Motores Eléctricos

Electromagnetismo y Potencia Mecánica

Un motor eléctrico es una máquina que convierte energía eléctrica en energía mecánica mediante la interacción de campos magnéticos. Su funcionamiento se basa en la Ley de Lorentz: cuando una carga eléctrica se mueve a través de un campo magnético, experimenta una fuerza física.

1. Estructura y Funcionamiento

Todo motor funciona bajo el principio de repulsión y atracción magnética. El objetivo es que los campos magnéticos nunca lleguen a alinearse, manteniendo el movimiento perpetuo.

Partes Fundamentales:

Estator: La parte fija. Genera un campo magnético constante mediante imanes permanentes o electroimanes (bobinas).
Rotor (Armadura): La parte móvil que gira. Es donde se encuentran las bobinas que reciben la corriente.
Conmutador / Colector: Un anillo dividido que invierte la dirección de la corriente en el rotor justo cuando los polos magnéticos se alinean, permitiendo que el giro continúe.
Escobillas (Brushes): Bloques de grafito que transmiten la electricidad al conmutador mientras este gira.

2. Tipos de Motores: Brushed vs. Brushless

Con Escobillas (Brushed DC)

Son los motores clásicos. El cambio de polaridad es mecánico (rozamiento de las escobillas).

Pros: Control de velocidad muy simple (solo varías el voltaje), baratos.
Contras: Las escobillas se desgastan, generan chispas (ruido eléctrico) y calor por fricción.

motorcito — **Motor de autos de juguete e impresoras**

Sin Escobillas (Brushless / BLDC)

No hay contacto físico. El cambio de polaridad lo hace un controlador electrónico (ESC).

Pros: Mucho más eficientes, mayor vida útil, alcanzan altísimas RPM ( $+50,000$ ).
Contras: Requieren un controlador complejo y son más caros.

3. Torque vs. Potencia: Conceptos Clave

Es común confundirlos, pero en ingeniería son cosas muy distintas:

Torque (Par Motor): Es la fuerza de rotación. Imagina una llave de cruz apretando un tornillo; el torque es la fuerza que aplicas. Determina la capacidad de carga. Se mide en Newton-metro (Nm) o kg-cm.
Potencia: Es la rapidez con la que se entrega ese torque. Determina la velocidad con la que se mueve la carga. Se mide en Watts (W) o Caballos de Fuerza (HP).

Analogía: El torque es la fuerza de un buey tirando de un arado; la potencia es qué tan rápido el buey puede cruzar el campo.

motor paso a paso — **Motor paso a paso**

4. Cálculos de Ingeniería

A. Cálculo del Torque ( $T$ ) y Brazo de Palanca

El torque depende de la fuerza aplicada y la distancia al eje (radio). $T = F \cdot r$ Si tienes una carga (masa) colgando de un eje:

$F = \text{masa (kg)} \cdot 9.8 \text{ (gravedad)}$
$r = \text{distancia del eje al punto de carga en metros.}$

Ejemplo: Si tu motor tiene un eje con una polea de $5 \text{ cm}$ ( $0.05 \text{ m}$ ) y quieres levantar $2 \text{ kg}$ : $F = 2 \cdot 9.8 = 19.6 \text{ N}$ $T = 19.6 \cdot 0.05 = 0.98 \text{ Nm}$ Si tu motor tiene un torque menor a $0.98 \text{ Nm}$ , no podrá levantar la carga.

B. Potencia en Caballos de Fuerza (HP)

La relación entre potencia, torque y velocidad (RPM) es: $\text{HP} = \frac{T (\text{lb-ft}) \cdot \text{RPM}}{5252}$ En el sistema métrico: $P (\text{Watts}) = \frac{T (\text{Nm}) \cdot \text{RPM} \cdot 2\pi}{60}$

C. Consumo de Corriente

La corriente ( $I$ ) que consume un motor es proporcional al torque que está ejerciendo.

Sin carga: El motor consume la “Corriente de Vacío” (mínima).
Con carga máxima: El motor llega a la “Corriente de Stall” (bloqueo). Es el punto donde el motor se detiene por exceso de peso; aquí la corriente es máxima y es cuando los bobinados se queman si no hay protección.

