Campo magnético giratorio
Campo magnético resultante
Campos magnéticos oscilantes. La corriente sinusoidal en cada una de las tres bobinas estacionarias produce tres campos magnéticos sinusoidales variables perpendiculares al eje de rotación. Los tres campos magnéticos se suman como vectores para producir un único campo magnético giratorio.
Patente de EE.UU. 381968 : Modo y plan de funcionamiento de motores eléctricos por desplazamiento progresivo; Imán de campo; Armadura; Conversión eléctrica; Económico; Transmisión de energía; Construcción simple; Construcción más fácil; Principios del campo magnético giratorio.

Un campo magnético rotatorio (RMF) es el campo magnético resultante producido por un sistema de bobinas colocadas simétricamente y alimentadas con corrientes polifásicas . [1] Un campo magnético rotatorio 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 manera que los dos campos magnéticos resultantes generados por ellos estén desfasados. [2]

Los campos magnéticos rotativos 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 rotatorios 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 . [3] En 1879, el físico inglés Walter Baily reemplazó los imanes de herradura con cuatro electroimanes y, al encender y apagar interruptores manualmente, demostró un motor de inducción primitivo. [4] [5] [6] [7] [8]

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 . [9] Ferraris, que investigó sobre la teoría y el diseño de maquinaria de corriente alterna, construyó un modelo funcional para una demostración en el aula en 1885, pero no lo describió públicamente hasta 1888. [10] Tesla intentó varios diseños y modelos funcionales (sin éxito) a principios de la década de 1880 antes de construir un prototipo funcional en 1887 [11] [12] [13] Según el principio de campo magnético giratorio de Ferraris, Friedrich August Haselwander desarrolló el primer generador trifásico de CA en 1887. [14] 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 estadounidense 0.381.968 ) para su diseño. Basado en el generador Haselwander, Mikhail Dolivo-Dobrovolsky desarrolló un generador y motor trifásico para la primera planta de energía trifásica del mundo construida en 1891 en Frankfurt, Alemania. [15]

Descripción

El campo magnético rotatorio 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 tal 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 inducido consta de bobinas enrolladas en ranuras, que están cortocircuitadas y en las que el flujo cambiante generado por los polos del 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. [2]

Campos giratorios. A medida que cambia la dirección de la corriente a través de los devanados, también cambia la polaridad de los devanados. Como hay dos devanados que actúan conjuntamente, la polaridad del campo principal dependerá de la polaridad de cada devanado. La flecha o vector que aparece debajo de cada diagrama indica la dirección del campo magnético en cada caso. [16]

Se puede producir un campo magnético rotatorio simétrico con tan solo dos bobinas de bobinado polar 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 trifásica simétrica . Las tres bobinas se accionan con cada juego a 120 grados de fase de los demás. Para el propósito de este ejemplo, se considera que el campo magnético es la función lineal de la corriente de la bobina.

El resultado de sumar tres ondas sinusoidales en fase de 120 grados en el eje del motor es un único vector rotatorio que siempre permanece constante en magnitud. [17] 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 impulsará al rotor a seguir el campo magnético rotatorio de manera sincrónica .

Campo magnético trifásico giratorio, como lo indica la flecha negra giratoria

Un imán permanente en un campo de este tipo girará 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, un sistema de este tipo se alimentaría a través de una disposición de tres cables con corrientes desiguales. Esta desigualdad causaría graves problemas en la estandarización del tamaño del conductor. 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 tienen 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 principales razones por las que los sistemas trifásicos dominan los sistemas de suministro de energía eléctrica del mundo.

Los campos magnéticos rotatorios también se utilizan en los 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 rotatorio de un estator con múltiples bobinas. En estos motores, las espiras en cortocircuito del rotor desarrollan corrientes parásitas en el campo rotatorio del estator, que a su vez mueven el rotor mediante la fuerza de Lorentz . Este tipo de motores no suelen ser síncronos, sino que necesariamente implican un grado de "deslizamiento" para que la corriente pueda producirse debido al movimiento relativo del campo y el rotor.

Véase también

Referencias

  1. ^ Graham, Frank Duncan (1921). Guía de ingenieros y mecánicos de Audel. Nueva York: THEO. AUDEL & CO. pág. 594.
  2. ^ ab Bucher, Elmer E. (enero de 1919). "Instrucción inalámbrica práctica". The Wireless Age . 6 (4): 18–19.
  3. ^ Carlson, W. Bernard (2013). Tesla: inventor de la era eléctrica. Princeton University Press. págs. 52-54. ISBN 978-1400846559.
  4. ^ Carlson, W. Bernard (2013). Tesla: inventor de la era eléctrica. Princeton University Press. pág. 55. ISBN 978-1400846559.
  5. ^ Babbage, C.; Herschel, JFW (enero de 1825). "Relato de la repetición de los experimentos de M. Arago sobre el magnetismo manifestado por varias sustancias durante el acto de rotación". Philosophical Transactions of the Royal Society . 115 : 467–496. Bibcode :1825RSPT..115..467B. doi : 10.1098/rstl.1825.0023 . Consultado el 2 de diciembre de 2012 .
  6. ^ Thompson, Silvanus Phillips (1895). Corrientes eléctricas polifásicas y motores de corriente alterna (1.ª ed.). Londres: E. & FN Spon. pág. 261. Consultado el 2 de diciembre de 2012 .
  7. ^ Baily, Walter (28 de junio de 1879). "Un modo de producir la rotación de Arago". Revista filosófica . 3 (1). Taylor & Francis: 115–120. Bibcode :1879PPSL....3..115B. doi :10.1088/1478-7814/3/1/318.
  8. ^ Vučković, Vladan (noviembre de 2006). "Interpretación de un descubrimiento" (PDF) . The Serbian Journal of Electrical Engineers . 3 (2) . Consultado el 10 de febrero de 2013 .
  9. ^ Hughes, Thomas Parke (1983). Redes de poder: electrificación en la sociedad occidental, 1880-1930. Baltimore: Johns Hopkins University Press. pág. 117. ISBN 9780801828737.
  10. ^ "Ferraris". Enciclopedia Americana: de Falstaff a Francke . Vol. 11 (edición internacional). Danbury, Connecticut: Scholastic Library. 2004. pág. 124.
  11. ^ Carlson, W. Bernard (2013). Tesla: inventor de la era eléctrica. Princeton University Press. págs. 63-68. ISBN 978-1400846559.
  12. ^ Desmintiendo el mito de Tesla
  13. ^ O'Neill, John. Genio pródigo: La vida de Nikola Tesla . págs. 55–58.
  14. ^ Hooshyar, H.; Savaghebi, M.; Vahedi, A. (2007). "Generador síncrono: Pasado, presente y futuro". África 2007 . págs. 1–7. doi :10.1109/AFRCON.2007.4401482. ISBN 978-1-4244-0986-0. Número de identificación del sujeto  28833835.
  15. ^ Historia y cronología de la energía CA
  16. ^ Estados Unidos, Oficina de Personal Naval (1945). Trabajo avanzado en electricidad de aeronaves. Washington: Oficina de Prensa del Gobierno de los EE. UU., págs. 149-150.
  17. ^ Producción de campo magnético rotatorio, | electricaleasy.com

