Campo magnético giratorio

Campos magnéticos oscilantes. La corriente de onda sine en cada una de las tres bobinas estacionarias produce tres campos magnéticos sine variable perpendicular al eje de rotación. Los tres campos magnéticos agregan como vectores para producir un solo campo magnético giratorio.

U.S. Patent 381968: Mode and plan of operating electric motors by progressive shifting; Field Magnet; Armature; Electrical conversion; Economical; Transmission of energy; Simple construction; Easier construction; Rotating magnético field principles.

Un campo magnético giratorio es el campo magnético resultante producido por un sistema de bobinas colocadas simétricamente y alimentadas con corrientes polifásicas. Un campo magnético giratorio puede ser producido por una corriente polifásica (dos o más fases) o por una corriente monofásica siempre que, en este último caso, se suministren dos devanados de campo y estén diseñados de tal manera que los dos campos magnéticos resultantes generados por ellos están fuera de fase.

Los campos magnéticos giratorios se utilizan a menudo para aplicaciones electromecánicas, como motores de inducción, generadores eléctricos y reguladores de inducción.

Historia

En 1824, el físico francés François Arago formuló la existencia de campos magnéticos giratorios utilizando un disco de cobre giratorio y una aguja, denominados "rotaciones de Arago". Los experimentadores ingleses Charles Babbage y John Herschel descubrieron que podían inducir la rotación en el disco de cobre de Arago haciendo girar un imán de herradura debajo de él, y el científico inglés Michael Faraday atribuyó más tarde el efecto a la inducción electromagnética. En 1879, el físico inglés Walter Baily reemplazó los imanes de herradura con cuatro electroimanes y, al encender y apagar manualmente los interruptores, demostró un motor de inducción primitivo.

La idea de un campo magnético giratorio en un motor de CA fue explorada por el físico e ingeniero eléctrico italiano Galileo Ferraris y el inventor e ingeniero eléctrico serbio-estadounidense Nikola Tesla. Ferraris escribió sobre la investigación del concepto y construyó un modelo de trabajo en 1885. Tesla intentó varios diseños (sin éxito) y modelos de trabajo a principios de la década de 1880 antes de construir un prototipo de trabajo en 1887 De acuerdo con el principio de campo magnético giratorio de Ferrari, Friedrich August Haselwander desarrolló el primer Generador trifásico de CA en 1887. En 1888, Ferraris publicó su investigación en un artículo para la Real Academia de Ciencias de Turín y Tesla obtuvo una patente de los Estados Unidos (Patente de EE. UU. 0,381,968) por su diseño. Basado en el generador Haselwander, Mikhail Dolivo-Dobrovolsky desarrollará un generador y un motor trifásicos para la primera central eléctrica trifásica del mundo construida en 1891 en Frankfurt, Alemania.

Descripción

El campo magnético giratorio es el principio clave en el funcionamiento de las máquinas de inducción. El motor de inducción consta de un estator y un rotor. En el estator, un grupo de devanados fijos están dispuestos de manera que una corriente bifásica, por ejemplo, produce un campo magnético que gira a una velocidad angular determinada por la frecuencia de la corriente alterna. El rotor o armadura consta de bobinas enrolladas en ranuras, que están cortocircuitadas y en las que el flujo cambiante generado por los polos de campo induce una corriente. El flujo generado por la corriente del inducido reacciona sobre los polos del campo y el inducido se pone en rotación en una dirección definida.

Campos de rotación. A medida que la dirección de la corriente a través de los vientos cambia, la polaridad de los vientos cambia también. Dado que hay dos vientos actuando en conjunción entre sí, la polaridad del campo principal dependerá de la polaridad de cada viento. La flecha o vector debajo de cada diagrama indica la dirección del campo magnético en cada caso.

Se puede producir un campo magnético giratorio simétrico con tan solo dos bobinas polares accionadas con una fase de 90 grados. Sin embargo, casi siempre se utilizan tres juegos de bobinas, porque es compatible con un sistema de corriente sinusoidal de CA trifásico simétrico. Las tres bobinas se accionan con cada conjunto 120 grados en fase con respecto a los demás. A los efectos de este ejemplo, se considera que el campo magnético es la función lineal de la corriente de la bobina.

El resultado de agregar tres ondas sinusoidales en fase de 120 grados en el eje del motor es un solo vector giratorio que siempre permanece constante en magnitud. El rotor tiene un campo magnético constante. El polo norte del rotor se moverá hacia el polo sur del campo magnético del estator y viceversa. Esta atracción magnetomecánica crea una fuerza que hará que el rotor siga el campo magnético giratorio de manera sincrónica.

Campo magnético de tres fases, como se indica en la flecha negra giratoria

Un imán permanente en tal campo rotará para mantener su alineación con el campo externo. Este efecto se utilizó en los primeros motores eléctricos de corriente alterna. Se puede construir un campo magnético giratorio utilizando dos bobinas ortogonales con una diferencia de fase de 90 grados en sus corrientes alternas. Sin embargo, en la práctica, dicho sistema se alimentaría a través de un arreglo de tres hilos con corrientes desiguales. Esta desigualdad ocasionaría serios problemas en la estandarización del tamaño de los conductores. Para superar esto, se utilizan sistemas trifásicos en los que las tres corrientes son iguales en magnitud y tienen una diferencia de fase de 120 grados. Tres bobinas similares que tengan ángulos geométricos mutuos de 120 grados crearán el campo magnético giratorio en este caso. La capacidad del sistema trifásico para crear el campo giratorio utilizado en los motores eléctricos es una de las razones principales por las que los sistemas trifásicos dominan los sistemas de suministro de energía eléctrica del mundo.

Los campos magnéticos giratorios también se utilizan en motores de inducción. Debido a que los imanes se degradan con el tiempo, los motores de inducción utilizan rotores en cortocircuito (en lugar de un imán), que siguen el campo magnético giratorio de un estator de múltiples bobinas. En estos motores, las vueltas en cortocircuito del rotor desarrollan corrientes de Foucault en el campo giratorio del estator, que a su vez mueven el rotor por la fuerza de Lorentz. Este tipo de motores no suelen ser síncronos, sino que necesariamente implican un grado de 'deslizamiento' para que la corriente se produzca debido al movimiento relativo del campo y el rotor.