UNIVERSIDAD DEL AZUAY

Electricidad del automvil

JORGE ULLOA

6 NIVEL G

2014 - 2015

Circuito de arranque.Motor de arranque

3.3 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR DE ARRANQUE.

El motor de arranque basa su funcionamiento en principios electromagnticos que hacen referencia a magnitudes de campos magnticos. Se denomina campo magntico a la regin del espacio alrededor de un imn donde se manifiesta la accin magntica de ste. Dentro de esta regin, cualquier partcula de hierro es atrada por el imn y fuera de ella no sufre atraccin alguna. El campo magntico de un imn se representa por lneas de fuerza que van del polo norte al sur del mismo por el exterior del imn, cerrando el circuito magntico por el interior desde el polo sur al norte.

Los imanes tienen la propiedad de atraer y ser atrados y cuando se coloca un imn dentro del campo magntico de otro, se ve sometido a fuerzas de atraccin o repulsin, de manera que se cumple que polos del mismo nombre se repelen y polos de nombre contrario se atraen.

En esta situacin, las fuerzas de atraccin F y F' que se generan forman un par que hace girar al imn N' -S' alrededor de su punto de giro 0, en el sentido de las agujas del reloj hasta que queda en posicin horizontal, en cuyo instante el par es nulo y las fuerzas F y F' iguales y de sentido opuesto, por lo que el imn se encuentra en equilibrio.

El paso de corriente por un conductor, crea alrededor de l un campo magntico. En el caso de la Fig .Anterior, como la corriente va hacia adentro, las lneas de fuerza de este campo magntico circulan en el sentido de las agujas del reloj, alrededor del conductor. Este campo magntico creado se suma al de los polos del imn por la parte superior del conductor, ya que las lneas de fuerza de los dos campos llevan la misma direccin; pero en la parte inferior se restan, pues las lneas de fuerza del conductor se oponen a las del campo magntico creado por los polos N-S.Como consecuencia, el campo magntico creado por los imanes N-S se deforma, tendiendo en todo momento a volver a su posicin primitiva. Esto que podamos llamar elasticidad de las lneas de fuerza, es lo que empuja al conductor y tiende a sacarlo del campo magntico.

Para que se produzca desplazamiento, es necesario que el conductor est situado perpendicularmente a las lneas de fuerza del campo magntico N-S. Si se coloca dentro del campo magntico, de manera que la corriente que lo recorre lleve el mismo sentido que las lneas de fuerza de este campo, no hay desplazamiento.Si en lugar de un conductor recto se coloca uno en forma de espira (como muestra la Fig. Anterior), dentro del campo magntico N-S y se hace pasar por esta espira una corriente elctrica del sentido que se indica en la figura, el lado A de la espira ser empujado hacia abajo (regla de la mano izquierda) y el lado B hacia arriba. Las fuerzas que empujan a estos dos lados de la espira estn, pues, dirigidas en opuestos sentidos y forman un par de fuerzas que hacen girar a la espira a izquierdas.Cuando la espira ha girado y se encuentra perpendicular a la posicin anterior, las fuerzas que tienden a sacarla del campo magntico estn en oposicin y, por tanto, se contrarrestan, quedando la espira en posicin de equilibrio.

En la Figura de la izquierda puede verse que los extremos de la espira, se unen a dos semi-anillos, sobre los cuales rozan sendas escobillas, que se mantienen fijas en la posicin representada y a travs de las cuales pasa la corriente por la espira, como se indica en la figura, ya que los semianillos estn aislados entre s. El paso de corriente por la espira produce el giro de sta hasta que ocupa una posicin horizontal, donde se detiene.

En la Figura de la derecha se han representado tres espiras dispuestas simtricamente, cuyos extremos van unidos a los trozos de anillo que forman el conmutador. En la posicin representada en la figura, la corriente pasa por la espira que ocupa la posicin vertical, que, por este motivo, comienza a girar, y con ella lo hacen el conmutador y las dems espiras. Cuando la primera de ellas se ha alejado de la posicin vertical, la escobilla abandona el semi-anillo al que va unida esta espira para pisar en el siguiente, haciendo pasar la corriente a la siguiente espira, que ahora ocupa una posicin prxima a la vertical y es ella, en este momento, la que sufre el empuje. De esta forma se consigue un giro continuado, tanto ms, cuando mayor sea el nmero de espiras que se disponga.