Dominio públicoEste artículo incorpora texto de esta fuente, que se encuentra en el dominio público : The Wireless Age . Nueva York, Marconi Pub. Corporation. 1918.

Lectura adicional

  • C Mackechnie Jarvis (1970). "Nikola Tesla y el motor de inducción". Phys Educ . 5 (5): 280–7. Bibcode :1970PhyEd...5..280M. doi :10.1088/0031-9120/5/5/306. S2CID  250845406.
  • Owen, EL (octubre de 1988). "La historia del motor de inducción". Potenciales del IEEE . 7 (3): 27–30. doi :10.1109/45.9969. S2CID  19271710.
  • Beckhard, Arthur J., "El genio eléctrico Nikola Tesla". Nueva York, Messner, 1959. LCCN 59007009 /L/AC/r85 (ed. 192 p.; 22 cm.; biografía con notas sobre las invenciones de los motores de campo magnético rotatorio para corriente alterna.)
  • Kline, R. (1987). "Teoría de la ciencia y la ingeniería en la invención y desarrollo del motor de inducción, 1880-1900". Tecnología y cultura . 28 (2): 283–313. doi :10.2307/3105568. JSTOR  3105568.
  • Cēbers, A. (13 de diciembre de 2002). "Dinámica de una gota magnética alargada en un campo giratorio". Phys. Rev. E . 66 (6): 061402. Bibcode :2002PhRvE..66f1402C. doi :10.1103/PhysRevE.66.061402. PMID  12513280.
  • Cēbers, A. & I. Javaitis (2004). "Dinámica de una cadena magnética flexible en un campo magnético rotatorio". Phys. Rev. E . 69 (2): 021404. Bibcode :2004PhRvE..69b1404C. doi :10.1103/PhysRevE.69.021404. PMID  14995441.
  • Cēbers, A. y M. Ozols (2006). "Dinámica de una partícula magnética activa en un campo magnético giratorio". Phys. Rev. E . 73 (2): 021505. Bibcode :2006PhRvE..73b1505C. doi :10.1103/PhysRevE.73.021505. PMID  16605340.
  • Tao Song; et al. (junio de 2004). "Sistema de exposición a campos magnéticos permanentes rotatorios para estudio in vitro". IEEE Transactions on Applied Superconductivity . 14 (2): 1643–6. Bibcode :2004ITAS...14.1643S. doi :10.1109/TASC.2004.831024.
  • Labzovskii, LN, AO Mitrushchenkov y AI Frenkel, "Corriente no conservante de paridad en conductores de electricidad". 6 de julio de 1987. (ed., Muestra que la corriente continua surge bajo la influencia del campo magnético rotatorio.)
  • Serie de capacitación en ingeniería eléctrica naval, módulo 05: Introducción a generadores y motores, capítulo 4, motores de corriente alterna, campos magnéticos rotativos (se encuentra disponible una copia diferente del libro NEETS, versión sin complementos)
  • Campo magnético rotatorio, eng.ox.ac.uk
  • Autobiografía de Tesla, III. Mis últimos esfuerzos; el descubrimiento del campo magnético giratorio
  • Nikola Tesla y el motor electromagnético, Inventor de la Semana Archivo.
  • Galileo Ferraris: el campo magnético giratorio
  • Motores de inducción monofásicos
  • HY Guo, AL Hoffman, D. Lotz, SJ Tobin, WA Reass, LS Schrank y GA Wurden, El sistema oscilador de campo magnético giratorio para el accionamiento de corriente en el experimento de traslación, confinamiento y sostenimiento, 22 de marzo de 2001.
  • Putko, VF y VS Sobolev, Efecto de un campo magnético giratorio en las características de un generador de plasma de corriente continua.
  • Campo magnético rotatorio: conferencia interactiva
  • Animación de campo giratorio (vídeo de YouTube)
  • “ Campos magnéticos rotatorios ”. Editorial Integrada.
  • " Motor de inducción – Campos rotatorios ".

Patentes

  • Patente estadounidense 0.381.968 , Tesla, "Motor electromagnético".
  • Patente de EE.UU. 3.935.503 , Ress., "Acelerador de partículas".
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