5. Tabla de Rendimiento Típica

Característica	Al aumentar la Carga	Al aumentar el Voltaje
Torque	Sube (hasta el límite)	Sube
Velocidad (RPM)	Baja	Sube
Corriente (Amperios)	Sube drásticamente	Sube proporcionalmente
Eficiencia	Baja (se genera más calor)	Suele mejorar hasta cierto punto

6. Otros Conceptos Importantes

Kv (en motores Brushless): Indica cuántas RPM sube el motor por cada Volt aplicado. (Ej: $1000 \text{ Kv}$ a $12\text{V} = 12,000 \text{ RPM}$ ).
Freno Regenerativo: Algunos motores pueden actuar como generadores cuando se les quita la energía pero siguen girando por inercia, devolviendo carga a la batería.
Cojinetes (Rulemanes): Son críticos. Un rulemán gastado aumenta la fricción, bajando el torque útil y calentando el eje.

Dato de Taller: Como reparador de PC, verás motores de este tipo en los ventiladores (coolers) y discos duros. Los ventiladores de PC suelen ser motores Brushless DC de 4 polos, extremadamente eficientes y diseñados para durar años encendidos.

Caso Práctico: Elevación de Carga (Polipasto Eléctrico)

Este ejercicio calcula los requerimientos para levantar una carga pesada mediante un sistema de motor y polea simple, considerando la física del trabajo y la potencia.

1. Datos del Escenario

Masa total ( $m$ ): 2 bolsas de cemento ( $50\text{ kg}$ c/u) = $100\text{ kg}$ .
Altura ( $h$ ): 3 pisos ( $\approx 3\text{ m}$ por piso) = $9\text{ metros}$ .
Tiempo objetivo ( $t$ ): $20\text{ segundos}$ (Velocidad: $0.45\text{ m/s}$ ).
Radio de la polea ( $r$ ): $5\text{ cm}$ = $0.05\text{ metros}$ .

2. Cálculo del Torque ( $T$ )

El torque es la “fuerza de giro” necesaria para vencer la gravedad. Si el motor no entrega este torque, la carga no se moverá.

Fuerza (Peso en Newtons): $F = m \cdot g \Rightarrow 100\text{ kg} \cdot 9.8\text{ m/s}^2 = 980\text{ N}$
Torque en el eje: $T = F \cdot r \Rightarrow 980\text{ N} \cdot 0.05\text{ m} = \mathbf{49\text{ Nm}}$

3. Cálculo de la Potencia ( $P$ )

La potencia determina qué tan rápido podemos realizar ese trabajo de elevación.

Trabajo realizado ( $W$ ): $W = F \cdot h \Rightarrow 980\text{ N} \cdot 9\text{ m} = 8,820\text{ Julios}$
Potencia necesaria (Watts): $P = \frac{W}{t} \Rightarrow \frac{8,820\text{ J}}{20\text{ s}} = \mathbf{441\text{ Watts}}$
Conversión a Caballos de Fuerza: $441\text{ W} \div 746 \approx \mathbf{0.6\text{ HP}}$

4. Consideraciones Reales y Eficiencia

En un taller o construcción, debemos considerar las pérdidas por fricción en la polea y el calor en el motor (Eficiencia $\eta \approx 70\%$ ).

Potencia Real Requerida: $441\text{ W} \div 0.70 = \mathbf{630\text{ W}}$
Consumo Eléctrico ( $220\text{V}$ ): $I = \frac{P}{V} \Rightarrow \frac{630\text{ W}}{220\text{V}} \approx \mathbf{2.86\text{ Amperios}}$

5. Resumen de Selección de Componentes

Especificación	Valor Mínimo	Recomendación Técnica
Potencia del Motor	$0.6\text{ HP}$	$1\text{ HP}$ ( $746\text{ W}$ ) para evitar sobrecalentamiento.
Torque en el eje	$49\text{ Nm}$	Requiere Caja Reductora.
Protección	$2.8\text{ A}$	Térmica de $10\text{A}$ (por el pico de corriente al arrancar).

6. La importancia de la Reducción

Un motor de $1\text{ HP}$ común gira a $1450\text{ RPM}$ , lo cual es demasiado rápido para una polea (¡las bolsas subirían a $7\text{ metros por segundo}$ !).

Se utiliza una caja reductora que baja las RPM del motor y, a cambio, multiplica el torque. Esto permite que un motor que podrías frenar con la mano sea capaz de levantar $100\text{ kg}$ sin esfuerzo aparente.

Dato para la bitácora: Al elegir el cable, recuerda que debe soportar al menos el doble del peso ( $200\text{ kg}$ ) para cumplir con el factor de seguridad ante tirones o ráfagas de viento.