Cómo armar un motor eléctrico
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Se explica aquí cómo armar un motor eléctrico de bajo costo y alto rendimiento alimentado con 4 pilas alcalinas AA. De alta velocidad y gran fuerza, puede ser usado tanto para comprender el funcionamiento de los motores eléctricos de corriente continua como para mover dispositivos mecánicos muy variados. El armado se hace con útiles simples (no se requiere un torno, por ejemplo) y elementos reciclados o de bajo costo que pueden obtenerse fácilmente en cualquier carpintería, ferretería y taller de reparaciones electrónicas.
Contenido
Introducción
Los motores son componentes indispensables de artefactos muy variados, como los electrodomésticos con partes móviles: molinillos de café, licuadoras, procesadoras de alimentos, aspiradoras, lustradoras, refrigeradores (donde accionan las bombas compresoras del fluido refrigerante) y lavarropas. El funcionamiento de estos motores, cuyos componentes cruciales son electroimanes, es difícil comprender porque no se puede ver bien lo que sucede en su interior. Todos los componentes de este motor son claramente visibles y, tanto en el proceso de su construcción como después, se pueden hacer variados experimentos para comprender la función de cada uno. La herramienta más compleja y costosa requerida para la construcción es un taladro de banco que puede ser reemplazado, aunque con desventajas, por un taladro eléctrico o manual. El resto de las herramientas se encuentran en cualquier taller casero razonablemente equipado (véase la lista más abajo).
Fuentes
En este artículo se describe cómo armar un electroimán —imán generado por la circulación forzada de corriente eléctrica— que puede levantar más de 50 g de clavos y servir de base para la construcción de un motor eléctrico. El electroimán está diseñado para ser alimentado con 4 pilas alcalinas de 1,5 V que generan una corriente de algo más de 1 amperio. El único insumo costoso requerido en su construcción —que puede conseguirse en talleres de bobinado de motores— es alambre de cobre esmaltado.
Introducción
Los electroimanes son, junto con los imanes permanentes y los materiales magnetizables, la base del funcionamiento de los motores eléctricos. Pocos saben que también cumplen funciones imprescindibles en muchos otros artefactos, caso de los lavarropas donde accionan las válvulas que controlan el ingreso de agua de los grifos y su posterior desagote. En ambas aplicaciones su modo de funcionamiento es difícil de comprender porque no se puede ver lo que sucede en el interior de los artefactos y dispositivos. Aunque muchos han jugado con imanes, pocos han construido electroimanes capaces de aplicar fuerzas significativas a materiales magnetizables como el hierro y el acero. La razón no es la falta de interés —ya que los fenómenos magnéticos fascinan a niños, jóvenes y adultos— sino la dificultad de construccción de un electroimán suficientemente poderoso para justificar el esfuerzo requerido. El diseño de un dispositivo aparentemente tan simple como un electroimán (arrollamiento o bobinado de un alambre conductor en un carrete) requiere conocimientos de Electromagnetismo que sólo tienen los físicos e ingenieros. Aunque en libros y revistas hay diseños simples de electroimanes, rara vez operan bien por falta de identificación del tipo de fuente eléctrica y alambre a usar (especialmente su diámetro y longitud).
Criterios determinantes del diseño
No se darán aquí las fórmulas determinantes del diseño ni la manera de llegar a ellas, sólo los factores a tener en cuenta y su incidencia sobre el resultado final. Estos factores son:
- fuente de alimentación a usar,
- diámetro del alambre requerido,
- longitud del alambre requerido.
El factor principal del diseño es la fuente de alimentación a usar, la que fija el voltaje V entre los extremos del electroimán y condiciona la máxima intensidad de corriente eléctrica I que se puede obtener. El responsable de la fuerza que ejerce el electroimán sobre materiales magnetizables es el campo magnético que genera en su exterior. La intensidad de este campo es directamente proporcional a la intensidad de corriente I que circula por el bobinado, al número N de vueltas de éste y a las propiedades magnéticas (permeabilidad) de su núcleo (el perno). No es viable usar un número demasiado grande de vueltas N porque entonces disminuye I debido al aumento de la resistencia eléctrica del alambre. Se generan altas corrientes usando la mayor cantidad razonable de pilas alcalinas lo más grandes posibles, 4 de tamaño D, pero desde el punto de vista práctico es más conveniente usar 4 pilas AA. Aunque las pilas recargables proporcionan corrientes más elevadas, se destruyen fácilmente por recalentamiento. Las corrientes altas requieren alambres de gran diámetro para evitar aumentos excesivos de temperatura que pueden carbonizar su esmalte de aislación, lo que aumenta el tamaño del electroimán. La relación de compromiso que hay que hacer entre todos estos requisitos (no se pueden maximizar simultáneamente V, I y N) y el tamaño elegido para el carrete conducen al diseño de electroimán de excelentes características cuya construcción se describe a continuación. El perno de hierro —aunque no es del material óptimo, sería mucho mejor usar un núcleo de Fe-Si como el de los laminados de transformadores— proporciona un campo magnético unas 5.000 veces mayor que si se dejara vacío el interior del carrete.
Materiales y útiles requeridos
- Materiales
- 1 carrete de hilo de coser, vacío, de aproximadamente 58 mm de largo y diámetro interior de no menos de 10 mm
- 11 m de alambre de cobre esmaltado Nº 22 o 23
- cinta de enmascarar de 1,5 cm de ancho
- 1 bulón de acero con tuerca de 10 x 1,50 x 65 (la 1ª medida es el diámetro, la 3ª es la longitud)
- 20 cm de cable multifilar de 0,3 mm2 de sección
- 1 trozo de lija Nº 220
- soldadura para electrónica con alma de resina
- Útiles
- soldador eléctrico
- taladro o torno de mano con mecha de 1 mm
El alambre de cobre puede conseguirse en talleres que hacen rebobinado de motores. El perno debe ser de hierro sin magnetización permanente, lo que puede verificarse con una brújula, a la que no debe desviar.
