado.
Metodologa de diseo y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
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La eleccin del tipo de devanado no es nica, por lo general se utilizan
devanados ondulados ya que son ms fciles de instalar y tienen una conmutacin
ligeramente mejor, es decir, durante su operacin sus escobillas producen menos
chispas. Sin embargo, parece que el lmite prctico de conmutacin se alcanza cerca
de los 250 A/trayectoria paralela, o lo que es lo mismo, 500 A en total. Esta corriente
se alcanza, por ejemplo, en las marchas de los automviles, y se alcanza bajo una
intensa aceleracin en el motor de un vehculo elctrico si llegase a demandar un
voltaje de lnea de ms de 100 V. Las corrientes mayores requieren un devanado
traslapado, el que permite usar un mayor nmero de trayectorias paralelas. La
posible situacin lmite que se halla en el motor de un vehculo moderno sirve para
ilustrar en qu forma se hace la eleccin del tipo de devanado. Si en un motor de
cuatro polos se requieren 500 A, por ejemplo, en cada trayectoria de un devanado
ondulado simple debern circular 250 A. Esto es as porque hay slo dos trayectorias
paralelas en cualquier devanado ondulado simple, independientemente de cuntos
polos haya. Un devanado traslapado de cuatro polos tendra 500/4 = 125
A/trayectoria en las mismas condiciones, debido a que tiene el mismo nmero de
trayectorias paralelas porque la mquina tiene cuatro polos.
Entre las mquinas que necesitan corrientes muy grandes se agudiza un
problema que existe de por s en todas; el cual consiste en que no se generan
voltajes iguales en cada una de las trayectorias paralelas. Esto da por resultado
grandes corrientes que circulan alrededor de las diversas trayectorias paralelas.
Estas corrientes entran y salen de las conexiones de las escobillas y el conmutador,
causando calentamiento, prdidas de energa y acortando la vida del conmutador de
las escobillas. Una de las soluciones consiste en emplear conexiones
equipotenciales en un devanado traslapado de corrientes altas. Dichas conexiones
unen partes del devanado que deberan tener exactamente la misma polaridad.
La razn por la cual se generan voltajes de valores diferentes en trayectorias
paralelas que tienen en apariencia la misma geometra, es que los diversos polos del
campo por lo general no tienen el mismo flujo magntico. Esta desigualdad surge por
Metodologa de diseo y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
13
las pequeas diferencias entre los entrehierros originados por un centrado imperfecto
de la armadura, o bien por una desigual reluctancia de la trayectoria magntica
debido a un mal ajuste entre el polo del campo y la carcasa. El desgaste de las
chumaceras slo agrava este problema.
1.3. El conmutador
Los devanados deben terminar en la unidad rotatoria conocida como
conmutador. sta se hace casi siempre con segmentos en forma de cua hechos de
cobre estirado en fro. Los segmentos de cobre, o delgas, estn aislados uno de otro
y tambin de los soportes de sus extremos por medio de tiras de mica. El uso de
cobre en una pieza sometida a desgaste puede parecer inusual, pero hasta ahora no
se ha encontrado un mejor material. Los requerimiento de baja resistencia, excelente
conductividad y buena resistencia al desgaste mecnico son conflictivos entre s.
En la figura 7 se muestra un rotor de armadura tpico y un conmutador,
ensamblados a una flecha y ranuras con bobinas.
El anlisis de los tipos de devanados ha revelado una caracterstica comn de
todos los motores de cd y de los devanados de los generadores: los devanados son
cerrados y continuos alrededor de la armadura, salen hacia un segmento del
conmutador y regresan de inmediato a la estructura magntica. A todos los
segmentos del conmutador se les trata igual en cualquier mquina. Por lo general
hay dos conexiones por barra, una de entrada y otra de salida en dos niveles
diferentes. Esta conexin del devanado al conmutador es la unin elctrica ms
delicada de la mquina, y se debe efectuar con tanta perfeccin como sea posible.
Figura 7. Rotor de armadura de cd
completo con las bobinas, el
conmutador, el ventilador y los cojinetes.
Metodologa de diseo y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
14
1.3.1. Campos de conmutacin
En las mquinas de cd ms grandes, es decir, en aquellas con una potencia
de 1 hp o 1 kW hacia arriba, entre los polos principales del campo se colocan
campos de conmutacin, los cuales son ms pequeos que los polos del campo
principales pero se construyen en forma similar.
1.3.2. Devanado de compensacin
De manera exclusiva en las unidades ms grandes de uso pesado puede
encontrarse a veces un devanado de compensacin, el cual se instala en las caras
de las zapatas de los polos de los campos principales. El devanado de
compensacin se requiere, adems de los campos de conmutacin, con el objeto de
que el proceso de conmutacin est libre de chispas cuando circulen corrientes muy
altas o bien en condiciones transitorias. En la figura 2 se muestra una unidad grande
con su carcasa separable a la mitad; ah se puede apreciar tanto los campos de
conmutacin como el devanado de compensacin.
1.3.3. Escobillas
La funcin de conmutacin la realizan conjuntamente el conmutador y las
escobillas, las cuales se hacen generalmente de una mezcla de carbono, grafito o
carbono relleno con cobre. Para esta aplicacin los requerimientos son baja
resistencia de contacto, cierta resistencia interna controlada y buenas cualidades
ante el desgaste. La superficie real de contacto est entre la escobilla y una
superficie de xido de cobre en el conmutador. Si hay demasiada friccin y
produccin de chispas, el xido de cobre se gasta ms rpido que como se repone,
acortndose la vida de la escobilla. Todo esto puede llega a ser un gran problema,
pero se obtiene una vida ms larga si se hace un diseo adecuado. En la figura 8 se
muestra un conmutador y sus segmentos.
