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1.0 ANÁLISIS Y CONTROL DE LOS MOTORES DE CORRIENTE DIRECTA

En general, los motores de corriente directa son similares en su construcción a los generadores. De hecho podrían describirse como generadores que funcionan al revés. Cuando la corriente pasa a través de la armadura de un motor de corriente continua, se genera un par de fuerzas debido a la acción del campo magnético, y la armadura gira. La función del conmutador y la de las conexiones de las bobinas del campo de los motores es exactamente la misma que en los generadores. La revolución de la armadura induce un voltaje en las bobinas de ésta. Este voltaje es opuesto al voltaje exterior que se aplica a la armadura, y de ahí que se conozca como voltaje inducido o fuerza contra-electromotriz. Cuando el motor gira más rápido, el voltaje inducido aumenta hasta que es casi igual al aplicado. La corriente entonces es pequeña, y la velocidad del motor permanecerá constante siempre que el motor no esté bajo carga y tenga que realizar otro trabajo mecánico que no sea el requerido para mover la armadura. Bajo carga, la armadura gira más lentamente, reduciendo el voltaje inducido y permitiendo que fluya una corriente mayor en la armadura. Debido a que la velocidad de rotación controla el flujo de la corriente en la armadura, deben usarse aparatos especiales para arrancar los motores de corriente directa. Cuando la armadura está parada, ésta no tiene realmente resistencia, y si se aplica el voltaje de funcionamiento normal, se producirá una gran corriente, que podría dañar el conmutador y las bobinas de la armadura. El medio normal de prevenir estos daños es el uso de una resistencia de encendido conectada en serie a la armadura, para disminuir la corriente antes de que el motor consiga desarrollar el voltaje inducido adecuado. Cuando el motor acelera, la resistencia se reduce gradualmente, tanto de forma manual como automática. La velocidad a la que funciona un motor depende de la intensidad del campo magnético que actúa sobre la armadura, así como de la corriente de ésta. Cuanto más fuerte es el campo, más bajo es el grado de rotación necesario para generar un voltaje inducido lo bastante grande como para contrarrestar el voltaje aplicado. Por esta razón, la velocidad de los motores de corriente continua puede controlarse mediante la variación de la corriente del campo

1.1 ELEMENTOS BÁSICOS DE MOTORES DE C.D.

El principio básico de un motor de cd: contiene una espiral de alambre que gira de manera libre en medio de un imán permanente. Cuando por el devanado pasa una corriente, las fuerzas resultantes ejercicios en sus lados y en ángulo recto al campo provocan fuerzas que actúan a cada lado produciendo una rotación. Sin embargo, para que esté continué; cuando el devanado pasa por la posición vertical se debe invertir la dirección de la corriente.En un motor de cd convencional, los devanados de alambre se montan en las ranuras de un cilindro de material magnético conocido como armadura. La armadura está montada en cojinetes y puede girar. Ésta se monta en el campo magnético producido por los polos de campo que pueden ser, en pequeños motores; por ejemplo, imanes permanentes o electroimanes, cuyo magnetismo se obtiene mediante una corriente que circula por los

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devanados de campo. El principio básico del funcionamiento de un motor de cd de cuatro polos, cuyo campo magnético se produce por devanados que transportan corriente.Los extremos de los devanados de la armadura se conectan con los segmentos adyacentes de un anillo segmentado conocido como conmutador y el contacto eléctrico con los segmentos se logra mediante contactos de carbón conocidos como escobillas.Conforme la armadura gira, el conmutador invierte la corriente de cada uno de los devanados al desplazarse por los polos de campo. Esto es necesario a fin de que las fuerzas que actúan en el devanado sigan actuando en la misma dirección y la rotación continúe. La dirección de rotación del motor de cd se convierte al invertir la corriente de armadura o la corriente de campo.

