Los vehículos necesitan un suministro de corriente eléctrica para su funcionamiento. Este suministro, en el momento del arranque, lo proporciona la batería, que se va agotando con los sucesivos arranques, por lo tanto, es necesaria su regeneración. En este artículo, exploraremos el funcionamiento del estator monofásico en una moto, sus componentes y cómo diagnosticar problemas en el sistema de carga.
Componentes Principales del Circuito Eléctrico de una Moto
El circuito eléctrico de una moto se compone de cuatro elementos principales:
- Alternador
- Rectificador/Regulador (R/R)
- Batería
- Consumidores de energía eléctrica
El Alternador
El alternador toma energía mecánica del motor de combustión y la transforma en energía eléctrica, generando tensiones y corrientes alternas. Una tensión alterna entre dos cables significa que durante un tiempo "t" el cable "a" es positivo y el cable "b" negativo. En el siguiente intervalo de tiempo "t", cambia la polaridad y ahora el cable "b" es positivo y el cable "a" negativo.
Tener corriente alterna significa que la dirección del flujo de cargas eléctricas en movimiento por un cable, va cambiando a intervalos de tiempo "t". Estas alternancias en la polaridad de las tensiones y en el sentido de circulación de las corrientes, se producen cada 60 grados de giro del cigüeñal. Nuestro alternador es trifásico, lo que significa que tenemos un conjunto de tres tensiones y tres corrientes que alcanzan su máximo cada 20 grados de giro del rotor del alternador de forma secuencial: primero Vab, luego Vbc y finalmente Vca.
CURSO DE MECANICA DE MOTOS: CABLEADO: Prueba de continuidad
Funcionamiento del Alternador
El alternador para su funcionamiento necesita que el rotor gire, este movimiento lo recibe del motor térmico por medio de la correa de transmisión. El campo magnético inductor lo crea la bobina del rotor al ser alimentada por una corriente continua a través de las escobillas y de los anillos rozantes.
A esta corriente de alimentación de la bobina inductora, la llamamos corriente de excitación, que en el momento inicial de generación de corriente la recibe de la batería a través de llave de contacto y la lámpara testigo del salpicadero, siendo esta la llamada corriente de preexcitación. El campo magnético inductor creado por el rotor, en su giro, corta las bobinas colocadas en el estator, induciendo en ellas una fuerza electromotriz.
La fuerza electromotriz así generada es una corriente alterna, esta corriente será proporcional al campo magnético y número de revoluciones del rotor. Por otra parte la corriente alterna generada no es apta para utilizarla en el vehículo, ya que, no puede ser almacenada por la batería.
La corriente de preexcitación es una corriente externa al alternador, procedente de la batería y necesaria para alimentar a las bobinas inductoras. Esta corriente es necesaria porque el magnetismo residual de las masas polares no es suficiente para inducir en el estator una fuerza electromotriz, capaz de superar la caída de tensión que provoca un diodo rectificador de silicio de 0,7 V. Por fase, tenemos 2 diodos por lo tanto, la tensión mínima generada por las bobinas inductoras tiene que ser de 1,4 V.
Cuando se supera esta caída de tensión la corriente atraviesa los diodos y pasa a alimentar a las bobinas inductoras para así crear el campo magnético, a partir de que el alternador genere una tensión superior a la de la batería, comienza la autoexcitación.
Alternador en Vacío
Con la moto en marcha, si desconectamos los cables amarillos del R/R y los dejamos "al aire", no circula corriente por ellos: el alternador está en vacío. Hay tensión, pero no corriente. Solo en esta circunstancia, el valor de la tensión "E" (Voltios) que obtenemos entre 2 cables amarillos es igual a (el que medimos en AC con el téster):
E = K * N * f * Φ
Donde:
- K: es un número constante que depende de diversos factores.
- N: número de espiras de las bobinas, constante una vez bobinado.
- f: frecuencia (Hz). Aumenta y disminuye proporcional a las rpm.
- Φ : Es el flujo magnético máximo (Weber), constante e impuesto por los imanes permanentes del rotor.
Alternador en Carga
Con la moto en marcha, cuando conectamos algo que consuma energía eléctrica en los cables amarillos, empieza a circular corriente por ellos (Amperios). Ahora hay tensión y también corriente, las dos cosas. Esta corriente crea en los bobinados del estátor un campo magnético que se opone al de los imanes permanentes. Como consecuencia, el flujo resultante es menor que en vacío y la tensión que obtenemos entre los cables amarillos también es menor que en la prueba en vacío. Este es el principio físico que utiliza un R/R tipo shunt para trabajar: ajustar la corriente (Amperios) que circula por los cables amarillos, cortocircuitándolos más veces o menos veces, para que el flujo resultante se mantenga constante (el de los imanes menos el de las bobinas) y por lo tanto la tensión de salida.