Metodologa de diseo y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
15
Por ltimo, todo el arreglo se forra para hacerlo resistente a los esfuerzos
centrfugos, se ahoga en un material aislante, se balancea y se le aade un
ventilador de enfriamiento. En la figura 9 se muestra una armadura completa en su
posicin en un motor en corte.
1.3.4. Portaescobillas
Las escobillas se mantienen en su lugar mediante los portaescobillas,
apoyados en una de las campanas. Se utilizan diversos tipos de portaescobillas,
dependiendo del tamao, nmero de escobillas, ventilacin y necesidades de acceso
para el mantenimiento. En las mquinas ms pequeas las escobillas se apoyan en
tubos aislados, y en las ms grandes se montan sobre manguitos rectangulares o en
mecanismos articulados. En la construccin de los extremos de campana hay una
gran variedad de apertura o de proteccin, segn sean los usos de mantenimiento.
Figura 8. Ensamblado de un conmutador.
(Cortesa de General Electric Company)
Figura 9. Armadura completa en posicin en un corte del motor
Metodologa de diseo y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
16
1.3.5 Espaciamiento de las escobillas
Las escobillas se mantienen en contacto con el conmutador cada 180 grados
elctricos. Estas escobillas tienen las polaridades positiva y negativa en forma
alternada. Hay el mismo nmero de escobillas o juegos que polos en el campo
principal; por tanto, una mquina de 8 polos tendr 8 escobillas o juegos de
escobillas igualmente espaciados alrededor del conmutador. En algunos casos,
cuando se usa un devanado ondulado, no se sigue esta regla. Esto es porque la
construccin ondulada es tal que hay una conexin interna en el devanado, en el
negativo se conecta a los restantes puntos negativos. Por esta razn, cuando el
espacio es vital, no se utilizan todas las escobillas; debe advertirse, sin embargo, que
en un devanado traslapado se requieren todas las escobillas.
1.3.6. Posicin neutra de las escobillas
Si los voltajes en el conmutador se miden mientras la armadura est girando y
los polos del campo principal se excitan mediante un agente externo, se puede ver
un patrn angular. Si el voltaje se mide de manera progresiva alrededor de un
conmutador comenzando en un punto donde se halle una escobilla negativa, se
encontrar un voltaje gradualmente ms positivo. Luego, conforme se atraviesa la
regin del conmutador que se conecta a los devanados que se encuentran ya en el
campo magntico y funcionando, se agregarn incrementos sustanciales de voltaje.
Por ltimo, la rapidez del aumento del voltaje se reduce conforme se conectan los
segmentos del conmutador que estn conectados a los devanados ubicados en la
salida del extremo lejano de la regin del campo en funcionamiento. Por ltimo, se ve
un voltaje pico positivo, y todo movimiento angular posterior alrededor del
conmutador en la misma direccin que antes revelar una reduccin gradual del
voltaje. Este patrn de aumento y luego disminucin de voltaje contina alrededor del
conmutador tantas veces como polos tenga la mquina. Los puntos de mximo
voltaje positivo y mnimo voltaje negativo se hallan donde se deben colocar los
Metodologa de diseo y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
17
centros de las escobillas. A estos puntos se les llama posiciones neutras de las
escobillas.
Cuando las escobillas se colocan en sus puntos neutros, el mximo voltaje
disponible del a mquina se puede conectar y usar. Sin embargo, los problemas
comienzan cuando se extraen corrientes grandes de las escobillas y por lo tanto de
los devanados de la armadura. Estos problemas se deben a la reaccin de la
armadura y a la reactancia de la armadura. Aunque los nombres son parecidos, las
dificultades que ocasionan no lo son, por lo que deben recibir tratamientos muy
diferentes.
1.4. Reaccin y reactancia de la Armadura
1.4.1. Reaccin de la armadura
La forma y disposicin del campo magntico que generan los campos
principales se ven distorsionados cuando circulan corrientes en los devanados de la
armadura, ya que stos tambin estn produciendo una estructura magntica. El
campo magntico producido en la armadura est desfasado 90 grados elctricos de
los campos principales. Estos dos campos se combinan en forma vectorial dando por
resultado un campo distorsionado. En la figura 10 se muestra el campo magntico
tpico no distorsionado de un polo de campo cuando en la armadura circula una
corriente nula, o casi nula. Luego, en la figura 11 se ve el campo producido por la
armadura, que se presenta en un grado aproximadamente proporcional a la
corriente de la armadura. En la figura 12 se muestra el resultado de la combinacin
de los dos campos. El campo magntico en uno de los lados del polo de campo se
ve reducido; el campo del polo central es casi e mismo que cuando no hay corriente
en la armadura, mientras que en el otro lado del polo de campo ste se incrementa
en forma sustancial. Por desgracia, los voltajes que generan los devanados van en
proporcin directa al campo real que est presente. Siguiendo estos razonamientos,
se ve que esta reaccin de la armadura hace que los puntos de voltaje neutro se
Metodologa de diseo y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
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desplacen apreciablemente con respecto a la posicin de las escobillas. En
consecuencia, la funcin de conmutacin del conmutador y las escobillas ya no est
libre de produccin de chispas, lo que hace que se reduzcan mucho las vidas del
conmutador y las escobillas.
Figura 10 Distribucin del flujo
magntico debido slo a los polos de
campo.
Figura 11. Distribucin del flujo
magntico debido slo a la excitacin de
la armadura. Figura 11. Distribucin del flujo
magntico debido slo a la excitacin de
la armadura.
Figura 12. Distribucin combinada del
flujo debido a la armadura y el campo.