1.2 FUNCIONAMIENTO DE LAS PARTES DE UN MOTOR DE C.D.

Un motor de cd recibe potencia eléctrica de cd y produce una rotación mecánica de su eje. La misma máquina es perfectamente capaz de invertir ese proceso de conversión de energía, recibiendo una rotación mecánica de una máquina externa y produciendo una potencia eléctrica de cd. Cuando la máquina trabaja en este sentido, recibiendo una entrada mecánica y produciendo una salida eléctrica, se llama generador. En otras palabras, un motor de cd y un generador de cd son la misma máquina, pero operada de maneras opuestas.Dos direcciones de conversión de energía para la misma máquina de cd. La primera operando como motor, la máquina recibe energía eléctrica de una fuente eléctrica.La corriente convencional entra al motor por su terminal positiva y sale por su terminal negativa. Entra energía de rotación a su carga mecánica.

La segunda operando como generador; la máquina recibe energía rotatoria mecánica de un motor. Entrega energía eléctrica a su carga eléctrica, en este caso una lámpara. La corriente convencional sale de la máquina por su terminal positiva y vuelve a entrar por su terminal negativa.Ya que una máquina de cd de rotor devanado desconectada no necesariamente es un motor, ni necesariamente es un generador, necesitamos una palabra para referirnos a la máquina genérica misma esta es dinamo.Se llama dinamo de rotor devanado porque tiene una bobina electromagnética, un devanado multi-vuelta en su parte giratoria. No tiene un imán permanente en su parte giratoria.

1.3 TIPOS DE MOTORES DE CORRIENTE DIRECTA

Se clasifican en:1. En Serie2. Motor shunt o paralelo 3. Compuesto

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1.3.1 Motor en Serie

Características• Posee gran torque.• Cuando disminuye la carga, disminuye su corriente aumentando su velocidad

rápidamente.• Por este motivo se requiere que este motor siempre esté conectado a la carga.• Sus bobinas tienen pocas espiras pero de gran sección por lo cual pueden

manejar grandes corrientes.Usos

• Se utiliza para mover grandes cargas.• Grúas, Trenes, montacargas, ascensores, grúas, frenos eléctricos

.

Motor en Serie su campo esta conectado en serie con la armadura. La bobina de campo consiste de pocas vueltas de alambre grueso y puesto que toda la corriente de la armadura fluye por ella, la intensidad de campo varia en forma directa con la corriente de la armadura. A medida que aumentamos la carga, el motor disminuye su velocidad, así también la fuerza contra electromotriz, lo que permite que la corriente aumente y suministre un par mayor necesitado, incrementando la intensidad del campo y la corriente de la armadura.

El motor serie girará muy poco con cargas pesadas y muy rápido con carga ligera. Si se quita la carga por completo cuando el motor esta cargado o sobrecargado aumenta peligrosamente su velocidad y puede despedazarse, por que la corriente requerida en ese momento es muy pequeña y el campo magnético muy débil, de modo que el motor no puede girar lo suficientemente a prisa para generar la cantidad de fcem necesaria para restaurar su balance. El motor serie nunca debe operar en condiciones sin carga y por consiguiente rara vez se usa con bandas motrices.

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Se puede observar que los motores serie son motores de velocidad variable, esto es, su velocidad cambia mucho cuando cambia la carga, por esta razón los motores serie no se emplean cuando se requiere en operación a velocidad constante, tampoco cuando la carga es intermitente.

El par (fuerza giratoria) es producido por cualquier motor de C.D. que depende de la armadura y la intensidad del campo magnético, y a su vez la intensidad del campo depende de la Corriente de armadura (Iarm) ya que la magnitud del par producido depende doblemente de la cantidad de corriente que por la armadura este fluyendo, es decir, si la velocidad del motor es baja también lo es la fem, y la Iarm es alta. Esto quiere decir que el par será muy alto cuando la velocidad del motor es baja o cero, por ejemplo cuando el motor esta arrancando.

1.3.1.1Control de velocidad:

La velocidad se puede variar, cambiando el voltaje aplicado Ea, colocando un reóstato en serie con la bobina de campo. De esta manera se disminuye la velocidad. Se puede aumentar la velocidad, disminuyendo el flujo por polo. Esto se puede realizar, colocando un reóstato en paralelo con la bobina de campo, de modo que la corriente total Ia solo se permita circular una parte por la bobina de excitación

Ie = Ii = I

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1.3.2 Motor shunt o paralelo

