Circuitos Magnéticos TECNOL.

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Tecnología

Generalidades.Un c. m.ç es una región delespacio, ocupada en su mayor parte o en su totalidad por un material ferromagnético, en la que existen líneas cerradas de inducción magnética (v. MAGNETISMO.)

La región que constituye el c. m. tiene, en general, forma apropiada para que pueda colocarse en ella un devanado excitador por el que se hace circular una corriente eléctrica, y las líneas de inducción producidas por el devanado, que son cerradas, están localizadas en su mayor parte en el material ferromagnético que constituye el c. m.

Un ejemplo típico lo presenta el hierro de un motor eléctrico, representado en forma esquemática en la fig. 1. Para que una máquina de este tipo opere apropiadamente, es preciso crear una inducción magnética intensa en el entrehierro o zona de aire que separa el estator fijo del rotor móvil. En dicha zona superficial del rotor existen conductores por los que circulan corrientes eléctricas que, interaccionando con el campo magnético, producen las fuerzas que originan el movimiento del motor.

El campo magnético, a su vez, se crea por medio de una corriente eléctrica que circula por otro devanado, que en la fig. 1 viene representado por las bobinas dl. Para que el motor funcionase no haría falta, en principio, más que los dos devanados que se han citado, siendo superflua la existencia del hierro, el cual podría ser sustituido por otro material más ligero y barato, con la única misión de servir de soporte mecánico a los devanados conductores de la corriente. El hierro, sin embargo, es imprescindible en la práctica, cumpliendo dos misiones:

a) Multiplica de un modo considerable la inducción magnética que se crea en el interior de las bobinas d, respecto al valor que, para la misma corriente de excitación, tendría si en su interior hubiera un material no ferromagnético. Este factor de multiplicación es de varios miles.

b) Canaliza las líneas de inducción magnética, representadas en la fig. 1 por líneas de puntos. En caso de que no hubiera hierro, las líneas de inducción, aun pasando por el interior de las bobinas excitadoras d, y cerrándose sobre sí mismas, como debe de ocurrir de acuerdo con las leyes generales del campo magnético, se dispersarían por todo el espacio. Por el contrario, la existencia de una región del espacio cerrada sobre sí misma y constituida por un material ferromagnético hace qué esas líneas de inducción se concentren, se adapten a la forma de la región y se cierren sin salir de ella. Con ello se consigue que la inducción magnética en el entrehierro, donde está colocado el segundo devanado, tenga un valor suficientemente alto para que, en la práctica, la operación del motor sea posible.

Este ejemplo, desarrollado aquí para un motor, es aplicable a todos los tipos de maquinaria eléctrica (transformadores, motores eléctricos de todos los tipos, dinamos, alternadores, etc.). Todos ellos fundan su operación en las leyes de la inducción electromagnética (v.), y, como consecuencia, todos constan de un c. eléctrico que crea un campo magnético, el cual, a su vez, interacciona con un segundo circuito eléctrico. Las razones que acabamos de indicar obligan siempre a disponer de un c. m. para canalizar e incrementar las líneas de inducción, mientras que para conducir las corrientes eléctricas se necesitan, naturalmente, hilos conductores. Por ello se puede decir, con absoluta generalidad, que el esquema más simple de cualquier máquina eléctrica es el indicado en la fig. 2: dos c. eléctricos encadenados por un c. m. Y es por ello también por lo que el hierro y el cobre constituyen los materiales básicos de la industria electrotécnica.

Aplicación del concepto de circuito magnético. El concepto de c. m. tiene una importante utilidad en el cálculo de maquinaria electrotécnica. El cálculo de la inducción en el entrehierro del motor de la fig. 1, necesario para conocer cuantitativamente el comportamiento del mismo, sería una tarea prácticamente imposible si se utilizaran las leyes generales de la inducción electromagnética, pues dichas leyes son diferenciales, aplicables únicamente a puntos, y su aplicación a regiones extensas supone un proceso de integración que, en general, sólo se puede resolver para casos muy sencillos. Pero, afortunadamente, el hecho de que todas las líneas de campo magnético se concentren en el c. m. simplifica extraordinariamente el problema, y permite una solución que, aunque aproXImada, es suficientemente buena para las necesidades técnicas, y con la que, efectivamente, se realizan todos los cálculos y proyectos de maquinaria eléctrica.

La aproximación procede, entre otras cosas, del hecho de que, a pesar de lo afirmado anteriormente, no todas las líneas de inducción se cierran a través del hierro. Algunas lo hacen a través del aire, sin encadenar, según el esquema de la fig. 2, a los dos c. eléctricos que constituyen la máquina. Ello da lugar a la existencia de un flujo de dispersión.

Sin entrar en detalles sobre cómo se deriva la solución citada, diremos que en un c. m. de sección uniforme, sea cual sea su forma, se verifica que donde N es el número de vueltas del devanado excitador, I es la corriente que circula por él, 0 es la magnitud denominada flujo magnético y que corresponde al produc, to de la inducción magnética por la sección del c. m., mientras que l es la longitud del mismo, s su sección y ~¿ la permeabilidad del material ferromagnético de que está constituido.

Por otra parte se verifica que el flujo magnético es constante en cualquier sección del c. m., y que si éste se divide en dos ramas, como ocurre en la fig. 1, el flujo magnético se divide igualmente, pero conservándose su suma en dos secciones de las respectivas ramas.

A la magnitud (l/s. w) se la denomina reluctancia del c. m. Si éste está compuesto por zonas de sección o de permeabilidad diferente, para cada una de ellas se puede definir su correspondiente reluctancia (R, verificándose entonces que

N-I=0((RI+(R2+(R3+...) (2)

Desde un punto de vista formal, el c. m. se comporta igual que uno eléctrico que estuviera formado por varias resistencias en serie, en el cual se verificaría que

E=I (RI +R2+R3+ ...)(3)

sin más que sustituir la magnitud N?I (que recibe el nombre de fuerza magnetomotriz) por la fuerza electromotriz E que alimenta al circuito eléctrico, el flujo 0 por la intensidad I y la reluctancia (Ii. por la resistencia R. Esta analogía, a la que el c. m. debe su nombre, se extiende al caso en eJ que eXIstan reluctancias en paralelo, dividiéndose entonces el flujo como se dividiría la intensidad de corriente en dos resistencias en paralelo, y, en general, a cualquier forma de c. m., que siempre puede ser equiparado a uno eléctrico equivalente. Con ello el complicado problema de determinar los valores de la inducción magnética queda reducido a una simple aplicación de las leyes de Kirchhoff (v. CORRIENTE ELÉCTRICA I), si se determinan las reluctancias del c. m.

El c. m. Puede tener partesen lasque no exista material ferromagnético, como ocurre en la zona del entrehierro del motor de la fig. 1, ocupado por aire, siempre que estas zonas tengan una longitud muy pequeña. En estas condiciones las líneas de inducción saltan de una parte a otra del material ferromagnético sin desviarse apreciablemente y, aunque es cierto que la baja permeabilidad del aire respecto a la del material ferromagnético hace que la reluctancia de ese entrehierro sea muy importante a pesar de su pequeña longitud (en algunos casos es la única importante de todo el c. m.), la constancia de flujo, necesaria para que la relación (2) sea aplicable, se sigue verificando.

J. GONZÁLEZ IBEAS.

BIBL.: A. BOLZ, F. MOELLER y T. WERR, Electrotecnia general y aplicada a las Máquinas, Barcelona 1949; E. E. STAFF-M. 1. T, Circuitos magnéticos y transformadores, Barcelona 1965; H. D. ROTERS, Electromagnetic Devices, Londres 1945.