El sencillo principio de la rotación de los motores: Cómo la fuerza magnética crea la dirección

Entendiendo esta idea central, el principio de motor rotación, desvela los secretos de muchas cosas que utilizamos a diario. En este artículo aprenderás cómo funciona exactamente un motor, qué hace que gire en una dirección determinada y cómo controlamos su velocidad. Nada de matemáticas complejas, sólo una visión clara y directa de la fuerza magnética que impulsa nuestro mundo.

¿Cuál es el principio básico de la rotación de los motores?

Todo se reduce a una simple regla de la naturaleza: los opuestos se atraen y los semejantes se repelen. Piensa en jugar con dos imanes. Si intentas juntar los dos polos norte, se empujan mutuamente. Pero si le das la vuelta a uno, los polos norte y sur se juntan. Este simple tira y afloja es la fuerza que está en el corazón de todos y cada uno de los motores eléctricos.

El principio básico de la rotación del motor es utilizar este empuje y tracción magnéticos para crear un movimiento giratorio continuo. Pero no utilizamos dos imanes normales. Usamos un imán normal y un tipo especial de imán que podemos encender y apagar con electricidad. Si sincronizamos cuidadosamente el empuje y el tirón, conseguiremos que parte del motor persiga un campo magnético en círculo. Esta persecución es la rotación que ves. Todo el asombroso diseño de un motor se basa en este sencillo y poderoso principio.

¿Cómo hace girar un motor la fuerza magnética?

Entonces, ¿cómo utilizamos esa fuerza magnética para hacer girar algo? Un motor básico consta de dos partes principales. Una parte es un imán estacionario (o imanes). La otra es el rotor, que es la parte que gira. En este rotor, enrollamos un cable formando una bobina. Cuando enviamos una corriente eléctrica a través de esta bobina, ocurre algo asombroso: se convierte en un imán temporal, llamado electroimán. Esta es la clave de todo.

Ahora tienes dos imanes: el fijo y el nuevo electroimán en el rotor. El polo norte de nuestro electroimán será empujado por el polo norte del imán fijo y atraído hacia su polo sur. Este tira y afloja crea una fuerza que hace que el rotor gire. Este movimiento de giro es el movimiento rotacional que queremos. El objetivo del diseño de cualquier motor es hacer que esta fuerza magnética trabaje de la forma más eficiente posible para producir una rotación suave.

¿Qué papel desempeña la corriente eléctrica en este principio?

La corriente eléctrica es el combustible del motor. Sin ella, la bobina de alambre no es más que un trozo de cobre. No tiene fuerza magnética. Cuando enviamos una corriente a través del alambre, generamos un campo magnético. Este es el principio fundamental que conecta la electricidad y el magnetismo. La cantidad de corriente que enviamos afecta directamente a la fuerza de nuestro electroimán. Una corriente pequeña crea un campo magnético débil, y una corriente mayor crea uno potente.

Esto es lo que nos permite controlar el motor. La corriente es lo que encendemos y apagamos para que el motor se ponga en marcha o se pare. También es lo que ajustamos para cambiar el comportamiento del motor. El simple hecho de enviar una corriente eléctrica a una bobina es el desencadenante de toda la generación de movimiento. El diseño del motor se basa en cómo utilizar mejor el campo magnético que crea esta corriente para producir potencia mecánica útil y rotación.

¿Se puede cambiar el sentido de giro de un motor?

Por supuesto. Y la forma en que lo hacemos es sorprendentemente sencilla. Se remonta al principio de nuestro electroimán. La dirección en la que fluye la corriente a través de la bobina determina qué extremo se convierte en el polo norte y cuál en el polo sur. Si la corriente fluye en un sentido, el lado izquierdo podría ser el norte. Si invertimos el sentido de la corriente, el lado derecho se convertirá en el norte. Hemos invertido los polos del imán.

Para cambiar el sentido de giro de un motor, basta con cambiar la dirección de la corriente que circula por la bobina. Supongamos que el motor gira en el sentido de las agujas del reloj. Invirtiendo la corriente, invertimos los polos magnéticos del rotor. Ahora, las fuerzas que lo empujaban en el sentido de las agujas del reloj lo empujan en sentido contrario. El motor se detendrá y empezará a girar en sentido antihorario. Esta capacidad de cambiar fácilmente de dirección es una característica crítica para muchas aplicaciones de motores, desde los elevalunas de un coche hasta los robots de una fábrica. Es un cambio sencillo que tiene un gran efecto en el rendimiento del motor.

¿Cómo se controla la velocidad de rotación del motor?

Controlar la velocidad de un motor es otra cosa que parece compleja pero se basa en una idea sencilla. ¿Recuerdas cómo la intensidad de la corriente afecta a la intensidad del campo magnético? Pues bien, un campo magnético más intenso crea una mayor fuerza de empuje y tracción. Esta mayor fuerza hace que la rotación del motor sea más rápida. Así que, para controlar la velocidad del motor, sólo tenemos que controlar la cantidad de energía que recibe.

Esto se suele hacer cambiando el voltaje. Un voltaje más alto empuja más corriente a través de la bobina, lo que crea un campo magnético más fuerte, que se traduce en una mayor velocidad. Un voltaje más bajo significa menos corriente, un campo más débil y una velocidad más lenta. Otro factor que afecta a la velocidad es la carga del motor. Si un motor está tratando de hacer girar un aspa de ventilador pesada, tendrá una velocidad más baja que si está girando sin nada conectado. El diseño del motor y la tensión que se le suministre determinarán su velocidad de giro final.

