El inducido es un componente de una máquina eléctrica, responsable de convertir la energía electromagnética en energía mecánica (movimiento rotatorio) a través de la inducción electromagnética.
Este elemento se acopla magnéticamente al inductor, que es la parte de la máquina donde se genera la fuerza electromotriz (fem) por inducción. En muchos motores eléctricos, el inducido también es conocido como la armadura, aunque el término "armadura" se ha utilizado históricamente para referirse a los conductores que reciben la corriente inducida.
En los motores de corriente continua (DC), el inducido generalmente se encuentra en el rotor, mientras que en los motores de corriente alterna (AC) asíncronos, el inducido puede encontrarse en el estator, lo que también se conoce como motor de inducción. Este diseño se basa en la interacción entre los campos magnéticos generados por el estator (en AC) y el rotor (en DC).
El inducido en motores de corriente continua
En los motores de corriente continua, el inducido es la parte rotatoria de la máquina.
Está compuesto por un tambor formado por chapas de hierro al silicio, con un grosor de aproximadamente 0,5 mm. Estas chapas están apiladas una encima de otra y presentan ranuras en la parte exterior, donde se colocan los devanados del motor. Al girar dentro del campo magnético generado por el inductor (que se encuentra en el estator), se induce una fuerza electromotriz (fem) en las bobinas del inducido, lo que genera corriente.
Los extremos de las bobinas se conectan a delgas, láminas de cobre distribuidas en la periferia de un cilindro aislante denominado colector. El colector tiene la función de conectar las bobinas del inducido con el circuito eléctrico externo mediante escobillas de carbón que rozan sobre las delgas. Este sistema es el responsable de que la corriente en las bobinas sea unidireccional, permitiendo que el motor gire de manera continua en una sola dirección.
El conmutador, compuesto por las delgas, juega un papel crucial, ya que permite la inversión periódica de la dirección de la corriente en las bobinas, lo que asegura que el motor continúe girando. Aunque tradicionalmente los motores de corriente continua utilizaban este sistema con escobillas y conmutador, hoy en día también existen motores de corriente continua sin escobillas (BLDC, Brushless DC), que emplean conmutación electrónica para controlar el flujo de corriente sin la necesidad de contacto físico.
El inducido en motores de corriente alterna (motores de inducción)
En los motores de corriente alterna, especialmente en los motores de inducción asíncronos, el inducido es también conocido como rotor.
Este rotor, que se encuentra en la parte móvil del motor, interactúa con el campo magnético generado por el estator. En estos motores, la corriente no se suministra directamente al rotor, sino que se induce en él debido al campo magnético variable creado por las corrientes en el estator. Esta inducción genera un campo magnético en el rotor que interactúa con el campo magnético del estator, lo que produce el movimiento rotatorio.
El rotor de estos motores suele tener un diseño de jaula de ardilla, en el que los conductores están dispuestos de forma cerrada dentro del rotor, sin conexión directa al circuito exterior. La corriente inducida en estos conductores es la que provoca la rotación del rotor dentro del campo magnético del estator.
El inducido en los alternadores
En los alternadores, que son máquinas que convierten energía mecánica en energía eléctrica en forma de corriente alterna, el inducido se encuentra en el rotor, mientras que el estator actúa como el inductor.
En estos generadores, el rotor está compuesto por un cilindro hueco de chapas de acero al silicio, dispuestas una encima de otra. Este cilindro tiene ranuras en su interior, donde se insertan las bobinas.
Cuando el rotor gira dentro del campo magnético creado por el estator, se induce una fuerza electromotriz en las bobinas del rotor, generando corriente alterna.
En el exterior de la carcasa del alternador, se encuentran los bornes, que permiten conectar las bobinas del inducido con el circuito eléctrico exterior, donde se entrega la corriente generada. Estos bornes permiten que la corriente alterna inducida fluya hacia el sistema eléctrico al que se destina.
Materiales y eficiencia del inducido
El inducido está formado por materiales conductores de alta eficiencia, como cobre o aluminio, debido a sus excelentes propiedades eléctricas.
Además, las chapas de hierro al silicio se utilizan para formar el núcleo del inducido, ya que ayudan a reducir las pérdidas por corrientes parásitas (corrientes de Foucault) y las pérdidas por histeresis al minimizar la resistencia al paso del flujo magnético.
Estas pérdidas son una de las fuentes de ineficiencia en los motores eléctricos, por lo que optimizar el diseño del inducido, reduciendo la distancia del entrehierro y mejorando los materiales, es clave para aumentar el rendimiento de la máquina.