En la Figura siguiente se representa un campo magntico formado por los imanes N-S, dentro del cual se coloca una bobina arrollada a un ncleo. Si hacemos pasar corriente por la bobina en el sentido marcado por las flechas, se crea un campo magntico alrededor de ella, cuyas lneas de fuerza hacen aparecer la induccin en el ncleo. El campo magntico queda reforzado, resultando polo norte el espacio comprendido desde la bobina hacia abajo de la figura y polo sur el resto del ncleo.

En estas condiciones, el polo norte del campo magntico atrae al sur del electroimn y al mismo tiempo repele al norte. El polo sur del campo magntico atrae al norte del electroimn y al mismo tiempo repele al sur.Como los polos que forman el campo magntico inductor estn fijos, el electroimn girar en el sentido de las flechas, es decir, a izquierdas, hasta que queden enfrentados los polos de distinto nombre del campo magntico inductor y del electroimn, lo que ocurre a los noventa grados de giro.

Si se colocara otra bobina perpendicular a la anterior y, cuando el electroimn ha girado noventa grados, se hiciera pasar la corriente elctrica por ella, los polos del electroimn apareceran en la misma posicin que antes, con lo cual, el ncleo volvera a girar.

3.4. COMPONENTES DEL MOTOR DE ARRANQUE

Una de las principales exigencias en la fabricacin de los motores de arranque es su tamao. Deber ser 10 ms pequeo y compacto posible para su mejor acoplamiento al motor de combustin y, al mismo tiempo, resultar robusto y de poco peso. Dadas estas condiciones, resulta particularmente adecuado el motor elctrico acoplado al volante de inercia del motor de combustin, al cual transmite su giro por medio de un pin, que engrana en el momento del arranque con una corona dentada, que va montada sobre el volante de inercia.

La intensidad de la corriente necesaria para hacer girar a estos motores resulta tambin menor, en beneficio del acumulador, que puede ser de menor capacidad.As pues, de acuerdo con las exigencias expuestas, un motor de arranque deber estar compuesto bsicamente por un motor elctrico de corriente continua y un dispositivo de engrane y desengrane.El accionamiento elctrico del motor de arranque se consigue en este caso por medio del rel 5, que simultneamente desplaza hacia adelante al pin de engrane para acoplarlo a la corona del volante motor.

COMPONENTES DEL MOTOR DE ARRANQUE

a) Carcasa

Es la envoltura metlica que rodea y protege a los dems componentes. En el despiece de la Fig. 3.13, puede verse que la carcasa tiene forma cilndrica y en su interior van alojadas las bobinas 15, sujetas a ella por las masas polares 17, que tienen la forma ms adecuada para adaptarse a la carcasa, manteniendo las bobinas aplicadas contra ella.El conjunto de bobinas y masas polares recibe el nombre de inductoras o estator y el espacio que queda entre la masa polar y el tambor del rotor se llama entrehierro. En los motores de arranque actuales suele ser inferior a un milmetro.

El paso de la corriente elctrica por las bobinas del estator, crea el campo magntico necesario para producir el giro del rotor. Este campo magntico se ve reforzado por el ncleo de las bobinas que suponen las masas polares. La induccin en stas aumenta el flujo.Las bobinas inductoras se conectan elctricamente en serie o en paralelo dos a dos. Uno de los extremos del conjunto forma el borne de entrada al motor y el otro se une a la escobilla positiva

b) RotorEst formado por un eje de acero, sobre el que se encuentra montado un paquete de lminas, llamado tambor, en el que estn alojados los arrollamientos inducidos, y un colector al que van conectados dichos arrollamientos.

c) Carcasa-soporte delantera

Es donde va montado el cojinete de bronce 3, que sirve de alojamiento a un extremo del eje del rotor. Dispone de una zona exterior mecanizada para su acoplamiento y sujeccin al motor de combustin mediante tornillos. En una de sus caras, lleva una abertura o ventana que deja sitio para que el pin 6 pueda engranar con la corona del volante de inercia. A esta carcasa se une la horquilla 5, que acciona al pin, obligndole a desplazarse hacia adelante o atrs en el sentido del eje del rotor, para engranar o no con los dientes de la corona del volante de inercia del motor de combustin.Al girar el pin arrastrado por el rotor, da movimiento a la corona del volante de inercia y con ella al motor de combustin.