El carrete es uno común de hilo de coser casero, vacío, de plástico; debe verificarse que el perno entre bien, ya que algunos tienen diámetro interior menor de 1 cm. No es una buena alternativa elegir un perno de menor diámetro para adaptarlo al carrete porque ésto diminuiría la intensidad del campo magnético generado. La Figura 2 muestra el carrete vacío al que debe hacerse un agujero (indicado por la flecha) para pasar el chicote inicial del bobinado (a en la Figura 3) usando una mecha (broca) de 1 mm de diámetro. La parte externa del borde del carrete está dividido en varios sectores circulares, como se ve en la Figura 4; el agujero debe hacerse en el extremo de un sector, ya que el resto del espacio se usará para alojar un cable flexible que será el terminal de conexión llamado chicote (mire de nuevo la Figura 4). Conviene que el chicote tenga por lo menos el largo del carrete, tanto por posibles cortes por usos reiterados como por su posible uso en el armado de un motor eléctrico.
El bobinado, que tendrá en total unas 250 vueltas distribuidas en 5 capas, debe hacerse bien apretado, sin dejar espacio entre alambres contiguos, como se ilustra en la Figura 3. En ella el extremo inicial del alambre está identificado con la letra a; la posición del agujero pasante para ese extremo, con b; la primera capa del bobinado con c; la vuelta de cinta de enmascarar usada para evitar que el alambre se desacomode al iniciar la siguiente capa con d; el resto del alambre a bobinar con e.
Se hace salir el final del alambre mediante otro agujero de 1 mm de diámetro. Si el electroimán se usará sólo para hacer experimentos de atracción conviene que la salida esté en el mismo lado del carrete que la entrada; si se usará para el armado de un motor eléctrico debe estar en el opuesto. Esto facilitará la conexión a las pilas en el primer caso y a las delgas, en el segundo. Para hacer experimentos no se pueden usar directamente estos alambres para hacer la conexión a las pilas porque son rígidos y se romperían al cabo de poco tiempo de uso. Para evitar este problema se agregan chicotes hechos de cables multifilares (varios alambres finos en vez de solo 1 grueso) capaces de soportar múltiples flexiones sin cortarse. Como es importante minimizar la resistencia que generan al paso de la corriente y evitar su recalentamiento en funcionamiento prolongado, estos cables deben tener por lo menos la sección del alambre de cobre esmaltado (0,3 mm²) y estar bien soldados.
Para que la cabeza del perno y su tuerca queden bien apretados contra el carrete, hay que embutir los chicotes en los sectores circulares de los extremos de éste, aislándolos previamente para evitar cortocircuitos (véase Figura 4). La Figura 5 muestra el electroimán terminado, listo para hacer experimentos.
Algunos experimentos con el electroimán
El primer experimento es detectar los materiales que se magnetizan, es decir, que son atraídos por el electroimán. Rápidamente se descubrirá que son sólo unos pocos; que algunos de ellos conservan la magnetización (lo que se verifica usando una brújula) y que otros no.
Para verificar la importancia del núcleo (el perno) hay que comparar la fuerza que el electroimán es capaz de ejercer con y sin él (un factor 5.000 de diferencia, como se señaló inicialmente). La razón es que los átomos de hierro son imanes microscópicos que se alinean entre sí cuando se los coloca en un campo magnético.
Una manera de medir la “fuerza” de un imán es levantar pesos. Un material apropiado son los clavos, que se consiguen fácilmente en cantidad a bajo o nulo costo. La primera figura de la página ilustra la gran capacidad que tiene este electroimán. Aunque el experimento es llamativo, no permite una medida razonablemente exacta de la fuerza que es capaz de aplicar. Para eso hay que usar materiales con formas donde la magnetización responsable de la fuerza pueda producirse mejor, sin huecos. La forma óptima para esto son bloquecitos de hierro macizo, pero no es fácil conseguirlos de tamaños variados que permitan, por ensayo y error, determinar el tamaño máximo que se puede levantar. Un método práctico es usar chapas extraídas de algún transformador en desuso (las que posteriormente servirán también para el montaje de la llave inversora que se describe más adelante). Para eso hay que apilar las chapitas prolijamente, agregando unas pocas por vez, hasta llegar a la máxima cantidad que se mantiene suspendida. Se pesan luego en una balanza de cocina para obtener el peso máximo que se puede levantar.
Con una sola chapita rectangular de transformador se puede construir un dispositivo similar a los timbres domiciliarios de tipo “chicharra”. Se fija la chapita perpendicularmente al eje de la bobina y cerca de uno de sus extremos y se la hace oscilar conectando y desconectando rápidamente la corriente. Eso sucede 60 veces por segundo con la corriente alterna domiciliaria, produciendo el sonido zumbón característico de esos timbres.
El dispositivo más interesante, base de otros dispositivos técnicos de control, es el del timbre “ ding dong”. Para ilustrar su principio de funcionamiento hay que sacar el bulón, introducir parcialmente un clavo dentro del electroimán desconectado y verificar cómo se introduce totalmente en su interior cuando circula corriente. Ésta es la base de muchos dispositivos que permiten mover un interruptor o rotar piezas como el volante de un automóvil de juguete.
Figura 3. Carretel con 1ª capa de bobinado. 
Figura 4. Chicotes embutidos. 
Figura 5. Electroimán terminado.
Fuentes
- Solivérez, Carlos E.; Electroimán; revista ¡Armemos algo! Nº 3; San Carlos de Bariloche; 2006; pp. 34‑4.
Véase también