Metodologa de diseo y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
19
1.4.2 Reactancia de la armadura
La reactancia de la armadura, cuyo nombre es parecido al anterior pero que
es un fenmeno diferente, es el resultado de la reactancia inductiva del devanado en
particular de la armadura en el que se est efectuando la conmutacin. El proceso de
conmutacin de un circuito de armadura rotatoria incluye la inversin de la corriente
en cada bobina conforme pasa por las escobillas. Esto se puede ver si se da uno
cuenta de que el circuito de la bobina a cada lado de una escobilla dada contribuye
con una corriente que fluye hacia las escobillas positivas, alejndose de las
negativas, en un generador. En un motor ocurre lo contrario, pero el problema es
similar. Si en la ltima bobina que se est acercando a la escobilla hay una corriente
que est fluyendo hacia el contacto de la escobilla en el segmento del conmutador,
esta corriente se invertir en forma abrupta cuando el segmento pase de la escobilla
y se va alejando de ella. Esta inversin de corriente se efecta durante el tiempo en
el que ambos extremos de la bobina estn en cortocircuito por la escobilla.
1.4.3. Efecto de cortocircuito de las escobillas
A partir del instante en que el segmento que lleva el segundo extremo de la
bobina toca la escobilla, las polaridades de cada extremo deben aproximarse
rpidamente una a la otra, debido a que ambos extremos de la bobina estn puestos
en corto por la pequea, pero no nula, resistencia del cuerpo de la misma escobilla.
La corriente cae rpidamente a cero y con la misma velocidad comienza de nuevo.
Esto ocurre conforme el segmento original que va adelante pasa por la escobilla, y el
voltaje y la corriente inversos suceden en el otro lado. Este proceso no puede ser
instantneo porque la bobina de la armadura tiene una inductancia considerable. Es
fcil darse cuenta de que una bobina tiene una inductancia real cuando se devana
alrededor de un ncleo magntico. Esta inductancia tiene relacin con el nmero de
vueltas de la bobina y, mutuamente, con las dems bobinas del devanado de la
armadura, en particular con las que ocupan las mismas ranuras de la armadura que
ella. Este problema delicado se agrava cuando hay velocidades de rotacin altas, ya
Metodologa de diseo y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
20
que queda menos tiempo para afectar la inversin. La reactancia inductiva de la
bobina est relacionada entonces con la velocidad de rotacin, o tiempo de
conmutacin, y el nmero de vueltas en la bobina.
Las escobillas de uso prctico ocupan ms de un segmento del conmutador,
por lo comn de dos y medio a tres y medio segmentos.
Haciendo compromisos razonables en el momento de disear las partes, es
posible lograr una buena conmutacin. Esto comienza con bobinas que tengan
autoinductancias e inductancias mutuas tan pequeas como sea posible. Luego, la
anchura del traslape de las escobillas y su resistencia interna se modifican en forma
experimental para que la bobina pueda descargar su energa almacenada durante el
ciclo de conmutacin. En el caso ideal habr un cambio uniforme en la corriente de la
bobina conforme sta se barre por la escobilla. Se supone que cuando la bobina deja
la influencia de la escobilla, la corriente se invierte en su totalidad.
Este proceso de la inversin de la corriente se favorece si la magnitud del
campo de conmutacin se ajusta de tal modo que la bobina en corto genere apenas
el voltaje suficiente para facilitar la inversin de la corriente.
Todo esto implica que hay una considerable disipacin de energa tanto en la
superficie de contacto de las escobillas como en su interior.
1.5. El circuito magntico
Es necesario recordar que la densidad de flujo que cuenta es la que hay en el
entrehierro, entre las caras de los polos de campo y las bobinas de la armadura
directamente adyacentes. ste es el flujo que cortan las bobinas del devanado de la
armadura en movimiento. El flujo restante que hay alrededor de la mquina es
necesario para cerrar el circuito magntico. El propsito del diseo es el de conseguir
Metodologa de diseo y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
21
un flujo de entrehierro razonablemente alto sin que haya grandes prdidas debidas a
la parte forzadora del circuito en saturacin.
Algunos estudios han demostrado que la mayor parte de la reluctancia del
circuito magntico se halla en el entrehierro. Por tanto, se requieren casi tres cuartas
partes del total de los ampere-vueltas de la fuerza de magnetizacin para superar la
reluctancia del entrehierro y hacer que circule un flujo razonablemente grande.
La fuerza de magnetizacin necesaria para alcanzar una intensidad de campo
dada en un elemento de forma geomtrica conocida del circuito magntico se debe
calcular en pasos separados para cada uno de los distintos elementos geomtricos
del circuito.
Como el producto final deseado es la intensidad del campo en el entrehierro,
ese valor del flujo ser por lo general el punto de partida en los clculos.
La intensidad del campo magntico en el aire o en la mayor parte de los
materiales no ferrosos es directamente proporcional a la fuerza de magnetizacin. En
consecuencia, cuanto mayor sea la fuerza de magnetizacin tanto mayor ser el flujo
del campo. Esta relacin lineal tan sencilla no es vlida en los materiales ferrosos,
aunque con ellos pueden alcanzarse intensidades de campo mucho ms altas para
una fuerza de magnetizacin dada.
Conviene en este punto recordar el uso de las siguientes unidades:
La fuerza de magnetizacin es proporcional en ampere-vueltas por unidad de
longitud y se le representa por H. De este modo:
Metodologa de diseo y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
22
Otro nombre de la fuerza de magnetizacin es el de intensidad de campo
magntico. La densidad de flujo magntico es una medida del flujo en lneas o en
webers por unidad de rea y se le denota por B (o ).