d) Pin de engrane

Un motor de arranque debe estar provisto de algn medio de reduccin de velocidad para transmitir su potencia al motor de combustin.El sistema de reduccin de velocidad universalmente adoptado est constituido por un pin 6 montado sobre el eje del inducido, que en el funcionamiento engrana con la corona del volante motor. El tamao de este pin es de 10 a 16 veces menor que la corona del volante motor, por cuya causa, para que el motor de combustin gire una vuelta, es necesario que el motor de arranque de 10 como mnimo. Ello supone que en el funcionamiento, para un rgimen de giro de 2.000 a 3.000 r.p.m. del motor de arranque, el motor de combustin sea arrastrado a 200 r.p.m. aproximadamente, suficientes para el arranque.

e) Tapa de escobillas

en ella va alojado el cojinete 29, donde apoya el extremo deleje del rotor. Lleva, adems, los alojamientos llamados porta escobillas, donde se montan las escobillas 34, que son oprimidas contra el colector por medio de los muelles espiral 35.Generalmente se disponen dos o cuatro porta escobillas, la mitad de los cuales son positivos y estn aislados de masa y los otros negativos y van unidos elctricamente a masa.

f) Interruptor

Exteriormente tiene un borne, que puede verse en la figura, al que se conecta el cable de llegada de corriente desde el borne positivo de la batera. Dicho borne se pone en contacto con la placa curva que se une a las bobinas del estator, cuando se acciona la misma horquilla que desplaza el pin de engrane.

3.5. FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR DE ARRANQUE

La corriente llega hasta el borne de entrada B, desde el borne positivo de la batera, a travs de un interruptor no representado en la figura, que forma parte del circuito de arranque.

Desde este borne, la corriente recorre las bobinas del estator (arrolladas una en sentido contrario de la otra), creando un campo magntico que se ve reforzado por la induccin aparecida en las masas polares.Despus de que la corriente ha pasado por las bobinas del estator, llega hasta la escobilla positiva, pasando por ella a la delga que est pisando y de aqu, a travs de las espiras y delgas siguientes, llega hasta la escobilla negativa siguiendo dos caminos paralelos, a izquierda y derecha de la figura. Desde la escobilla negativa, la corriente pasa a masa, cerrando circuito con el borne negativo de batera, que como sabemos va conectado a masa tambin.El paso de corriente por las espiras de la derecha de la figura comprendidas entre las dos escobillas, crea un campo magntico en ellas, de tal forma, que en la periferia del tambor en esa zona se crea un polo norte. De igual forma, en la zona izquierda del tambor se crea un polo sur.

Desde la escobilla positiva, la corriente pasa hasta la nagativa a travs de las bobinas del rotor siguiendo dos caminos diferentes, a izquierda y derecha de la figura. Desde la escobilla negativa, la corriente va a masa, cerrando el circuito con la masa de la batera.El campo magntico creado en el tambor del rotor como consecuencia del paso de la corriente por las bobinas del mismo es tal, que en la zona de la derecha de la figura comprendida entre las dos escobillas se forma un polo norte, mientras en el resto se forma un polo sur.De esta manera, teniendo en cuenta que el polo sur del rotor ocupa las tres cuartas partes de la superficie del tambor, las fuerzas actuantes son:

a) El polo norte e repele al norte del rotor y atrae al sur, con lo que el movimiento resultante se produce en el sentido de las agujas del reloj.b) El polo sur E atrae al norte del rotor y repele al sur. El movimiento resultante es del mismo sentido que el anterior.c) El polo norte F repele al sur del rotor y atrae al norte, aunque ste se encuentra lejos. El sentido de movimiento es el de las agujas del reloj.d) El polo sur D repele al sur del rotor y atrae al norte, aunque ste se encuentra igualmente lejos, pero ahora, el sentido de movimiento es contrario al de las agujas del reloj. Como consecuencia de todo ello, las dos fuerzas actuantes de los apartados c) y d) se anulan, quedando aplicadas solamente las de a) y b), con lo cual, el rotor gira en el sentido de las agujas del reloj.

En los motores tetrapolares pueden disponerse solamente dos escobillas, tal como se han representado en la figura, que van situadas a noventa grados para que el campo magntico creado en el rotor sea el adecuado. En otros casos, se disponen cuatro escobillas separadas

Otro tipo de conexionado de las bobinas del estator utilizado por algunos motores de arranque, es el siguiente.Donde tres de las bobinas estn conectadas en serie y seguidamente a las dos escobillas positivas, mientras que la cuarta bobina (de hilo ms fino) est conectada en paralelo con las anteriores y su extremo final es puesto a masa directamente en una de las escobillas negativas.

