Explicación

11.1 Voltaje inducido en un lazo de conductor

Construir una máquina de corriente directa es más sencillo de lo que podría pensarse. Observa la figura 1:

Figura 1. Esquema común de un motor eléctrico

Puedes apreciar que hay dos imanes, uno que proyecta su polo norte (N) y uno que proyecta su polo sur (S) hacia el mismo lugar. Entre los dos imanes podrás ver una espira cuadrada de alambre (o cualquier material conductor). Imagina que esta espira tiene la libertad de girar sobre su propio eje.

¡Esto es todo lo que se necesita para formar una máquina de corriente directa!

La parte que rota, es decir, el alambre, se conoce como rotor. La parte que se encuentra estática (los imanes) se conoce como estator.

De tus cursos básicos de física, debes recordar que los imanes producen líneas de flujo, que es una representación del campo magnético. Estas líneas salen del polo norte, y llegan al polo sur, tal y como se muestra en la siguiente figura 2:

Figura 2. Línea de flujo de un imán

Así que en nuestro modelo de máquina de corriente directa habrá líneas de campo magnético que salen de N, llegan a S, y cortan la espira de material conductor que se encuentra girando dentro de la estructura.

Según la ley de inducción de Faraday, cuando un conductor se mueve en un campo magnético externo, en sus terminales se induce un voltaje. En este caso, al estar el conductor girando dentro del campo externo, en sus terminales se induce un voltaje que varía en el tiempo. La magnitud del voltaje en el tiempo tiene una forma de este tipo, es una señal casi senoidal.

Figura 3. Magnitud de voltaje en el tiempo

Fuente: Chapman, S. (2012). Máquinas eléctricas (5ª ed.). México: McGraw-Hill.

Esa señal de voltaje no es de corriente directa, sino de corriente alterna. Recuerda que la corriente alterna varía entre el positivo y lo negativo a cada ciclo, justo como se ve en la figura 3, la corriente directa tiene un valor constante en el tiempo.

Ahora, ¿de qué magnitud es el voltaje inducido en esta máquina rotativa? En general, depende de tres cosas:

Este es el principio básico de generación de voltaje en una máquina de corriente directa. Es exactamente igual al que encuentras en una máquina de corriente alterna. La diferencia entre ambas máquinas es un paso muy importante conocido como conmutación.

11.2 Conmutadores en las máquinas de corriente directa

El propósito de un conmutador es convertir la salida de corriente alterna de la espira de conductor a una salida de corriente directa, es decir, que mantenga siempre la misma polaridad.

¿Cómo funciona?

En la figura 4, casi al centro de la imagen, podrás observar dos pequeñas barras amarillas que se encuentran sobre las terminales de la espira donde se induce el voltaje.

Figura 4. Ilustración de multipolar motor eléctrico con bandas magnéticas de metal y el conmutador

En la figura 5 se puede apreciar otro ángulo, señalado por una flecha roja, el llamado conmutador o anillo de conmutación.

Figura 5. Ilustración del conmutador y escobillas de un motor

Imagen obtenida de: http://www.rs-online.com/designspark/electronics/blog/content-118. Sólo para fines educativos

En la imagen se observa que éste está fijo a una de las terminales de nuestra espira de conductor que gira en el campo magnético. Un conmutador por cada extremo de la espira. Señalado en un círculo azul, están las escobillas de conmutación, éstas se encuentran fijas, y es de donde se obtendrá la señal de corriente directa. El funcionamiento de este esquema es el siguiente:

Al girar, la polaridad del voltaje producido en cualquiera de los extremos de la espira se alterna de positivo a negativo.
Para evitar esta variación, las escobillas se encuentran fijas y se dirigen al exterior de la máquina.
Cuando una de las terminales de la máquina produce un voltaje positivo, la otra produce un voltaje negativo, y así sucesivamente.
Como la escobilla no cambia de posición, siempre estará en contacto con la misma polaridad de voltaje (positiva o negativa), sin importar el extremo de la espira con la que esté haciendo contacto.
De este modo, en las terminales de las escobillas siempre se verá un voltaje de polaridad constante.

En la figura 6 se observa la señal obtenida de un motor de corriente directa

Figura 6. Señal obtenida de un motor de CD

Fuente: Chapman, S. (2012). Máquinas eléctricas (5ª ed.). México: McGraw Hill.

En una máquina eléctrica de corriente directa (CD) real, podrías encontrar algo muy parecido a lo observado en la figura 7.

Figura 7. Maquina eléctrica real

En la figura 7 puedes observar los anillos de conmutación, que son los que provienen del rotor de la máquina, donde se produce el voltaje de corriente alterna. En la parte externa de la figura se observan las escobillas de conmutación. Estas escobillas son similares a las que observas en la figura 5, y son las encargadas de rectificar el voltaje de corriente alterna y convertirlo en un voltaje de corriente directa. Si observas cuidadosamente, se pueden ver unas pequeñas chispas que son un efecto secundario del proceso de conmutación. Éstas son normales y no deben producir ningún problema.

La pequeña chispa que se observa en la figura es un efecto normal del proceso de conmutación que no debe alarmarte. Sin embargo, a lo largo de un periodo de tiempo suficientemente extenso, se puede producir cierto desgaste por carbonización y roce con la máquina, requiriendo un cambio en las escobillas y en los anillos de conmutación. Esto es parte del proceso normal de desgaste y debe de estar previsto en los ciclos de mantenimiento.

11.3 Construcción real de las máquinas eléctricas de CD

Los principios de generación de voltaje y conmutación son válidos en todas las máquinas de corriente directa. Las principales componentes de este tipo de máquinas son:

La construcción de las máquinas de corriente directa puede parecer complicada, pero fundamentalmente es una gran cantidad de espiras de alambre girando dentro de un campo magnético. El campo magnético está provisto (generalmente) por el estator funcionando como electroimán, o bien por imanes permanentes. Las espiras de alambre se encuentran en el rotor (circuito de armadura).