Otros tipos de motores eléctricos
Existen otros tipos de motores en los que el inducido juega un papel crucial, como los motores sincrónicos y los motores paso a paso.
En los motores sincrónicos, el rotor gira a la misma velocidad que el campo magnético del estator, lo que los hace ideales para aplicaciones que requieren una velocidad constante. En los motores paso a paso, el inducido (rotor) se mueve en pasos discretos, lo que permite un control preciso del movimiento.
Bobinados del inducido
Los bobinados del inducido son un componente crucial en el diseño de motores eléctricos, ya que son responsables de generar la corriente eléctrica mediante la interacción con el campo magnético.
Estos bobinados son los conductores enrollados que, al ser sometidos a un campo magnético variable, inducen una corriente que genera la fuerza electromotriz (fem) necesaria para producir el movimiento en los motores eléctricos.
Tipos de bobinados en el inducido
Los bobinados del inducido pueden ser diseñados de varias formas según el tipo de motor y sus requisitos operativos. A continuación, se describen los principales tipos de bobinados utilizados en los inducidos de motores eléctricos:
Bobinado en ranuras
Este es el diseño más común en los motores eléctricos. En este tipo de bobinado, los conductores (normalmente de cobre o aluminio) se colocan en las ranuras que están presentes en el núcleo del inducido (o rotor en algunos casos).
Las ranuras están diseñadas para alojar las bobinas de manera compacta, lo que permite una distribución eficiente del campo magnético.
Este tipo de bobinado puede ser de una capa o múltiples capas. Los bobinados de múltiples capas se utilizan en motores de mayor potencia, ya que permiten un mayor número de vueltas de cable en cada ranura, lo que aumenta la capacidad de corriente del motor.
Bobinado en espiral
En este tipo de bobinado, el conductor se enrolla de forma continua en espiral a lo largo del inducido. Este diseño es más común en los motores de pequeña potencia o motores sin escobillas (como los motores BLDC). La disposición en espiral permite un mejor manejo de la inducción y la distribución de la corriente.
Bobinado en anillos
En los motores de corriente continua, especialmente en las primeras versiones, los bobinados solían colocarse en anillos que rodeaban el núcleo del inducido.
Este diseño era menos eficiente, ya que la corriente inducida tenía que atravesar un mayor espacio debido al entrehierro, lo que resultaba en un campo magnético menos fuerte. Sin embargo, este diseño fue reemplazado por las ranuras para mejorar la eficiencia y reducir las pérdidas por fricción.
Características de los bobinados del inducido
Los bobinados del inducido tienen una serie de características importantes que afectan al rendimiento de un motor eléctrico:
Número de vueltas de cable
El número de vueltas en el bobinado tiene un impacto directo en la fuerza electromotriz generada. A más vueltas, mayor será la fem inducida, lo que incrementa la eficiencia y potencia del motor. Sin embargo, más vueltas también significa mayor resistencia y, por tanto, mayor disipación de calor. Es fundamental encontrar un equilibrio adecuado entre el número de vueltas y la resistencia del bobinado.
Distribución del bobinado
La forma en que los conductores están distribuidos en las ranuras del inducido afecta a la calidad del campo magnético generado y a la eficiencia del motor. Los bobinados están diseñados para distribuir uniformemente la corriente a lo largo de todo el inducido, minimizando las pérdidas por corrientes de Foucault (pérdidas de energía debidas a campos magnéticos no deseados).
Tipo de material conductor
Los materiales utilizados para los bobinados, generalmente cobre o aluminio, deben tener una alta conductividad para maximizar la eficiencia de la corriente inducida. El cobre es el material preferido debido a su excelente conductividad eléctrica, aunque el aluminio se utiliza en motores de menor costo debido a su menor densidad y costo.
Aislamiento
Los bobinados del inducido deben estar aislados para evitar cortocircuitos entre las bobinas y el núcleo del inducido. El aislamiento también debe ser resistente a las altas temperaturas generadas por las corrientes eléctricas. Los materiales comunes para el aislamiento incluyen resinas epóxicas, pinturas aislantes y papel impregnado. Además, el aislamiento ayuda a reducir las pérdidas por corrientes parásitas.
Orientación de las ranuras
La orientación de las ranuras en el inducido afecta directamente la calidad del campo magnético inducido. Las ranuras pueden ser simétricas o asimétricas. En los motores de alta eficiencia, la disposición de las ranuras se optimiza para reducir las pérdidas por armónicos y mejorar la distribución del flujo magnético.