B inglesas unidadesen in
lneasen est
2
SI del unidadesen metro
weberen
2est
Gauss cm
maxwellen
2est
La relacin entre H y B en los materiales no ferrosos o en el vaco o, desde un
punto de vista prctico, en el aire, se defini originalmente en las unidades del
sistema mtrico cgs; en el SI son
vueltaampere metro
weber x104 7-OSI
H
En consecuencia,
79577.0 metro
vuelta-ampere 0.79577x10 6H Ec. (1-5a SI)
La constante OSI (lase mi subndice cero) recibe el nombre de
permeabilidad del espacio libre; su conversin al sistema ingls es la siguiente:
inglesas unidadesen pulgada
vueltas-ampereen est H
SI del unidadesen metro
vueltas-ampereen est H
Metodologa de diseo y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
23
in 39.37
metro
weber
lnea 10
vueltaampere metro
weber x104
87-
EO
Es decir,
vueltaampere pulgada
lnea 3.1919
39.37
40EO
Por tanto, en unidades del sistema ingls,
pulgada
vueltaampere 30 313.0 BH
En cualquiera de estas unidades, las cantidades OSI o OE son una constante
del aire en el entrehierro. Esto no es vlido en el caso de las partes magnticas del
circuito, donde se convierte en r , es decir, la permeabilidad relativa al aire, y no
es una constante.
Esta variabilidad del factor r, se muestra casi siempre en las curvas BH de los
materiales especficos que se utilizan normalmente en los circuitos magnticos. Los
valores de r, pueden variar desde 100 hasta 1000, pero no es una constante. Estos
valores tan altos de la permeabilidad implican que se requiere una cantidad mucho
menor de ampere-vueltas de fuerza de magnetizacin para mantener una fuerza til
en los materiales magnticos, a pesar de que estos ltimos constituyen la parte ms
larga del circuito.
En las figuras 13 y 14 se muestran curvas BH tpicas.
Ec. (1-5bI)
Metodologa de diseo y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
24
Figura 13. Curvas de figura magnetizacin en unidades inglesas.
Figura 14. Curvas de magnetizacin en unidades del SI.
1.5.1. Anlisis simplificado de un circuito magntico
Para el estudio de las relaciones en un circuito magntico tpico en forma
simplificada convienen ver primero las relaciones dimensionales de una mquina
particular de cuatro polos, como la que se muestra en la figura 15. Advirtase que las
dimensiones se dan tanto en el sistema ingls como en el SI.
Metodologa de diseo y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
25
Si se supone que el flujo total por polo, al calcularse mediante la ecuacin
(2-6), es de 1 650 000 lneas (0.0165 Wb), la densidad de flujo es /A = B(o ),
donde A = 5.5x6 es el rea efectiva de una de las zapatas del polo. En tal caso.
(in)in
lnea 000 50
65.5
000 650 1
x
O bien:
m(m)
Wb 0.775
1524.01397.0
0165.0
x
Se utilizaron metros en vez de milmetros a fin de obtener metros cuadrados.
Obsrvese que el rea efectiva por polo es igual a la longitud de arco neta efectiva
de la zapata de polo multiplicada por la longitud efectiva axial de la pila de
laminaciones magnticas de la armadura y el campo.
El problema es ms fcil de resolver si se descompone de acuerdo con los
elementos del circuito magntico. De esa manera, cada parte se puede considerar
segn lo requieren el material especfico del que est hecha y su geometra.
Un ligero anlisis del diagrama de circuito magntico que se muestra en la
figura 15 nos indica que cada polo es similar. Adems, como se muestran las lneas
centrales, el circuito magntico divide cada polo en dos partes iguales. Por tanto, un
circuito magntico individual incluye las mitades, una frente a la otra, de dos polos
adyacentes y las partes de la carcasa exterior que las conectan, as como la pila de
laminaciones de la armadura.
Metodologa de diseo y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
26
Figura 15. Dimensiones de la estructura magntica.
Usando este tipo de divisin, cada trayectoria del circuito magntico es
afectada por dos bobinas de campo diferentes. Al mismo tiempo, cada bobina acta
sobre dos circuitos diferentes, y puede considerarse que cada circuito es afectado
por la totalidad de los ampere-vueltas de cada bobina. Los ampere-vueltas no se
dividen porque no se consumen. Esto puede comprobarse mediante la segunda ley
de Kirchhoff. Por tanto, al calcular los ampere-vueltas que requiere cada uno de los
circuitos magnticos, dicha cantidad se puede dividir entre dos y cada bobina de
Metodologa de diseo y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
27
campo puede entonces configurarse de modo que suministre la mitad de los ampere-
vueltas necesarios.
A partir de un estudio de las dimensiones fsicas que aparecen en la figura 15,
pueden determinarse los diversos elementos del circuito magntico. El procedimiento
se simplifica si se considera como un solo elemento cada uno de las partes del
circuito magntico que tienen una seccin transversal, longitud y material
especficos.
Luego, se calcula el nmero de ampere-vueltas necesarias para magnetizar
cada uno de los elementos del circuito. A continuacin se suman los ampere-vueltas
individuales para hallar el total requerido en el circuito completo.
Dependiendo del grado de detalle y precisin de los clculos, pueden aadirse
algunos factores de tolerancia de modo que se alcance o incluso se rebase el nivel
de flujo calculado.
En la tabla 1 (vase anexo), se da un resumen de los requerimientos en
ampere-vueltas de la mquina que se muestra en la figura 15; para hacer los
clculos se han hecho suposiciones para simplificar, en vez de tomar los valores
verdaderos de las longitudes de las trayectorias y de las secciones transversales de
cada uno de los elementos. Como todo el flujo magntico de la carcasa exterior y de
los polos de campo no fluye en el entrehierro realmente como se desea, debido a las
fugas que hay entre las puntas de los polos del campo, debe considerarse 15% ms
de flujo en la parte externa del circuito. Se supone que el entrehierro mismo es de
20% mayor que su dimensin mnima verdadera, con el objeto de dar una tolerancia
a la forma de cara interior de la zapata del polo y a la pequea rea del material
magntico que hay en los dientes de armadura. La seccin transversal de la
trayectoria magntica en las laminaciones de la armadura se examina en diferentes
partes, y el valor de la menor rea encontrada es el que se toma como la dimensin
que manda.
Metodologa de diseo y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
28
Al trabajar con una tabulacin como la tabla 1, las longitudes de las
trayectorias individuales y las reas de las secciones transversales se tabulan
conforme se calculan. Advirtase que se muestran los resultados tanto en el sistema
ingls como en el SI. La tabla se utiliza as:
(1) La primera columna sirve para identificar cada elemento.
(2) La columna 2 es el flujo total requerido (o ).
(3) La columna 3 es el rea de cada uno de los elementos de la trayectoria.
(4) La columna 4 es la densidad de flujo calculada a partir de B = /A o bien
= / .
(5) La columna 5 indica el material especfico empleado para esa parte.
(6) La columna 6 representa la fuerza de magnetizacin H requerida en ampere-
vueltas por pulgada lineal (o por metro lineal) de longitud de trayectoria del
material especfico a esa densidad de flujo en particular. Estas cantidades se
obtienen de las curvas BH del material en cuestin. En el caso de los
entrehierros, H se calcula mediante las ecuaciones (1-6I) o (1-6SI).
(7) La columna 7 representa la longitud de las trayectorias determinadas en forma
individual.
(8) La columna 8 es simplemente la columna 6 multiplicada por la 7.
(9) En cada uno de los sistemas de unidades se hace la suma de los
requerimientos de ampere-vuelta individuales.
La cantidad final de los ampere-vueltas por polo da los requerimientos de
diseo para una bobina de campo especfica. Por supuesto que el requerimiento
bsico de flujo que se tom como 1 650 000 lneas (0.0165 Wb), tiene que
determinarse en este caso para el mximo requerido.
Poniendo atencin a este proceso se podr hacer un clculo a groso modo del
requerimiento de ampere-vueltas por trayectoria magntica para cualquier motor o
generador de cd. La divisin del resultado final entre 2 no tiene que se siempre as,
ya que las marchas de los automviles baratos, por ejemplo, slo se devanan sobre
Metodologa de diseo y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
29
un solo polo. Por tanto, en ese caso especfico, hay una sola bobina por circuito
magntico.
1.6 Construcciones especiales
1.6.1 Motores sin ncleo
Hace poco ha surgido una nueva clase de motor de tamao pequeo. El motor
sin ncleo no tiene ncleo magntico en la armadura rotatoria. Hay dos formas de
construccin fundamentalmente distintas, dependiendo de la forma fsica elegida.
Las ventajas que se obtienen son:
Una inercia reducida del rotor de la armadura, lo que permite una aceleracin
en extremo grande, y en consecuencia una constante de tiempo de respuesta muy
pequea en el mecanismo de control y muy poco o casi nada de bailoteo, es decir, la
tendencia del motor a moverse en pequeos jaloneos angulares conforme el par
apenas sobrepasa el campo de las fuerzas magnticas de atraccin de la armadura.
Los dos tipos principales se describirn a continuacin por separado.
1.6.2 Rotores de disco o de circuito impreso
Si toda la armadura se hace con la forma de un disco plano, con el espesor
apenas suficiente para darle cierta resistencia estructural y para permitir conectarle
los conductores del circuito de la armadura en ambas caras, entonces la forma
natural de construccin lleva al uso de un circuito impreso. En ese caso la base
estructural es el material laminado no conductor y no magntico. La separacin entre
los conductores de la armadura se graba en las caras originales cubiertas de cobre
del material bsico laminado o de la placa. En los modelos ms pequeos incluso
los segmentos del conmutador se pueden hacer a partir del circuito impreso. Las
variantes incluyen conmutadores separados que se fijan al circuito del rotor y
separan devanados perforados o formados que se sujetan en forma adhesiva al
Metodologa de diseo y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
30
tablero bsico, en los modelos medianos. El resultado es que la armadura queda
delgada a los largo de la dimensin axial y por tanto no requiere de un ncleo
magntico de acero al silicio para mantener el entrehierro entre los polos del campo
en un tamao razonable. Los polos del campo se disponen paralelos al eje de la
armadura, en vez de hacerlo en forma radial. Esto crea lneas de flujo paralelas al eje
a travs del rea del conductor de la armadura en la regin en la que los
conductores son esencialmente radiales. En la figura 16 se muestra la construccin
de un motor de disco.
Conforme el tamao de los motores aumenta, los problemas usuales del
desarrollo de cualquier construccin intrnsecamente nueva se hacen aparentes. El
calentamiento en el devanado de la armadura, causado por una prdida normal del
tipo I2R, tiene una tendencia a deformar el disco y a aflojar las uniones de los
devanados. Esta dificultad se supera mediante una seleccin cuidadosa de los
materiales, por una parte, y por otra mediante una igualmente cuidadosa proporcin
del tamao y el espacio del entrehierro del campo. Estos motores se pueden fabricar
en cierto rango de tamaos y con cualquier construccin normal de polos de campo
de devanado en serie, en derivacin o compuestos. No obstante, en la actualidad se
usan campos de imn permanentes.
Una de las limitaciones es que es difcil hacer ms de una vuelta de devanado
por bobina. El resultado es que este tipo de motores est limitado a voltajes
pequeos. Sin embargo, la mayora de los servocontroles usan tanto motores como
voltajes pequeos.
Figura 16. Motor de rotor de disco. (Cortesa
de PMI Motors Divisin, Kellmorgen Corp.)
Metodologa de diseo y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
31
1.6.3 Motores enlatados
Su nombre se debe al aspecto de estos pequeos cilindros. Los motores
cilndricos ya existan, como en las marchas de los automviles, pero los motores
muy pequeos se fabricaban por lo comn con una carcasa abierta y una
protuberancia en un extremo para su magneto de campo. As, los motores pequeos
con un envase cilndrico se denominaron como motores enlatados. La forma se debe
a que el envase exterior es una sencilla trayectoria de retorno de acero magntico
del circuito del campo. El campo consiste por lo general en una pieza bipolar de
Alnico o de material magntico cermico y se coloca de manera concntrica dentro
de la lata.
stos motores tambin tienen una inercia muy pequea y no tienden a
bailotear a velocidades y potencias bajas. Los usos que se les da en la actualidad
son los de servocontroles en instrumentacin y, por miles, en los modelos a escala.
Su desempeo es excepcionalmente bueno para el tamao que tienen, ya que la
tendencia al bailoteo de los motores convencionales pequeos con slo tres ranuras
en la armadura era y es muy severa. Esto podra haberse minimizado introduciendo
ms ranuras en la armadura y segmentos del conmutador. Sin embargo, en los
modelos pequeos los alambres del devanado de la armadura son tan delgados
como cabellos, y hacer ms bobinas de tamao an menor sera imprctico.
A pesar de sus ventajas, el tamao de los motores enlatados parece tener en
el presente un lmite debido a la dificultad de sostener en forma adecuada los
devanados de la armadura contra los pares y los esfuerzos centrfugos.
En la actualidad, la fabricacin de este tipo de motores tiene un nicho
especfico, aunque limitado. Su enorme desempeo har que tal nicho se expanda,
ya que est limitado slo por factores de costos competitivos y por los mtodos
prcticos de fabricacin. El intervalo actual de tamao va desde poco ms de una
pulgada de dimetro (25-30 mm) hacia abajo.
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1.6.4 Motores sin Escobillas
Todos los motores y generadores considerados hasta ahora tienen una
armadura construida como un elemento rotatorio o rotor. Esto ha sido conveniente
porque todas las mquinas consideradas requieren de un mecanismo de
conmutacin giratorio para seleccionar la polaridad de las conexiones de la bobina
de la armadura. Quienes disean motores y generadores han soado desde hace
tiempo con eliminar el conmutador y las escobillas que, hasta hace muy pocos aos,
eran el nico medio prctico de efectuar el proceso requerido de conmutacin.
Slo hasta hace poco han hecho su aparicin diversos medios prcticos para
conmutar las polaridades de la bobina sin el uso de escobillas y conmutadores.
La mayora de estos nuevos modelos aprovecha el hecho de que no es
necesario un mecanismo rotatorio de conmutacin en el motor si el devanado de la
armadura se coloca en una posicin estacionaria en el estator. El campo es por lo
general un imn permanente, el cual se monta sobre el eje y hace las veces del rotor.
Esta construccin invertida se parece mucho a las armaduras bsicas de ca.
2 Construccin fsica de Mquinas de Corriente Alterna
2.1 Construccin mecnica
A excepcin de los tipos especializados, como el motor universal de ca-cd, el
cual se parece mucho a un motor de cd en serie, casi todos los motores y los
generadores de ca se construyen aprovechando la relacin natural de tener la
armadura fija y en torno al campo, con el campo en movimiento y dentro de la
armadura.
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2.2 Devanados del alternador
Los tipos de devanados que se usan en maquinaria de ca estn
estrechamente relacionados con los devanados para cd. Se utilizan devanados tanto
traslapados como ondulados, pero el traslapado es mucho ms comn porque las
conexiones de bobina son ms cortas.
Puesto que las mquinas trifsicas requieren tres grupos idnticos de
devanados separados por 120 grados elctricos, y como los polos deben existir por
pares, hay ciertas reglas que afectan a los devanados y al espaciamiento de las
ranuras de la estructura magntica.
Los grados elctricos se refieren al ngulo cclico de la onda senoidal
repetitiva, donde un ciclo completo equivale a 360 grados elctricos. Puesto que los
polos magnticos opuestos producen voltajes opuestos en una situacin de bobina
en movimiento a polo, la diferencia mxima de voltaje a lo largo de una onda
senoidal se encuentra separada por 180 grados elctricos, el cual tiene lugar entre
cada polo sucesivo de campo. Los grados elctricos totales en una rotacin de 360
grados mecnicos son pues simplemente 180 veces el nmero de polos, o:
Ecuacin 2-1
Donde P es l numero de polos.
2.2.1 Encordado de los devanados
Un factor de diseo es el encordado de los devanados de los polos, si en la
mquina de 36 ranuras y cuatro polos, una bobina individual entra en la ranura 1 y
retorna en la ranura 10, se habrn abarcado 90 grados mecnicos de la estructura
circular del estator. Puesto que por definicin hay cuatro polos en este caso, 90
grados mecnicos son 180 grados elctricos con base en la ecuacin anterior. As,
Grados elctricos totales en una revolucin = 180 P
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los lados de la bobina estn en la misma posicin relativa sobre las posiciones
adyacentes de los polos norte y sur. Esta es una construccin de las bobinas de
paso completo (vase en la Figura 17 una representacin de esta condicin).
La bobina de mquina de ca ms comn cubre menos de la periferia de la
mquina y se dice por lo tanto que es de paso fraccionario, en una situacin tpica
una bobina puede entrar en la ranura 1 y salir por la ranura 7, esto cubre seis de
nueve posibles pasos de ranura, y tiene por tanto un paso de 6/9 o 66.7%. La
mayora de las bobinas de mquinas de ca es del tipo de paso fraccionario, el cual
presenta algunas ventajas importantes.
(1) Los extremos de las bobinas son ms cortos, lo cual significa menos prdidas
en el cobre gracias a una longitud total menor.
(2) A las bobinas de los extremos se les puede dar una forma ms compacta, las
campanas de los extremos necesitan menos espacio de devanado, lo que da
por resultado una unidad ms corta.
Aqu tambin, en la situacin con 36 ranuras, y con bobinas de paso ya sea
completo o fraccionario, las 36 bobinas son todas iguales.
Figura 17. Estator de ca de cuatro polos con bobinas de paso completo
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Figura 18. Bobinas de doble capa en un estator de ca.