Calentamiento del Alternador
El alternador toma energía mecánica del motor y la transforma en un porcentaje elevado en energía eléctrica. El resto se convierte en calentamiento, que habrá que evacuar por algún método, mediante tres fenómenos:
- Pérdidas en el cobre: es el calentamiento en el cobre de las bobinas del estátor y dependen de la intensidad al cuadrado y de la resistencia del cobre del bobinado: a mas rpm, más intensidad, y por lo tanto más calor que generamos en el alternador. Además, la resistencia del cobre aumenta con la temperatura -> más calor
- Pérdidas en el hierro: es el calentamiento que se produce en núcleo magnético donde están arrolladas las bobinas del estátor. Dependen de la frecuencia de las tensiones y corrientes generadas. Según las tablas anteriores, a más rpm, más frecuencia y por lo tanto más calor en el alternador.
- Pérdidas por rozamiento: rozamiento con el aceite. Más rpm supone más rozamiento por unidad de tiempo.
En definitiva, si se anda con la moto periodos de tiempo largos a unas rpm elevadas (circuito, curveando fuerte, etc), el alternador se calienta más que andando suave.
El Rectificador/Regulador (R/R)
Lo que llamamos en el club “regulador”, internamente se compone de 3 circuitos: rectificador, circuito de fuerza del regulador, circuito de control del regulador.
Rectificador
El rectificador convierte las tensiones y corrientes alternas que genera el alternador (que van cambiando de polaridad + a - continuamente) a un tipo de tensión y corriente continua: no cambian de polaridad, un cable siempre es + y el otro - y así es posible cargar adecuadamente la batería.
Los elementos que realizan la conversión de alterna a continua son los diodos D1, D2, D3, D4, D5 y D6 (figura 1.2). Un diodo es un componente electrónico de dos terminales, ánodo y cátodo, que permite la circulación de la corriente eléctrica a través de él en un solo sentido. La flecha de su símbolo lo indica: solo conduce de ánodo a cátodo. Para ello, es necesario que el ánodo tenga una tensión más positiva que el cátodo (figura 1.2 y 1.5). Cuando esto sucede se comporta como un interruptor cerrado.
En esencia, el principio de funcionamiento del rectificador que llevamos en la moto (figura 1.2) sería el siguiente: cuando la tensión que genera el alternador en los cables amarillos es mayor que en la batería, los diodos empiezan a conducir por parejas y de forma secuencial, permitiendo el flujo de energía eléctrica hasta la batería. Nunca de la batería hacia el alternador: son “válvulas anti-retorno”.
Siempre conduce 1 de los 3 diodos superiores (D1 o D3 o D5): el que esté conectado al cable amarillo con tensión más positiva y uno de los 3 diodos inferiores (D2 o D4 o D6): el que esté conectado al cable amarillo con tensión más negativa. En la figura 1.6 se detalla que pareja de diodos trabajan cada 60 grados de giro del cigüeñal.
Circuito de Control del Regulador
Como hemos visto, la tensión (Voltios) que genera el alternador y que luego se trasladada mediante los diodos a la batería, depende de las rpm a las que se encuentre la moto. El margen de tensiones para que se cargue la batería está entre 13,8 y 15,5 V, según el manual de Honda. El alternador se diseña para que al ralentí sea capaz de suministrar 14,2 V, más o menos.
El problema resulta cuando aceleramos: suben las rpm y como consecuencia la tensión en batería. Por encima de 14,4 V, se empiezan a producir reacciones químicas irreversibles en la batería que terminan con su vida útil de forma prematura. Para evitar todo esto, el Circuito de control del regulador está constantemente midiendo dicha tensión en la batería. Si detecta un valor superior al umbral especificado, da la orden para que se deje de suministrar energía a la batería, cortocircuitando los cables amarillos.
Circuito de Fuerza del Regulador
El circuito de fuerza del regulador tipo shunt son 3 tiristores (figura 1.2: T1, T2 y T3) o 3 MOSFET conectados entre los cables amarillos y el negativo de salida del R/R.