¿Por qué es importante el diseño del motor para su uso?

El diseño del motor lo es todo. Aunque el principio básico es el mismo, el diseño real de un motor lo cambia todo en cuanto a su rendimiento. El diseño determina la potencia, la velocidad y el rendimiento del motor. Por ejemplo, el material utilizado para los imanes, el número de bobinas y la calidad del cojinete sobre el que gira el eje del motor tienen un gran impacto. Un diseño barato puede utilizar materiales más débiles y calentarse con facilidad.

El uso previsto del motor dicta su diseño. Un motor diminuto para un teléfono móvil con vibración tiene un diseño muy diferente al de un motor grande utilizado para alimentar un coche eléctrico. El motor del teléfono tiene que ser pequeño y consumir muy poca energía. El motor del coche tiene que producir una gran cantidad de potencia y par. La aplicación determina las opciones de diseño. Un buen diseño de motor es aquel que se adapta perfectamente a la tarea que debe realizar, haciendo el mejor uso del principio de rotación para esa tarea específica.

¿Qué es el par y por qué es importante para la fuerza de rotación?

Cuando hablamos de motores, a menudo oímos la palabra "par". El par es simplemente la cantidad de fuerza de torsión que puede producir el motor. No es lo mismo que velocidad. Puedes tener un motor que gire muy rápido pero tenga muy poco par, lo que significa que podrías pararlo fácilmente con los dedos. También puedes tener un motor que gire lentamente pero tenga un par enorme, es decir, que pueda hacer girar algo muy pesado.

El par es la fuerza que pone en marcha la rotación. Un motor necesita generar suficiente par para vencer la inercia (el deseo de un objeto de permanecer inmóvil) y cualquier carga a la que esté conectado. Por ejemplo, el motor de una batidora necesita un par elevado para empezar a girar las cuchillas cuando la jarra está llena de hielo y fruta. Una vez en marcha, la velocidad puede ser más importante. La fuerza de rotación de un motor es una combinación de su par y su velocidad, y un buen diseño de motor proporciona el equilibrio adecuado de ambos para su aplicación.

¿Cómo hacer un cálculo sencillo de la velocidad del motor?

Para muchos motores sencillos, especialmente los de corriente continua, la velocidad de rotación está directamente relacionada con la tensión que se les da. Un cálculo simple, no exacto, o una regla empírica es que si duplicas la tensión, aproximadamente duplicarás la velocidad del motor, suponiendo que la carga permanezca igual.

Un cálculo más formal, aunque básico, podría ser algo así: La velocidad es proporcional a (Tensión - (Corriente x Resistencia)). No te preocupes demasiado por la segunda parte. Lo más importante es que la tensión es el factor principal de la velocidad. Un cálculo real es mucho más complejo e incluye factores como el diseño del motor, el flujo magnético y la carga. Pero para una comprensión básica, basta con recordar lo siguiente: más tensión equivale a más velocidad. Este sencillo cálculo es una buena base para entender el control de motores.

¿Cuáles son los distintos tipos de motores, como los de CC?

Hay muchos tipos diferentes de motores, pero la mayoría de ellos siguen utilizando el mismo principio magnético central del que hemos estado hablando. Uno de los tipos más comunes y fáciles de explicar es el Motor de CC. "CC" significa "corriente continua", lo que significa que la electricidad fluye en una sola dirección. Estos son los tipos de motores que se encuentran en juguetes, drones y muchos aparatos electrónicos portátiles. Tienen un diseño sencillo y son fáciles de controlar.

Los motores de corriente continua de los que hemos hablado utilizan escobillas para cambiar la dirección de la corriente en la bobina a medida que gira, lo que mantiene la rotación. También hay motores de CC sin escobillas, que son más eficientes y utilizan la electrónica para cambiar el campo magnético. También hay motores de CA, que funcionan con la corriente alterna de los enchufes de la pared. Aunque el mecanismo exacto puede cambiar, la idea fundamental -un campo magnético giratorio que provoca una rotación mecánica- es la base de casi todos los tipos de motor.

¿Cómo utiliza una empresa como Nidec Corporation este principio de rotación?

Para ver lo importante que es este principio, basta con fijarse en una empresa como Nidec Corporation. Es líder mundial en la fabricación de motores. Su especialidad es el diseño y la producción de millones de pequeños y precisos motores que nos rodean. El diminuto motor que hace girar el disco duro de un ordenador, el motor que hace vibrar su teléfono y los pequeños ventiladores que enfrían sus aparatos electrónicos... lo más probable es que dominaran el diseño para ese uso específico.

Toman el principio fundamental de la rotación del motor y lo aplican con una ingeniería increíble. Idean el mejor material, el diseño de bobina más eficiente y los controles electrónicos perfectos para crear un motor que haga su trabajo a la perfección con la menor potencia posible. Su trabajo muestra cómo este principio científico básico puede utilizarse para crear una enorme gama de productos que impulsan nuestra vida moderna. El éxito de una empresa como ésta se basa enteramente en el dominio de la generación de fuerza de rotación a través del magnetismo.