3.6 FUERZA CONTRAELECTROMOTRIZ (f.e.e.m.) EN LOS MOTORES DE ARRANQUE.

Cuando gira el rotor de un motor de arranque, sus conductores activos cortan las lneas de fuerza del campo magntico creado por las bobinas del estator, inducindose en ellos una fe.m. Como ser explicado posteriormente en otro captulo. El sentido de ella es tal, que se opone a que pase la corriente por las espiras del rotor. La f.c.e.m. es tanto mayor cuanto ms rpido sea el giro del rotor.

Supongamos que la resistencia elctrica de las bobinas del estator y las espiras del rotor es 0,06 Omios y se aplica al motor de arranque una tensin de 12 V. La corriente obtenida es de:

Por ser muy grande la intensidad de la corriente en el circuito de arranque, cuando ste funciona se provoca una cada de tensin importante en la batera; por ejemplo, en el caso anterior, si la resistencia interna de la batera es de 0,01 n, la cada de tensin en ella al accionar el motor de arranque es:

v = R 1 = 0,01 200 = 2 V

Y hace que al circuito no se apliquen los 12 V, sino solamente 10 V. Por consiguiente, vemos que en el momento del arranque hay una cada de tensin en la batera y, por tanto, disminuye la tensin aplicada al circuito, con lo que, para la misma resistencia elctrica del motor de arranque, la corriente que pasa por l es menor, en este caso:

La potencia elctrica consumida por un motor de arranque, es directamente proporcional a la tensin aplicada y a la intensidad de la corriente obtenida.

Ejemplo: Un motor por el que pasa una corriente elctrica de 200 A al aplicarle 12 V, tiene una potencia elctrica de:

w = V 1 = 12 200 = 2.400 W

Si el rendimiento del motor es del 80%; desarrolla una potencia de:

Como se ve claramente, no toda la energa elctrica proporciona al motor de arranque se transforma en cintica, y esto es debido al rozamiento, que transforma parte de esa energa elctrica en calor.

3.7. SISTEMAS DE MANDO DEL MOTOR DE ARRANQUE

c) Accionamiento por rel y horquilla

La horquilla que desplaza al pin de engrane en el sistema anterior, puede ser mandada por un rel, en vez de hacerlo de forma manual mediante el correspondiente tirador, siendo ste el sistema utilizado casi en exclusiva actualmente.

Un rel est formado por una bobina con ncleo mvil, que se desplaza hacia el interior de la bobina por efectos magnticos cuando es alimentada de corriente.Cuando se hace pasar corriente por ella en el sentido marcado, se forma un campo magntico cuyas lneas de fuerza afectan tambin al ncleo A, el cual se imanta por induccin, formndose los correspondientes polos N'-S'. En el centro C de la bobina y mirando desde A vemos un polo sur, que atrae al polo N' del ncleo con una fuerza F que lo impulsa hacia el interior de la bobina. En esta nueva posicin del ncleo, se produce un equilibrio de fuerzas que mantiene al ncleo centrado en el interior de la bobina.Es de hacer notar que si se invierte el sentido de paso de la corriente en la bobina, cambia la direccin del flujo magntico creado y la posicin de los polos; pero tambin cambia la polaridad del ncleo y se generan igualmente las fuerzas que tienden a desplazarlo hacia el interior de la bobina.

El la figura se muestra la estructura de un rel, donde el ncleo magntico est unido a la carcasa y entre ambos se monta el devanado o bobina de accionamiento, en el interior de la cual puede desplazarse la armadura mvil unida al eje de maniobra, que por su extremo superior termina en el contacto mvil.

Se ha representado un sistema de accionamiento por rel. Al accionar el pulsador A, la corriente procedente de la batera B pasa a la bobina del rel E, formando el campo magntico que produce el desplazamiento del ncleo hacia la derecha, cerrando los contactos D y e, con lo que la corriente puede pasar desde la batera al motor de arranque a travs de los contactos, producindose el giro del rotor.Cuando se suelta el pulsador, se interrumpe la corriente en la bobina del rel, con lo cual, la palanca F vuelve a su posicin primitiva.

Cuadro sinptico de averas (Circuito de arranque)

CIRCUITO DE ARRANQUE. MOTOR DE ARRANQUE