Mantenimiento del sistema de arranque del motor del vehículo. TMVG0209

Bibliografía

Capítulo 1

Motor de arranque

1. Introducción

Los motores térmicos de combustión interna tienen la capacidad de mantenerse en funcionamiento de forma autónoma, a régimen de ralentí o a régimen variable según la carga, debido a la energía generada dentro de sus cilindros, pero precisan de una fuente de energía externa para alcanzar un régimen mínimo de funcionamiento desde el estado de parada del motor. Esta fuente de energía la proporciona en los vehículos automóviles un motor eléctrico conocido por motor de arranque, el cual transforma la energía eléctrica que le proporciona la batería en energía mecánica a través de su eje, que mueve el motor térmico mediante un sistema de engranajes piñón-corona.

El motor de arranque, muy parecido a la dinamo en su construcción, tiene que vencer la resistencia que le ofrecen los elementos móviles del motor, como por ejemplo pistones, bielas, cigüeñal, etc., y sobre todo la presión que se genera dentro de los cilindros en la fase de compresión. La velocidad de rotación que debe alcanzar el motor térmico para obtener un funcionamiento regular es de 100 rpm para los motores de explosión y 150 rpm para los motores de combustión.

El consumo eléctrico del motor de arranque es máximo al inicio de su funcionamiento y va disminuyendo a medida que el motor térmico va realizando explosiones o combustiones que le ayudan a alcanzar las revoluciones necesarias para el arranque. Es evidente que en frío el consumo eléctrico es superior que con el motor en caliente.

Los fabricantes diseñan motores de arranque cuya relación peso/potencia proporcionen un par suficiente (para turismos hasta 30 Nm), sin que sean demasiado caros y que consuman el mínimo de corriente eléctrica.

En este capítulo se verá la misión que cumple el motor de arranque, los distintos tipos utilizados en los vehículos, su funcionamiento y los distintos sistemas de accionamiento, sus características eléctricas y las averías que pueden darse en estos motores eléctricos.

2. Principio de funcionamiento del motor de arranque

El principio de funcionamiento del motor de arranque de corriente continua se basa en las fuerzas de atracción y repulsión de dos campos magnéticos generados por una corriente eléctrica. Los imanes tienen la propiedad de atraer y ser atraídos al colocarse uno dentro del campo magnético del otro (fuerzas de atracción y repulsión) de forma que los polos del mismo nombre se repelen y polos contrarios se atraen.

Motor de arranque

Si se hace circular una corriente eléctrica continua por una espira, en ella se crea un campo magnético cuyas líneas de fuerza son perpendiculares al plano de la espira, el campo se polariza en ambas caras de la espira determinando los polos norte (N) y sur (S). Si se coloca esta espira dentro de otro campo magnético, tenderá a ubicarse de manera que las líneas de fuerza del campo entren por su cara sur y salgan por su cara norte, originándose un par de rotación (polos opuestos se atraen y polos iguales se repelen como se ha mencionado anteriormente).

Definición

Se conoce como espira a un conductor cerrado plano.

Si esta espira es colocada sobre un núcleo magnético giratorio, llamado rotor, y a su vez este campo magnético es introducido en un campo magnético estático, llamado estátor, el polo sur del rotor es atraído por el polo norte del estátor y al revés, generándose un par de rotación que origina el movimiento del rotor. Si se coloca una espira desfasada con respecto a la primera y conectadas ambas a delgas opuestas del colector, por las que se les proporciona corriente eléctrica continua, al orientarse la primera espira deja de alimentarse, pasa a alimentarse la segunda creando un nuevo campo magnético y un nuevo par de rotación, consiguiendo el movimiento giratorio del rotor.

Rotor

En los motores de arranque se colocan el número de espiras necesarias para conseguir un movimiento suave y continuo ocupando las ranuras del rotor y uniendo el extremo de cada espira a una delga en el colector, desfasada un ángulo determinado.

Los extremos de la espira pueden unirse a unos semianillos, aislados entre sí, sobre los cuales rozan dos escobillas fijas a través de las cuales circula la corriente de la espira.

Actividades

1. Buscar información sobre cómo conocer el sentido de la fuerza que actúa sobre el conductor por la regla de la mano derecha.

Recuerde

Si se ubica una espira dentro de un campo magnético, se colocará de forma que las líneas de fuerza del campo entren por su cara sur y salgan por su cara norte. Polos opuestos se atraen y polos iguales se repelen.

3. Fuerza contraelectromotriz en los motores de arranque

Cuando circula la corriente por las espiras del rotor se produce un campo magnético que tiende a orientarse con el campo estático del estátor, pero al girar las espiras dentro de un campo magnético se produce una variación de flujo magnético y por lo tanto se genera en ellas por inducción una fuerza electromotriz inducida y de sentido contrario que se opone a la tensión aplicada en el colector llamada fuerza contraelectromotriz (f.c.e.m.). De acuerdo con la ley de Lenz, la fuerza electromotriz tiende a oponerse a la causa que la genera, es decir, que tenderá a frenar al rotor. El valor de la f.c.e.m. depende de las revoluciones del inducido o rotor:

Donde:

E’ = fuerza contraelectromotriz en V.

