Bobina de campo

Una bobina de campo es un electroimán que se utiliza para generar un campo magnético en una máquina electromagnética, normalmente una máquina eléctrica giratoria, como un motor o un generador. Consiste en una bobina de alambre por la que fluye una corriente.

En una máquina rotativa, las bobinas de campo están enrolladas en un núcleo magnético de hierro que guía las líneas del campo magnético. El núcleo magnético consta de dos partes; un estator que es estacionario y un rotor que gira dentro de él. Las líneas del campo magnético pasan en un bucle continuo o circuito magnético desde el estator a través del rotor y nuevamente a través del estator. Las bobinas de campo pueden estar en el estator o en el rotor.

La trayectoria magnética se caracteriza por polos, ubicaciones en ángulos iguales alrededor del rotor en los que las líneas del campo magnético pasan del estator al rotor o viceversa. El estator (y el rotor) se clasifican por el número de polos que tienen. La mayoría de los arreglos utilizan una bobina de campo por polo. Algunas disposiciones más antiguas o más simples utilizan una bobina de campo único con un polo en cada extremo.

Aunque las bobinas de campo se encuentran más comúnmente en máquinas giratorias, también se utilizan, aunque no siempre con la misma terminología, en muchas otras máquinas electromagnéticas. Estos incluyen electroimanes simples a través de instrumentos complejos de laboratorio como espectros de masa y máquinas NMR. Las bobinas de campo fueron ampliamente utilizadas en altavoces antes de la disponibilidad general de imanes permanentes ligeros.

Campos fijos y rotativos

La mayoría de las bobinas de campo de CC generan un campo estático constante. La mayoría de las bobinas de campo de CA trifásicas se utilizan para generar un campo giratorio como parte de un motor eléctrico. Los motores de CA monofásicos pueden seguir cualquiera de estos patrones:

• Los motores pequeños son generalmente motores universales, como el motor DC cepillado con un conmutador, pero funcionan desde AC.
• Los motores AC más grandes son generalmente motores de inducción, ya sean trifásicos o monofásicos.

Estatores y rotores

Muchas máquinas eléctricas rotativas requieren que la corriente sea transportada (o extraída) de un rotor en movimiento, generalmente por medio de contactos deslizantes: un conmutador o anillos colectores. Estos contactos suelen ser la parte más compleja y menos confiable de dicha máquina y también pueden limitar la corriente máxima que la máquina puede manejar. Por esta razón, cuando las máquinas deben utilizar dos juegos de devanados, los devanados que transportan menos corriente se suelen colocar en el rotor y los de mayor corriente en el estator.

Las bobinas de campo se pueden montar en el rotor o en el estator, dependiendo del método que sea más rentable para el diseño del dispositivo.

En un motor de CC con escobillas, el campo es estático pero la corriente del inducido debe conmutarse para que gire continuamente. Esto se hace alimentando los devanados del inducido del rotor a través de un conmutador, una combinación de anillo colector giratorio e interruptores. Los motores de inducción de CA también utilizan bobinas de campo en el estator, siendo suministrada la corriente al rotor por inducción en una jaula de ardilla.

Para los generadores, la corriente de campo es menor que la corriente de salida. En consecuencia, el campo se monta en el rotor y se alimenta a través de anillos colectores. La corriente de salida se toma del estator, evitando la necesidad de anillos colectores de alta corriente. En los generadores de CC, que hoy en día están generalmente obsoletos en favor de los generadores de CA con rectificadores, la necesidad de conmutación significaba que aún podrían necesitarse escobillas y conmutadores. En el caso de los generadores de alta corriente y bajo voltaje utilizados en la galvanoplastia, esto podría requerir escobillas especialmente grandes y complejas.

Campos bipolares y multipolares

En los primeros años de desarrollo de generadores, el campo de estator pasó por una mejora evolutiva de un solo campo bipolar a un diseño multipole posterior.

Los generadores bipolares eran universales antes de 1890, pero en los años siguientes fueron reemplazados por los imanes de campo multipolar. Los generadores bipolares sólo se fabricaban en tamaños muy pequeños.

El trampolín entre estos dos tipos principales fue el generador bipolar de polos consiguientes, con dos bobinas de campo dispuestas en un anillo alrededor del estator.

Este cambio era necesario porque los voltajes más altos transmiten energía de manera más eficiente a través de cables pequeños. Para aumentar el voltaje de salida, un generador de CC debe girar más rápido, pero más allá de cierta velocidad esto no es práctico para generadores de transmisión de energía muy grandes.

Al aumentar el número de caras polares que rodean el anillo de Gramme, se puede hacer que el anillo corte más líneas de fuerza magnéticas en una revolución que un generador bipolar básico. En consecuencia, un generador de cuatro polos podría generar el doble de voltaje que un generador de dos polos, un generador de seis polos podría generar tres veces el voltaje de uno de dos polos, y así sucesivamente. Esto permite que el voltaje de salida aumente sin aumentar también la velocidad de rotación.

En un generador multipolar, la armadura y los imanes de campo están rodeados por un marco circular o "yugo anular" al que están unidos los imanes de campo. Esto tiene las ventajas de resistencia, simplicidad, apariencia simétrica y fuga magnética mínima, ya que las piezas polares tienen la menor superficie posible y la trayectoria del flujo magnético es más corta que en un diseño bipolar.

Materiales de bobinado

Las bobinas suelen estar enrolladas con alambre de cobre esmaltado, a veces denominado alambre magnético. El material del devanado debe tener una resistencia baja, para reducir la energía consumida por la bobina de campo, pero más importante aún, para reducir el calor residual producido por el calentamiento resistivo. El exceso de calor en los devanados es una causa común de falla. Debido al aumento del coste del cobre, se utilizan cada vez más devanados de aluminio.

Un material incluso mejor que el cobre, excepto por su alto coste, sería la plata, ya que tiene una resistividad aún menor. En casos raros se ha utilizado plata. Durante la Segunda Guerra Mundial, el proyecto Manhattan para construir la primera bomba atómica utilizó dispositivos electromagnéticos conocidos como calutrones para enriquecer uranio. Se tomaron prestadas miles de toneladas de plata de las reservas del Tesoro de Estados Unidos para construir bobinas de campo altamente eficientes y de baja resistencia para sus imanes.