Un tiristor tiene tres terminales, ánodo, cátodo y puerta. Al igual que el diodo, solo deja pasar corriente (Amperios) en el sentido de ánodo a cátodo, pero el momento en que empieza a conducir está controlado por un impulso de corriente en la puerta. Por lo tanto, para que se comporte como un interruptor cerrado, la tensión en el ánodo tiene que ser más grande que en el cátodo y además debemos suministrarle un impulso de corriente por el terminal de puerta. Para que deje de conducir, es necesario que la tensión en el cátodo sea mayor que en el ánodo, no necesitándose ninguna señal por la puerta (figura 1.7).
Los 2 Estados de Trabajo del Circuito de Carga
Resumiendo, el circuito de carga de la batería tiene dos estados de trabajo: rectificando y regulando. En el primero convierte las tensiones y corrientes AC generadas por el alternador a tensiones y corrientes continuas DC necesarias en la batería y consumo, mediante la conducción de parejas de diodos (figura 1.6 y 1.. Cuando el circuito de control del R/R detecta una tensión en batería superior a la de consigna (por ejemplo 14,4 V), este da la orden a los tiristores para que pasen al estado de conducción. De esta forma la salida del alternador queda cortocircuitada por un lado y el consumo de la moto se abastece solamente desde batería por otro (Figura 1.9 ).
Diagnóstico de Problemas en el Sistema de Carga
Cuando se presenta un problema en el sistema de carga de una moto, es crucial realizar un diagnóstico adecuado para identificar la causa raíz. Aquí hay algunos pasos y consideraciones:
- Verificar la batería: Asegurarse de que la batería esté en buen estado y cargada. Una batería defectuosa puede simular problemas en otros componentes.
- Medir la tensión de carga: Con la moto en marcha, verificar que la tensión en los bornes de la batería esté dentro del rango especificado (generalmente entre 13.8V y 15.2V).
- Comprobar el alternador: Medir la salida de corriente alterna entre los cables del alternador para asegurar que esté generando la corriente adecuada.
- Revisar el regulador/rectificador: Verificar que el regulador esté funcionando correctamente y no esté permitiendo sobretensiones que puedan dañar la batería o los componentes eléctricos.
- Buscar cortocircuitos: Inspeccionar el cableado y las conexiones para detectar posibles cortocircuitos que puedan estar afectando el sistema de carga.
El Estator
El término estator proviene de la combinación de dos palabras; la primera es estacionario y la segunda, rotor. En resumen, un estator es una pieza fija en la que gira un rotor. El estator es una de las piezas más importantes de un motor eléctrico que, a diferencia del rotor, siempre está estático. Esta característica encaja con la función general de un motor eléctrico, que consiste en convertir la energía eléctrica en energía de movimiento, generalmente conocida como energía cinética.
El estator, por tanto, es la pieza que actúa como polo magnético dentro del motor eléctrico; el movimiento de una brújula podría compararse, por tanto, al movimiento de un rotor, y el movimiento del norte magnético al movimiento de un estator. Un estator actúa como punto de referencia en un motor eléctrico. Como ya se ha mencionado, es una pieza que, gracias a la posición que ocupa, permite que se produzca la rotación del rotor. Generalmente, el estator está formado por láminas de acero que permiten el paso del flujo magnético.
En los motores asíncronos hay una corriente alterna que gira a una velocidad distinta de la del campo magnético de un estator. Por lo tanto, puede decirse que una de las funciones del estator es, de hecho, crear un campo magnético actuando dentro de todo el circuito del motor eléctrico como un elemento inductor.
Diferencias entre Rotor y Estator
Al hablar de rotores y estatores, es posible enumerar algunas de las diferencias más importantes entre ellos. En primer lugar, cabe decir que el rotor es la pieza móvil de un motor eléctrico, mientras que el estator es la pieza fija. En el caso del bobinado del estator, éste dispone de una alimentación trifásica que estimula el rotor y lo pone en movimiento.
Otra de las diferencias más notables radica en las piezas que lo forman: el núcleo del estator, su armazón exterior y su bobinado. Otra diferencia con respecto al bobinado del estator es que, al estar sometido a una alta tensión, permanece aislado. No ocurre lo mismo con el devanado del rotor, que tiene un menor grado de aislamiento.
En cuanto a su disposición, la del estator puede calificarse ciertamente de más compleja que la del rotor. También hay diferencias en el sistema de refrigeración. La refrigeración del estator es mejor que en el caso del rotor precisamente porque está en una posición fija.
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