V = tensión aplicada en bornes en V

Ia= intensidad de la corriente absorbida en A.

Ri = resistencia circuito interno, arrollamientos inducido e inductor en Ω.

2p = polos del motor.

Definición

Wb = wéber

Es la unidad de flujo magnético en el SI, equivalente al flujo magnético que al atravesar un circuito de una sola espira produce en la misma una fuerza electromotriz de 1 voltio si se anula dicho flujo en 1 segundo por decrecimiento uniforme.

La fuerza contraelectromotriz hace que la corriente absorbida sea menor al aumentar las revoluciones del motor, efectuando una autorregulación de su velocidad.

Donde:

E’= fuerza contraelectromotriz en V.

V = tensión aplicada en bornes en V.

Ia = intensidad de la corriente absorbida en A.

Ri = resistencia circuito interno, arrollamientos inducido e inductor en Ω.

La intensidad y la potencia absorbida en el arranque serán máximas para E’= 0, o sea, en el momento inicial del arranque.

Donde

Imáx = intensidad de corriente máxima en A.

Wmáx = potencia máxima en W.

Aplicación práctica

La tensión aplicada en bornes a un motor de arranque mediante un acumulador es de 11,50 V. Teniendo en cuenta la caída de tensión exterior, la resistencia interior del motor de arranque es de 0,06 Ω. ¿Cuál será la intensidad máxima absorbida por el motor y la potencia absorbida?

SOLUCIÓN

La intensidad máxima y la potencia absorbida se obtendrán de las siguientes expresiones:

Recuerde

La fuerza contraelectromotriz tiende a oponerse a la causa que la genera; tenderá a frenar al rotor, depende de las revoluciones del inducido.

4. Componentes del motor de arranque

Una de las principales limitaciones del motor de arranque es su tamaño; deberá ser lo más pequeño y compacto posible, robusto y de poco peso. Para cumplir con estas características es apropiado el motor eléctrico de corriente continua, que se acopla en el arranque a la corona del volante motor para hacer funcionar el motor térmico.

Las partes de que debe estar compuesto un motor de arranque son básicamente:

Un motor eléctrico de corriente continua.

Rotor o inducido.

Sistema de activación o interruptor.

Relé.

Dispositivo de engrane y desengrane a la corona del volante de inercia.

Piñón de engrane.

Actividades

2. Explicar brevemente a qué tipo de esfuerzo está sometido el resorte que hace que la escobilla esté en contacto permanente con las delgas del colector en el inducido.

4.1. Carcasa o cuerpo del motor

El estátor está constituido por una carcasa metálica de acero de bajo contenido en carbono a través de la cual se cierra el circuito magnético del campo inductor formado por las expansiones polares y creado por las bobinas inductoras, también llamadas zapatas, dentro del cual se mueve el inducido o rotor.

Estátor del motor de arranque

Recuerde

La velocidad de rotación que debe alcanzar el motor térmico para obtener un funcionamiento regular es de 100 rpm para los motores de explosión y 150 rpm para los motores de combustión.

Las expansiones o masas polares son núcleos de acero suave donde se forman los polos magnéticos del estátor; están alojados en el interior de la carcasa y sujetos mediante unión atornillada. Alrededor de los núcleos se colocan las bobinas inductoras, que están formadas de conductor de cobre de gran sección y aisladas entre sí con respecto a masa; al ser recorridas por la corriente eléctrica crean el campo magnético en las masas polares. Las bobinas inductoras se conectan eléctricamente en serie o en paralelo dos a dos, un extremo forma el borne de entrada al motor y el otro se une a la escobilla positiva.

Las masas polares adquieren la curvatura necesaria para que todos los puntos de su superficie queden a igual distancia del tambor del rotor, alojado en su interior.

La distancia que queda entre las masas polares y el tambor del rotor recibe el nombre de entrehierro (< 1 mm).

4.2. Rotor o inducido

El rotor o inducido está formado por un eje de acero sobre el que se monta el tambor, en el que se alojan los arrollamientos inducidos o espiras, y un colector en el cual se conectan los arrollamientos mediante soldadura blanda a sus respectivas delgas.

Las espiras son de gran sección y están formadas de pletinas de cobre aisladas entre sí y con respecto al cilindro.

El tambor está formado por la unión de chapas magnéticas ranuradas normalmente en forma de estrella.

El colector, en un lado del eje, está formado por laminillas de cobre aisladas que constituyen las delgas del mismo y sobre las que rozan las escobillas que alimentan el motor. Al otro lado del eje existen