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Un motor de CC puede convertir de forma estable la corriente continua en energía mecánica rotacional, principalmente al abordar el problema del "campo magnético unidireccional" generado por la corriente continua mediante un diseño estructural especial. Se basa en un "conmutador" para mantener una dirección constante de la fuerza del rotor, y su funcionamiento implica tres componentes principales: estator, rotor y conmutador, así como dos procesos clave: la acción de la fuerza electromagnética direccional y la conmutación mecánica. El principio específico se puede dividir en las tres partes siguientes:
1. Componentes centrales: Construcción del “marco estructural” para la fuerza direccional
El diseño estructural de un motor de CC se centra en la necesidad de una “rotación continua”, y cada uno de los tres componentes cumple una función distinta:
- EstatorComo parte fija del motor, consta principalmente de polos magnéticos principales, un bastidor y escobillas. Los polos magnéticos principales suelen estar bobinados con devanados de campo; al circular corriente continua a través de ellos, se genera un campo magnético constante (con polos N y S alternados), lo que proporciona un entorno donde el rotor experimenta fuerza. Las escobillas están fijadas al bastidor: un extremo está conectado a una fuente de alimentación de CC externa y el otro extremo está en contacto con el conmutador del rotor, responsable de transmitir la corriente al rotor.
- Rotor (armadura)Ubicado dentro del campo magnético del estator, puede girar alrededor del eje del motor y está compuesto por un núcleo de inducido y devanados de inducido. El núcleo de inducido se fabrica apilando láminas de acero al silicio para reducir las pérdidas por corrientes parásitas. Los devanados de inducido se enrollan en las ranuras del núcleo según un patrón específico y sirven como componente principal para generar fuerza electromagnética mediante la interacción entre la corriente y el campo magnético.
- ConmutadorUna innovación clave de los motores de CC, se fija al eje del rotor y se conecta a ambos extremos de los devanados del inducido. Está compuesto por múltiples segmentos de cobre aislados (el número de segmentos de cobre coincide con el número de vueltas de los devanados del inducido). Actúa como un convertidor de dirección de corriente y cambia la dirección de la corriente en los devanados del inducido en tiempo real mediante contacto deslizante con las escobillas.
2. Mecanismo operativo: La “lógica central” para lograr la rotación continua
La rotación de un motor de CC depende de la sinergia entre la “generación de fuerza electromagnética” y el “ajuste del conmutador”, y el proceso específico se divide en dos pasos:
- Generación direccional de fuerza electromagnéticaCuando la corriente continua externa fluye hacia el conmutador a través de las escobillas y luego hacia los devanados del inducido, los conductores de estos últimos, ubicados en el campo magnético constante del estator, experimentan una fuerza electromagnética según la regla de la mano izquierda de Fleming. Por ejemplo, los conductores situados debajo del polo N del estator experimentan una fuerza hacia la derecha, mientras que los situados debajo del polo S experimentan una fuerza hacia la izquierda. Estas fuerzas forman colectivamente un par electromagnético que impulsa el rotor a girar en sentido horario.
- Función de conmutación del conmutador:Cuando el rotor gira hasta el punto donde “los conductores de los devanados del inducido cruzan la línea central de los polos magnéticos del estator”, si la dirección de la corriente permanece sin cambios, la dirección del campo magnético que actúa sobre los conductores se invertirá, provocando que la dirección de la fuerza electromagnética se invierta e impidiendo que el rotor gire continuamente. En este punto, el conmutador gira sincrónicamente con el rotor. A través de la conmutación de contacto entre los segmentos de cobre y las escobillas, invierte con precisión la dirección de la corriente en el conductor (la corriente que originalmente fluía hacia adentro ahora fluye hacia afuera), manteniendo la misma dirección de la fuerza electromagnética (aún impulsando el rotor para girar en el sentido de las agujas del reloj). Este ciclo se repite: cada vez que el rotor gira 180°, el conmutador ajusta la dirección de la corriente una vez, asegurando que el rotor siempre reciba un par electromagnético en la misma dirección y permitiendo la rotación continua.
3. Importancia práctica del principio: determinación del rendimiento y las aplicaciones de los motores de CC
Este principio básico otorga a los motores de CC ventajas únicas: al ajustar el voltaje de la armadura o la corriente de campo, se puede lograr fácilmente una regulación suave de la velocidad (p. ej., variación continua de baja a alta velocidad). Además, tienen un alto par de arranque, lo que les permite arrancar equipos de carga pesada. Por lo tanto, los motores de CC se utilizan ampliamente en escenarios que requieren alta precisión en el control de la velocidad, como los accionamientos de husillo para máquinas herramienta y máquinas de tracción de ascensores en el sector industrial, los sistemas de accionamiento para vehículos eléctricos tradicionales en el sector del transporte y las herramientas eléctricas y los motores de cintas de correr en los electrodomésticos. Sin embargo, debido a la fricción mecánica entre el conmutador y las escobillas, los motores de CC tienen costos de mantenimiento relativamente más altos y una vida útil más corta en comparación con los motores de CA. Esto también ha impulsado el desarrollo de motores de CC sin escobillas (que utilizan conmutación electrónica en lugar de conmutación mecánica).