Un motor de C.D. conectado en paralelo, el campo se conecta directamente a través de la fuente de voltaje y por lo tanto es independiente de las variaciones de las corrientes de carga y de la armadura. De este modo, el par desarrollado varia en forma directa con la corriente de la armadura. Si aumenta la carga en el motor, disminuye su velocidad, disminuye la fcem (la que depende de la velocidad del motor como también de la intensidad de campo constante). La fcem producida permite que la Iarm aumente, esto hace que el par necesario en el motor sea mayor para mover el incremento de carga. Si la carga disminuye, el motor aumenta su velocidad, incrementa la fcem y disminuye la Iarm, así como también el par desarrollado. Cualquiera que sea el cambio de carga, el motor cambia su velocidad hasta estar de nuevo en balance eléctrico. Esto es, hasta que el voltaje en el embobinada sea igual a la corriente de armadura por Resistencia de arranque igual a la Iarm.Eb + IaRa = Ia

Por lo general en un motor en paralelo, las variaciones de velocidad de la condición sin carga a la normal o plena carga son solo cercana del 10% de la velocidad sin carga. Por esta razón, los motores en paralelo se consideran como motores de velocidad relativamente constante.

Cuando se arranca un motor en paralelo, la corriente de arranque es baja debido a la resistencia agregada en serie con la armadura, debido a esto el par es lento y pequeño.

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Características

Estos motores usan imanes permanentes en lugar de devanados de campo para producir el campo magnético del estator.

Los motores de imanes permanentes proporcionan una intensidad de campo constante, con características similares a las de u motor de C.D. con conexión de campo derivada.

Los motores con imán permanente se usan en aplicaciones de baja potencia, en particular los operados por batería.

1.3.2.1 controles de velocidad

Aunque el motor shunt es de velocidad constante, su característica más importante, es la de ser un motor de velocidad regulable.

Utilizando la ecuación de la velocidad, tenemos:

Rpm = (Ea - Ia Ra) / Kφ

La velocidad se puede aumentar, disminuyendo el flujo por polo (φ) . Para esto, es necesario colocar un reóstato en el circuito de campo, tal como se indica en la figura. 10 Intercalando un reóstato en el circuito del inducido podemos disminuir la velocidad nominal. Esto es debido a que al aumentar la resistencia en el circuito en el inducido el voltaje Ea disminuye

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1.3.3 Motor serie – paralelo o motor compound

Características• Se caracteriza por tener un par elevado de arranque sin peligro de

desestabilizarse como el motor serie, aunque puede llegar a alcanzar velocidades altas.

Usos• En la industria.

Este motor es una combinación del motor Serie-paralelo y su campo consiste de dos conjuntos separados de bobinas. Un conjunto, con bobinas arrolladas con muchas vueltas de alambre delgado, se conecta a través de la armadura como un campo en paralelo. El otro conjunto de bobinas son de pocas vueltas de alambre grueso y se conecta en serie con la armadura como un campo en serie.

Las características de esta motor son combinadas con las de los motores serie y paralelo. Los motores compuestos llamado acumulativos son aquellos cuyos campo en serie y en paralelo se conectan para reforzarse entre si y son los mas comunes, un incremento de carga en este tipo de motores hace que su velocidad

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Existe otro motor compuesto llamado motor compuesto diferencial el cual consiste en que el campo en serie se opone al campo en paralelo y el campo total se debilita cuando hay aumento de carga.

Esto permite que la velocidad se incremente con el aumento de carga hasta un punto seguro de operación. Como el par de arranque es muy bajo, este motor es muy poco común, ya que en condiciones de cargas muy elevadas no es fácil de ser operable, es decir, solo se utiliza en cargas livianas. Se puede aplicar en tornos.

Las ventajas de los motores CD incluyen un excelente control de la velocidad y la capacidad de proporcionar alto par a bajas velocidades. Sin embargo, una mayoría de los motores CD usan escobillas para transferir energía eléctrica al rótor del motor. Los ensamblajes con escobillas no solamente requieren motores más grandes, sino que también se incrementan los requerimientos de mantenimiento. Cuando se desgastan las escobillas, se requiere mantenimiento y se genera polvo de carbón. Las escobillas son también sensibles a la contaminación, especialmente en máquinas que contienen materiales de silicona, y deben ser remplazados periódicamente.

Ya que la energía eléctrica se suministra como corriente alterna, se requiere un equipo adicional que genere energía DC, tal como un equipo motor generador o un sistema rectificador. Si se utilizan baterías, podemos obtener la energía directamente de ellas. Aunque estas aplicaciones son algo especializadas, se están incrementando ya que la industria cada vez es más sensible a los problemas de calidad de la energía y a los altos costes de la interrupción en la producción.

Tipos de conexión:

Conexión Compuesto

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Caben dos posibilidades de conexión

Conexión Compuesto Larga

Conexión Compuesto Corta

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2.0 MÁQUINAS ESPECIALES

2.1 Motor sincrónico de imanes permanentes

Un motor síncrono es una máquina que transforma la energía eléctrica en energía mecánica; en donde la velocidad promedio de operación normal es exactamente proporcional a la frecuencia del sistema al cual está conectado. A menos que se diga otra cosa, en general se sobrentiende que un motor síncrono tiene polos de campo excitados con corriente directa.

Una armadura de motor síncrono no solo necesita y recibe corriente alterna de la barra de distribución, sino también, como cualquier dínamo de ca (con excitación doble) necesita una excitación de cd para su campo. En los motores síncronos grandes, el excitador, que es un generador derivación de cd, se coloca en el mismo eje que el motor y se necesita una pequeña parte del par del motor para general la cd necesaria para la excitación de su campo. Debido a la posibilidad de variación de la excitación de campo, el motor síncrono de ca posee una características que ningún otro motor de ca tiene: que el factor de potencia al cual funciona se puede hacer variar a voluntad.

Una segunda característica de los motores polifásicos y monofásicos síncronos es que, al igual que algunos motores monofásicos, no tienen arranque propio inherente. Como el alternador de ca, se los debe acelerar hasta su velocidad mediante algún otro método auxiliar y conectar entonces a la línea.

Otra peculiaridad de los motores síncronos es su susceptibilidad a la fluctuación de péndulo u oscilación, en especial cuando las cargas están sujetas a cambios repentinos o nos uniformes en un ciclo de giro, como es el caso de prensas de troquelado, cizallas, compresoras o bombas reciprocantes. El empleo de devanados amortiguadores en la fabricación de los rotores ha puesto término a este problema y, al mismo tiempo, ha hecho posible que el motor síncrono tenga arranque propio como un motor de inducción, durante el periodo de arranque.

En algunos tamaños de potencia y límites de velocidad, el motor síncrono se vende más que el motor polifásico de inducción. Los motores polifásicos síncronos tienen las siguientes ventajas específicas sobre los polifásicos de inducción:

Los motores síncronos se pueden emplear para corrección del factor de potencia, además de suministrar el par necesario para impulsar sus cargas.

Son más eficientes, cuando se trabajan a factor de potencia unidad, que los motores de inducción de potencia y voltajes nominales correspondientes.

Los rotores de polos de campo de los motores síncronos pueden permitir el empleo de entrehierros más anchos que los diseños de jaula de ardilla que se

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usan en los motores de inducción y, por lo tanto, necesitan tolerancias menos estrechas en sus cojinetes, y permiten un uso más prolongado de ellos.

Pueden ser más baratos para la misma potencia, velocidad y voltajes nominales.

El motor síncrono se construye con un conjunto de devanados polifásicos distribuidos de c.a., designados como la armadura, que suele estar en el estator y que se consigna al sistema de alimentación de c.a. La configuración del miembro opuesto, por lo general el rotor, determina el tipo de motor síncrono Algunos de los tipos de motores síncronos son los siguientes:

Los motores con devanados del campo excitados con cd sobre rotores de polos salientes o redondos, con capacidades nominales de 200 a 100 000 hp y mayores, constituyen el tipo industrial dominante.

En el motor síncrono sin escobillas, la excitación (corriente de campo) se alimenta a través de rectificadores montados en la flecha, desde un circuito de ca.

En el motor síncrono de anillos colectores, la excitación se alimenta desde un excitador montado en la flecha o desde una fuente separa de energía eléctrica de cd.

Los motores síncronos de menos de 1 hp suelen emplear un tipo de motor de imán permanente. Por lo común, estos motores son accionados por un inversor sin transistores, desde una fuente de cd; se les menciona como motores de cd sin escobillas.

2.2 El motor de CA sin escobillas Un motor eléctrico es una máquina eléctrica que transforma energía eléctrica en energía mecánica por medio de interacciones electromagnéticas. Son ampliamente utilizados en instalaciones industriales, comerciales y de particulares.

Los motores asíncronos o de inducción son aquellos motores eléctricos en los que el rotor nunca llega a girar en la misma frecuencia con la que lo hace el campo magnético del estator. Cuanto mayor es el par motor mayor es esta diferencia de frecuencias. Un rotor de jaula de ardilla es la parte que rota usada comúnmente en un motor de inducción de corriente alterna. Un motor eléctrico con un rotor de jaula de ardilla también se llama "motor de jaula de ardilla". En su forma instalada, es un cilindro montado en un eje. Internamente contiene barras conductoras longitudinales de aluminio o de cobre con surcos y conectados juntos en ambos extremos poniendo en cortocircuito los anillos que forman la jaula.

Los devanados inductores en el estator de un motor de inducción instan al campo magnético a rotar alrededor del rotor. El movimiento relativo entre este campo y la rotación del rotor induce corriente eléctrica, un flujo en las barras conductoras. Alternadamente estas corrientes que fluyen longitudinalmente en los conductores

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reaccionan con el campo magnético del motor produciendo una fuerza que actúa tangente al rotor, dando por resultado un esfuerzo de torsión para dar vuelta al eje. Motor de Corriente Alterna En un motor de corriente alterna, la energía eléctrica se transforma a energía mecánica, como su nombre lo indica para impulsar el motor de corriente alterna se usa corriente alterna en lugar de corriente continua. La forma más pura de un motor de corriente alterna, es el motor de inducción.

2.3 Funcionamiento de un motor de corriente alterna

Como se alimenta potencia de corriente alterna al devanado del estator, el campo generado entre los polos alterna con la potencia alterna aplicada, al hacerlo, el campo se establece desde cero hasta un máximo en una dirección, se reduce, pasa nuevamente por cero y luego repite el ciclo en la dirección opuesta. El rotor del motor básico de corriente alterna se comporta como si fuese un imán permanente.

Cuando se empieza a aplicar una corriente alterna al estator electromagnético, en el instante T0, no se origina campo magnético entre los polos del estator, ya que la corriente es nula. Sin embargo, en el tiempo transcurrido entre T0 y T1, se origina un campo que aumenta según lo hace la corriente aplicada. El estator se pone en marcha y así da origen a los magnéticos. Como los polos, del mismo se repelen, el rotor es repelido primero por el campo magnético.

Luego, como los opuestos se atraen, el rotor continuara girando hasta que sus polos norte y sur queden frente a polos opuestos del estator. Como se usa corriente alterna, la corriente del campo comienza a reducirse después del instante T1 y el rotor continua girando por inercia. En el instante T2, cuando la corriente aplicada vuelve al valor ceo, el campo magnético estator también se nulifica. Sin embargo, entre el T2 y T3, la alternación de potencia se establece en la dirección opuesta. La polaridad de polos magnéticos del estator se invierte y el rotor es repelido nuevamente. El rotor gira en el mismo sentido que las manecillas del reloj hasta que llega a repulsión, al campo máximo, en donde nuevamente se mantendrá estacionario por la fuerza de atracción del estator si la corriente alterna no disminuyera e hiciera posible que la inercia, lo impulsara mas allá de la forma en que esta sin campo y nuevamente en esta posición la potencia de corriente alterna es suministrada al campo alterna otra vez para invertir el campo y el ciclo se repite para mantener girando al rotor. La inercia del rotor es importante debido a que hace posible que continúe la acción del motor.

La corriente alterna tiene algunas propiedades especiales que hacen posible aprovecharla para producir un campo magnético rotatorio en el estator de un motor de corriente alterna. La corriente alterna tiene ciclos de ascenso y descenso que siguen un patrón llamado onda senoidal, y este ciclo se repite según la frecuencia de corriente alterna. Dos corrientes alternas diferentes con la misma frecuencia se pueden estar en fase o desfasadas. Se puede decir que están en fase cuando aumentan y disminuyen

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simultáneamente; o bien que están desfasadas cuando una comienza a aumentar de valor a partir de cero y, simultáneamente, la otra comienza a disminuir a partir de cero. Velocidad Sincrónica

La velocidad natural de rotación del campo magnético del estator se llama velocidad sincrónica, que depende de la frecuencia de la corriente alterna aplicada y del número de polos que contenga el estator.

Al recorrer un ciclo de corriente alterna, el campo en el plano principal de un motor bipolar se invierte una vez y luego regresa su estado natural, lo cual significa que en el tiempo de un ciclo de corriente alterna, el campo magnético del estator habrá efectuado una revolución completa. La ecuación de la velocidad síncrona es: Velocidad SíncronaLa velocidad que puede alcanzar un motor de corriente alterna depende de la velocidad del rotor.

Los motores de corriente alterna también pueden hacerse con más de dos polos principales, cuando esto sucede, los campos pueden intensificarse y hacerse girar más suavemente para obtener un mejor funcionamiento. En el estator de cuatro polos, al final de una onda sinusoidal de corriente alterna, el campo gira solo a 180 grados, por lo que la velocidad sincrónica es la mitad de la un motor de dos polos.

2.4 Motores de cd sin escobillas

Los motores de cd sin escobillas tienen una armadura estacionaria y una estructura rotatoria de campo, exactamente en forma opuesta a como están dispuestos esos elementos en los motores convencionales de cd. Esta construcción aumenta la rapidez de disipación del calor y reduce la inercia del rotor. Imanes permanentes suministran el flujo magnético para el capo. La corriente directa hacia la armadura se conmuta con transistores, en vez de las escobillas y las delgas del colector de los motores convencionales.

Los transistores que controlan cada devanado de un motor sin escobillas de cd se activan y desactivan a ángulos específicos del rotor. Los transistores suministran pulsos de corriente a los devanados de la armadura, los cuales son semejantes a los que suministra un conmutador. La secuencia de conmutación se dispones para producir un flujo magnético rotatorio de entre hierro, que permanece formando un ángulo fijo con el flujo magnético producido por los imanes permanentes del rotor.

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2.5 El motor sincrónico de reluctancia

Los motores de Reluctancia eliminan los imanes permanentes (PMs), las escobillas, y los conmutadores. El estator consiste en unas laminaciones de acero que forman postes salientes. Sin bobinas del rotor, el rotor es básicamente diseñado para formar polos salientes

Las normas ASA definen el motor de reluctancia como un motor síncrono similar en construcción al motor de inducción, en el cual el miembro que lleva el circuito secundario tiene polos salientes, sin excitación de CC (rotor). Arranca como un motor de inducción pero funciona normalmente a la velocidad síncrona.

Se basa en la propiedad del motor síncrono con rotor de polos salientes, en que es capaz de producir un par motor y girar a la velocidad síncrona, sin excitación del campo con CC.El reducido motor de reluctancia, está concebido a partir del motor de inducción, por lo que al rotor de jaula de ardilla, se le han suprimido algunos dientes (por sectores) con el objeto de lograr los polos salientes. Dado que este motor síncrono arranca como motor de inducción, los anillos que cierran las barras del rotor deben estar completos en toda la periferia, conservándose así, el arrollamiento amortiguador en jaula de ardilla, utilizado no solo para el arranque, sino que también, proporciona suficiente estabilidad contra las oscilaciones cuando se alcanza la velocidad sincrónica. Al igual que para los motores síncronos excitados con CC, la puesta en sincronismo se facilita cuando la velocidad alcanzada como motor de inducción es tan elevada como sea posible. Para ello, es importante hacer baja la resistencia del rotor. También mejora ésta situación, cuanto menor sea el WR de la masa giratoria del rotor (rotor + carga acoplada al eje) El estator del motor de reluctancia puede ser del tipo de fase auxiliar, del tipo de condensador y del tipo bobina pantalla (espira sombra).

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La figura, representa una de las láminas dispuestas para un rotor destinado a un motor de reluctancia de cuatro polos en el estator. El motor arrancará como un motor de inducción y se irá acelerando hasta una velocidad de escaso resbalamiento (carga ligera). El par de reluctancia nace de la tendencia del rotor a situarse por sí mismo en la posición de mínima reluctancia respecto al campo giratorio (a la onda de flujo) que gira en el entrehierro a la velocidad síncrona.

Bibliografía

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