En la Figura 1 que se muestra a continuación, podrás observar un típico motor de inducción como el que podrás encontrar realizando una infinidad de funciones en la industria de manufactura automotriz. En algunos autos eléctricos para la propulsión del vehículo se monta una máquina asincrónica trifásica que funciona como motor y también como alternador, la electrónica de potencia transforma la corriente continua de la batería de alto voltaje en una corriente alterna de tres fases para la alimentación del motor eléctrico.

Figura 1. Motor de Inducción

A simple vista, lo único que puedes observar es la carcasa del motor, y la flecha de salida. En base a esto no puedes hacer inferencias sobre su funcionamiento, así que analiza las partes internar del motor y observa cómo están relacionadas a su proceso de conversión de energía.

Figura 2. Estator y rotor

La figura muestra un motor de inducción desarmado. En la figura podrás observar la parte inmóvil del motor, la que está unida a la carcasa. Esta parte se conoce como estator. El estator es la parte del motor de inducción que recibe las conexiones eléctricas y donde se genera el campo magnético rotatorio que habrá de generar el movimiento. Podrás observar que hay un gran número de conductores de cobre en el estator. Estas tienen el nombre de bobinas o devanados. Estos conductores forman espiras alrededor del espacio circular central. La función del estator es generar un campo magnético rotatorio que, por el principio de inducción hará que el rotor empiece a girar.

En la parte derecha de la figura 2 observarás el segundo componente principal del motor de inducción, el rotor. Como su nombre sugiere, es la parte del motor que rota, es decir, tiene movimiento circular y está acoplada a la flecha de salida del motor. Podrás observar con más detalle la construcción del rotor en la figura 3.

Figura 3. Rotor

El rotor es la parte móvil del motor. Su construcción puede ser sólida, o puede ser también un devanado, como se muestra en la figura 3. En cualquier caso, su funcionamiento es igual. El campo magnético del estator, mediante el principio de Faraday, induce un potencial eléctrico (voltaje) en los conductores del rotor, que al estar en corto circuito, ocasiona una corriente en los mismos. Esta corriente a su vez, induce un campo magnético propio del rotor (de acuerdo a la ley de Ampere), y este campo magnético se acopla al campo magnético del estator. El campo magnético del rotor “persigue” al campo magnético del estator, y esto es lo que ocasiona que el rotor gire, y por tanto, se pueda obtener trabajo de la flecha del motor. Recuerda que la flecha del motor está inevitablemente acoplada al rotor, es parte del mismo.

Entre el estator y el rotor, es evidente que debe existir un espacio de aire para que el rotor pueda girar, si este espacio no existiera, el rotor y el estator serían una misma pieza y el motor no podría girar. Este espacio se conoce como entrehierro.

Esa es la totalidad de los componentes del motor de inducción. Es una máquina muy simple que no tiene partes móviles que se rocen, ni componentes mecánicos adicionales. Es por esto que el mantenimiento requerido es mínimo, y su probabilidad de fallo es poca. Esta es la principal razón de que su uso sea tan popular

Tanto el estator como el rotor no son de construcción sólida (una sola pieza) sino que están construidos de laminaciones muy delgadas para minimizar las pérdidas magnéticas asociadas a la histéresis y a las corrientes de Eddy. Esto permite que las máquinas operen con una mayor eficiencia y generando una menor cantidad de calor.

De acuerdo al principio de inducción de Faraday, un conductor que se encuentra dentro de un campo magnético cambiante, experimenta un potencial eléctrico inducido en sus terminales. Esta es la principal razón del nombre de esta máquina eléctrica, opera por el principio de inducción electromagnética. La magnitud de la tensión inducida depende de la magnitud del campo magnético, y de la frecuencia de cambio del mismo.

De acuerdo al principio de la ley de Ampere, un conductor por el cual circula corriente, tiene un campo magnético asociado. La magnitud de este campo magnético es proporcional a la corriente que circula a través de él.

De acuerdo a la ley de Lorentz, un conductor que porta corriente, y que se encuentra dentro de un campo magnético cambiante experimenta una fuerza sobre el mismo. La fuerza es entonces proporcional a la magnitud del campo magnético, a la magnitud de la corriente que circular por el conductor y a la longitud del conductor.

Una fuerza aplicada con un radio de giro, sobre un elemento que tiene libertad de giro alrededor de un eje, genera un par de torsión. El par torsional es proporcional a la fuerza aplicada y al radio sobre el cual se aplica la fuerza en relación al punto de giro.

Teniendo en cuenta todos estos principios, puedes deducir el funcionamiento del motor de inducción de manera sencilla.

Figura 4. Estator

La figura 4 muestra la construcción del estator de un motor de inducción. Estas máquinas pueden ser monofásicas o trifásicas. El principio de funcionamiento es el mismo en ambos casos. Al aplicarle una tensión senoidal a los devanados del estator, empezará a fluir por los mismos una corriente proporcional al voltaje aplicado. Esta corriente, de acuerdo a la ley de Ampere, ocasionará un campo magnético proporcional a la magnitud de la corriente. Debido a la distribución de los devanados alrededor del estator, el campo magnético resultante será rotacional. Una forma sencilla de visualizarlo, es imaginándose un imán de barra, con sus polos norte y sur, girando dentro del estator. Si tomas únicamente el estator de un motor de inducción, y alimentas una tensión senoidal en sus terminales y pones dentro una pequeña canica de acero esta empezará a girar dentro del estator.