2.2.2 Conexiones de grupos de bobinas
La figura 18, muestra como se depositan las bobinas dentro de las ranuras. La
inmensa mayora de las mquinas con devanados traslapados u ondulado emplea
esta disposicin de devanado en capas dobles. Esto es muy parecido a la forma de
devanar una armadura de cd la interconexin de las bobinas da por resultado, como
en la situacin de las 36 bobinas, 12 grupos de tres bobinas por grupo. Cada grupo
se asocia luego con una fase y un polo. Como hay cuatro polos en esta situacin
sencilla pero real. Hay cuatro grupos de bobinas en cada fase. Esta es la situacin
ordinaria, incluso cuando se usan ms ranuras y bobinas.
Una mquina de 72 ranuras y seis polos devanada para tres fases tendra
72/6 = 12 ranuras por polo y 12/3 = 4 ranuras por fase y por polo. En este caso las
bobinas se conectaran en grupos de cuatro y habra seis de estos grupos de cuatro
bobinas por fase.
Son posibles muchas variedades de conexiones de grupos de bobinas, pero
en la actualidad slo se usan relativamente pocas de ellas. En una mquina trifsica
los grupos de bobinas por fase se renen para todos los polos, y este agrupamiento
mayor se divide por lo comn en dos partes, en la mquina de 36 ranuras, dos
grupos de tres bobinas estn conectados en forma permanente. As pues, hay dos
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de estas conexiones de seis bobinas por fase. Si estn conectadas en serie, el motor
o generador esta ajustado para trabajar con el ms alto de sus voltajes nominales en
esta forma, un motor o generador puede trabajar con 110 o 220 V, o tal vez con 220
o 440 V, y as sucesivamente. Se obtiene de manera inherente una gran flexibilidad
de instalacin.
Cuando estos grupos de bobinas se asocian entre si, el sentido de devanado o
de conexin sobre polos opuestos (norte o sur) debe ser opuesto. As, cada conexin
en serie adyacente por fase y por grupo polar se debe invertir para que la polaridad
sea correcta (vase en la figura 19 una interconexin tpica de bobinas).
Una maquina trifsica, cuando se renen grupos de bobinas de fase, se
conecta luego en estrella o en delta, y tambin en serie o en paralelo, como se
muestra para las conexiones de estrella en la figura 19. Los extremos de grupo de
bobinas de estator de motor trifsico se numeran normalmente del 1 al 9, segn se
muestra, y por lo comn los puntos 10,11 y 12 se sepultan, a menos que se les
necesite de manera especial.
2.2.3 Distribucin de los devanados
Se necesita una ltima definicin antes de intentar el clculo especfico de
voltajes nominales de mquina. Puesto que las bobinas se depositan, por lo comn
como se muestra en la figura 18, se observa que estn espaciadas de manera
uniforme en torno a la periferia del estator de la mquina. Volviendo a la situacin de
36 bobinas y cuatro polos, se puede ver que en este caso especfico cualquiera de
los polos tiene dos grupos de fase de tres bobinas conectadas en serie por polo. Los
voltajes que se generan en las bobinas de un grupo monofsico de tres bobinas no
se suman simplemente. Puesto que cada bobina no es barrida o cortada por la
misma intensidad de flujo magntico al mismo tiempo, no se encuentra en la misma
relacin de tiempo y fase a pesar de que son parte del mismo devanado de fase.
Todos estos factores, que constituyen un devanado multifsico, de dos niveles,
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encordado o distribuido en pasos completos, son aplicables a diversos generadores y
motores de ca, tanto grandes como pequeos.
2.3 Armadura fija o estator
Esta armadura fija y externa tiene un anillo completo con dientes y ranuras en
su cara interna. En una mquina ordinaria, todas las ranuras estn llenas con
bobinas similares y simtricas. Por consiguiente, puede no ser tan evidente cuntos
polos o fases se presentan en el devanado. En el rotor de campo, la construccin
puede ser muy parecida a la de una armadura de cd con una estructura magntica
circular completa que tiene un grupo continuo de ranuras y dientes sobre la superficie
externa. Tambin en este caso las ranuras estn llenas con bobinas similares y
simtricas, y no se aprecia con facilidad cuntos polos o fases tiene la mquina. Con
una construccin de campo de polos salientes, el nmero de polos es visible, como
en una mquina de cd.
Si los lados de las ranuras de devanado son paralelas entre s en una ranura
individual, lo cual constituye un tipo de construccin frecuente, se puede ver en la
figura 20 que la estructura dentada de estator se vuelve ms fuerte conforme se hace
ms profunda. Sin embargo, la misma figura muestra que la ranura del rotor se
vuelve ms dbil al hacerse ms profundo. Esta ventaja en la estructura dentada
para el estator se utiliza en el estator de ca.
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Figura 19. Conexiones tpicas de grupos de bobinas y polos.
A estas alturas ya puede uno preguntarse si es necesario usar ranuras con
lados paralelos. No son necesarias en los tamaos pequeos, sin embargo en los
grandes, donde las bobinas se hacen con alambre de seccin transversal grande y el
aislamiento se debe distribuir con el mayor cuidado, se requiere la ranura de lados
paralelos, puesto que las bobinas grandes se ejecutan, se unen con aislamiento, se
impregnan con barniz y se hornean, no pueden cambiar con facilidad de forma
durante la instalacin en el ncleo magntico.
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Las mquinas ms pequeas de ca. se devanan con bobinas sueltas de
alambre redondo las cuales se pueden deslizar dentro de las ranuras vuelta a vuelta
durante el devanado o la instalacin. De esta manera se puede emplear casi
cualquier forma de ranura. El uso pleno de la seccin transversal de la ranura parece
requerir ranuras laterales paralelas en los tamaos grandes. En todas las ranuras de
la forma que sean, se debe proveer algn medio para aprisionar y sujetar los
devanados en su lugar. Como consecuencia, se prev algn recurso en la ranura
para cua de recubrimiento, incluso si tiene lados paralelos.
Figura 20. Estructura tpica de ranuras de laminados magnticos en una dnamo de ca.
En el estator de una mquina de ca la corriente vara en forma continua con la
rapidez de repeticin de frecuencia. El flujo magntico resultante vara entonces en la
forma cclica, y hay histresis y prdidas por corrientes parsitas en la estructura
magntica. La estructura esta hecha de placas delgadas de aleacin de acero al
cilicio que troquelan con facilidad para dar forma en matrices de presin construidas
para esa tarea. Los laminados troquelados de estator cubren ordinariamente l
circulo completo en las mquinas de tamao pequeo y mediano. Existen familias
patentadas de tamao progresivamente mayores que cada fabricante ajusta a una
norma. Puesto que las matrices de troquelado son costosas, se suministran slo
Metodologa de diseo y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
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unos pocos nmeros distintos de ranuras y dientes para un tamao bsico. Como se
podr ver, estos nmeros de ranuras determinan el nmero de bobinas que se
puedan alojar.
Las mquinas de tamao mayor se construyen con laminados en segmentos
de tamaos razonables. El tamao depende del ancho del material y los tamaos de
matriz de presin disponibles.
El espesor del material para laminado se determina mediante consideraciones
de prdidas por corrientes parsitas y de manejo del material. El laminado delgado
tiene menos perdidas por corrientes parsitas, pero su manejo se dificulta y los
dientes se doblan con demasiada facilidad. Un espesor de material de alrededor de
0.014 in (0.35mm) se emplea desde hace mucho tiempo para mquinas de ca de 60
Hz. El tamao de material para laminado bajo los tamaos de material acordados en
el SI permanecer tal vez sin cambio, puesto que 0.35 mm es el espesor tentativo
que ocupa el segundo lugar en preferencia. De no ser as, tal vez se usara un
espesor de 0.3 o 0.4 mm, ya que sern vlidas las mismas consideraciones
econmicas y de frecuencia independiente de las unidades de medicin empleadas.
Los nmeros de ranuras estn normalizados en torno a 36, 48, 60 y 72, y as
sucesivamente, por algunas razones mecnicas de los devanados.
2.3.1 Estructura del campo giratorio
La constriccin mecnica del resto de un motor o generador de ca. Se
diferencia excepto por la falta de un conmutador. Con alternadores y motores
sncronos, se usan anillos colectores que sirven para llevar ca. Hacia adentro y
afuera del campo giratorio, ubicados en una posicin similar a la de un conmutador.
Un anillo colector es una aleacin de cobre que esta aislado del eje del rotor y
conectado a los devanados del rotor. Una escobilla de carbn sostiene a un aparejo
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porta escobillas que completa la conexin. Puesto que no se requiere una resistencia
interna particular para facilitar la conmutacin, la escobilla de anillo colector es ms
dura y densa que una de conmutador. Tiene una cada de voltaje menor y por lo
tanto es responsable de menos prdida de potencia que su contraparte de cd.
Cuando los devanados del rotor llevan ca. Trifsica se utilizan tres anillos
colectores, en ciertos casos de motores sncronos ms grandes, se utilizan mltiples
devanados y pueden estar presentes cinco anillos o ms.
Los devanados de armadura de alta energa se colocan sobre la estructura del
estator, que tiene un espacio relativamente mayor para devanados. Por lo comn,
una mquina de ca. Puede ser ms pequea en conjunto que su contraparte de cd.
Con la misma potencia nominal. La falta de un conmutador tambin contribuye a
reducir el tamao ms adelante se podr ver que los tamaos de maquinas de ca.
Tambin estn normalizados de acuerdo con los tamaos de carcasa de NEMA y a
tamaos tentativos de carcasa en el SI. Sin embargo la mquina de ca. Alcanza en
promedio alrededor de 50% ms de potencia dentro del mismo tamao de carcasa.
2.4 Relaciones de voltaje
En los clculos para determinar los amperes vueltas por polo de campo se
usan los mismos procedimientos que se describen anteriormente. Este procedimiento
es vlido excepto si es distinta la disposicin estructural. En una mquina de ca se
seguir la misma divisin del circuito a travs del centro de los polos. Sin embargo, la
geometra real de los polos no es tan obvia a menos que se use una construccin de
rotor de campo con polos salientes. Saliente significa aqu individual y por separado
en el sentido de los polos de campo en una mquina de cd. Con polos salientes, se
considerara una divisin arbitraria de 360/nmero polos. En este caso los polos
estn unidos al ncleo del rotor y el entrehierro est en el extremo exterior de los
polos en vez del extremo interior. La carcasa exterior principal est dentada en su
cara interior para alojar los devanados del estator o armadura. Un rotor de campo
con polos no salientes o cilndricos tiene una estructura dentada similar a la de
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armadura de cd, y su dimetro llena el espacio dentro del rotor a excepcin del
entrehierro. En este caso las ubicaciones de los polos son tan definidas como en la
construccin con polos salientes, pero no es fcil de visualizar.
Tambin se debe tomar en cuenta que se utilizan los mismos materiales y,
que por tanto, son validas las mismas limitaciones de densidad de flujo real en B
lneas / in, o Wb/m2, para una estructura de maquina de ca.
2.4.1. Frmula bsica de generacin de voltaje
Haciendo otra vez referencia a la ley bsica de Faraday, segn fue
cuantificada por Neumann, la ecuacin bsica para el voltaje medio que se genera
en una sola vuelta de bobina de un devanado es:
O, para el sistema internacional:
Las unidades son en cada caso las mismas. Obsrvese que ser necesario
modificar el trmino de voltaje medio para usarlo en una condicin de onda senoidal.
Si estas ecuaciones de por vuelta de