Observando la figura 5, la construcción del rotor es muy parecida a la del estator, ya que son una serie de devanados que están en corto circuito.

Figura 5. Devanados de un motor de inducción

En esta figura puedes observar un corte transversal del rotor y del estator. El rotor está compuesto por una serie de devanados de cable que están dispuestos alrededor de la periferia del rotor y en sus terminales se encuentran unidos con un corto circuito. Esta construcción se parece a una de las jaulas donde se ejercitan los roedores, y por tanto se le conoce muy comúnmente como rotor de jaula de ardilla (squirrel cage rotor). El rotor también puede tener una construcción sólida y su principio de operación es exactamente el mismo.

Ahora, considerando que el rotor se encuentra dentro del estator, es un conductor que está dentro de un campo magnético cambiante. Según el principio de inducción de Faraday, el campo magnético induce un potencial en el conductor que está dentro del campo. Este potencial depende de la magnitud del campo y de la frecuencia de cambio del mismo. Como las terminales de estos conductores están cortocircuitadas, el potencial dará origen a una corriente. Esta corriente circula por los devanados del rotor.

Nuevamente, la corriente en los devanados del rotor dará origen a un campo magnético propio del rotor. Este campo magnético estará “persiguiendo” al campo magnético del estator pero siempre tendrá un ligero retraso con respecto al mismo. Si los dos campos magnéticos giraran a la misma velocidad, la inducción en el rotor sería cero y por tanto el motor no podría girar.

De acuerdo a la ley de Lorentz, el rotor (conductor) que tiene una corriente circulando a través de él, y al estar inmerso en un campo magnético (del estator) experimentará una fuerza. Esta fuerza se produce tangencial a la circunferencia del rotor. Esta fuerza tangencial, aplicada en la periferia del rotor, ocasionará un par rotacional y por ende, el rotor empezará a girar. Si el par rotacional incrementa (la carga en la flecha incrementa) la corriente necesaria para inducir ese par será mayor, y por tanto el motor demandará una corriente mayor.

Un circuito equivalente del motor de inducción es exactamente igual al circuito equivalente de un transformador, ya que la operación de ambas máquinas es idéntica en principio. La figura 6 muestra el dicho circuito.

Figura 6. Circuito equivalente de un motor

Imagen obtenida de http://homepages.engineering.auckland.ac.nz/~kacprzak/Image56.gif solo para fines educativos

La diferencia es que un transformador es una máquina estática, y el motor es una máquina rotacional. El transformador tiene como entrada potencia eléctrica, y su salida es potencia eléctrica. El motor tiene una entrada de potencia eléctrica y tiene una salida de potencia mecánica.

• El valor mostrado como Vs en el circuito equivalente es el voltaje de la fuente, el voltaje que se aplica a las terminales del motor.
• Rs es el valor de la resistencia de los devanados del estator. Aunque estén hechos de cobre, y el cobre sea un excelente conductor eléctrico, siempre tendrán una resistencia eléctrica, es inevitable. Esta resistencia ocasiona una ligera caída de tensión y por tanto un campo magnético en el estator de menor intensidad.
• El término jXs representa la reactancia de dispersión en el motor. Esta es una medida de que tanto flujo producido por los devanados del estator es “visto” por el rotor. Lo ideal es que todo el flujo producido por los devanados del estator fuera a parar al rotor, pero esto es físicamente imposible, sin importar la buena calidad del acero eléctrico con el cual esté construido el motor. De modo que siempre habrá una pequeña cantidad de flujo que no pueda contribuir al proceso de conversión de energía, y por tanto se considera como una pérdida.
• El término jXm representa la reactancia de magnetización. Esta parte del circuito representa la corriente que aparece en los devanados cuando el motor se conecta a la fuente de voltaje, aunque no tenga ninguna carga en su flecha. Esta corriente es muy pequeña en comparación a la corriente de carga, y por tanto, para un análisis práctico del motor, esta rama se puede despreciar.
• El término jXr representa la reactancia del dispersión del rotor y describe el mismo fenómeno que jXs. El flujo producido por las corrientes del rotor que no es “visto” por el estator y no contribuye al proceso de conversión de energía.
• El valor Rr es la resistencia del rotor.
• El valor S se le conoce como “slip” o deslizamiento. Este valor depende de la carga que se encuentre conectada a la flecha del motor. Por tanto, la resistencia del rotor depende del porcentaje de carga que se la exija al motor.

Es importante hacer notar que todos estos valores (excepto jXm) se busca que sean lo más pequeños posibles, para maximizar el flujo producido por el estator y el rotor y obtener un funcionamiento más eficiente y menores pérdidas.

Los valores de jXm y R están sujetos a otras consideraciones y forman parte del punto de operación deseado del motor.

Cualquier aparato compuesto por un motor eléctrico transformará la energía eléctrica en energía mecánica. El motor eléctrico es la máquina eléctrica que transforma energía eléctrica en energía mecánica a través de interacciones electromagnéticas.

Revisa a continuación el Checkpoint: