Principio de funcionamiento eléctrico del motor de arranque del automóvil

Se sabe que los motores térmicos, una vez puestos en marcha, funcionan por sí solos a expensas de la energía interna producida por la combustión de la mezcla en sus cilindros, durante sus sucesivos ciclos de trabajo; pero para la puesta inicial en funcionamiento es necesario mover sus órganos de trabajo por medio de una fuente auxiliar de energía, acoplando al mismo un dispositivo capaz de mover dichos órganos. Esto se realiza en los vehículos por medio de un pequeño motor eléctrico, conocido con el nombre de motor de arranque, el cual suministra la energía necesaria para mover los órganos del motor térmico en su fase inicial de puesta en funcionamiento.

Fig. 1 - Esquema del circuito del motor de arranque del automóvil

El motor de arranque actúa como elemento receptor o consumidor de corriente en el circuito eléctrico del automóvil, alimentándose de la corriente eléctrica que le proporciona la batería (ver fig. 1) siguiente y transformándola en movimiento mecánico de su eje, movimiento que se aprovecha para la puesta en funcionamiento del motor térmico. Actúa, por tanto, como un transformador de energía eléctrica que recibe en sus bornes en energía mecánica que se recoge en su eje, es decir actúa contrariamente a la dinamo; sin embargo, en cuanto a su construcción no difiere esencialmente de la dinamo.

La energía mecánica que hay que aplicar a los motores térmicos para su puesta en funcionamiento es muy elevada, ya que hay que vencer gran número de resistencias pasivas, como son la compresión de los cilindros, fricción de los segmentos, inercia del volante, viscosidad del aceite de engrase, etc.; resistencias variables que dependen del tipo de motor y temperatura del mismo en el momento de efectuar el arranque. Por estas razones el motor de arranque aplicado debe ser capaz de vencer todas estas resistencias pasivas, aplicando a su eje una gran potencia y par motor, lo que hace de él un elemento constructivo de características especiales, pues ha de tener una gran potencia, con unas dimensiones reducidas en cuanto a volumen y peso, ya que es un elemento más a incorporar al vehículo.

El funcionamiento del motor de arranque está basado en la fuerza de atracción y repulsión de dos campos magnéticos creados por una corriente eléctrica.

Por la teoría de los campos electromagnéticos se sabe que, si se hace circular una corriente eléctrica por una espira, se crea en ella un campo magnético cuyas líneas de fuerza circulan por el interior de la misma perpendicularmente al plano de la espira, y si ésta corriente es continua, el campo se polariza en ambas caras de la espira, determinando los polos norte (N) y sur (S) de la misma. Si la espira se coloca dentro de otro campo magnético (fig. 2) siguiente, tenderá a colocarse de forma que las líneas de fuerza del campo entren por su cara sur y salgan por su cara norte, creándose en la espira un par de rotación que origina su movimiento, para colocar sus polos enfrentados con los polos de signo contrario del campo, ya que los polos de signo contrario se atraen y los del mismo signo se repelen.

Fig. 2 - Rotación de la espira

Si se coloca esta espira sobre un núcleo magnético giratorio, llamado rotor, además de reforzar el campo creado en la espira, se facilita el movimiento de la misma, al estar situada sobre un elemento giratorio. El campo magnético así formado se sitúa dentro de un campo magnético estático (fig. 3), con lo cual el polo sur del rotor será atraído por el polo norte del estator, y a) revés, produciéndose un par de rotación que origina el movimiento del rotor hasta colocar sus polos frente a frente con los de signo contrario del estator.

Fig. 3- Rotación de la espira

Este movimiento de rotación cesa en el momento en que los polos se sitúan enfrentados por la fuerza de atracción de los mismos; pero si se coloca otra espira desfasada con respecto a la primera y conectadas ambas a las delgas opuestas del colector a través de las cuales se alimentan las espiras (fig. 4), al girar la primera espira para situarse frente a los polos de estator, también gira el colector; de este modo las escobillas dejan de alimentarla, pasando a alimentar la siguiente, creando en ella el campo magnético y par de rotación para hacerla girar, continuando así el movimiento del rotor.

Fig. 4- Rotación de la espira

En los motores (fig. 5A), con el fin de evitar que estos giros sean bruscos y poder obtener un movimiento de rotación más suave y regular, se disponen varias espiras repartidas por la periferia del rotor, ocupando las ranuras del tambor y uniendo los extremos de cada espira a dos delgas del colector; así cada espira es alimentada a través de las escobillas cuando coincidan con su delga correspondiente, la cual queda alimentada a su vez en serie con las bobinas estatóricas que crean el campo inductor.

Fig. 5A - Esquema y componentes del motor de arranque del automóvil

En la figura 5B se muestra el diagrama de conexión de un motor de arranque.

Fig. 5B- Esquema de conexión de un motor de arranque.

The Starting System

The starting system is a combination of mechanical and electrical parts that work together to start the engine. The starting system is designed to change the electrical energy, which is being supplied by the battery, into mechanical energy. For this conversion to be accomplished, a starter or cranking motor is used. The basic starting system includes the following components (Figure ): 1. Battery. 2. Cable and wires. 3. Ignition switch. 4. Starter solenoid or relay. 5. Starter motor. 6. Starter drive and flywheel ring gear. 7. Starting safety switch.

El sistema de arranque

El sistema de arranque es una combinación de partes mecánicas y eléctricas que trabajan juntas para dar arranque al motor. El sistema de arranque está diseñado para transformar energía eléctrica, que es suministrada por la batería, en energía mecánica. Para realizar esta conversión, se utiliza un motor de arranque (o “burro de arranque”). El sistema de arranque básico incluye los siguientes componentes (ver figura): 1. Batería. 2. Cables de arranque. 3. Interruptor de encendido. 4. Solenoide de arranque o relé. 5. Motor de arranque. 6. Acoplamiento (bendix) y corona del volante. 7. Interruptor de seguridad neutral .

Vehicles equipped with automatic transmissions require a means of preventing the engine from starting while the transmission is in gear. Without this feature, the vehicle would lunge forward or backward once it was started, causing personal injury or property damage. The normally open neutral safety switch is connected in series in the starting system control circuit and is usually operated by the shift lever. When in the PARK or NEUTRAL position, the switch is closed, allowing current to flow to the starter circuit.

If the transmission is in a gear position, the switch is opened and current cannot fl ow to the starter circuit. Many vehicles equipped with manual transmissions use a similar type of safety switch. The startclutch interlock switch is usually operated by movement of the clutch pedal. When the clutch pedal is pushed downward, the switch closes and current can flow through the starter circuit. If the clutch pedal is left up, the switch is open and current cannot flow.

Some vehicles use a mechanical linkage that blocks movement of the ignition switch cylinder unless the transmission is in PARK or NEUTRAL .

El sistema de arranque

El interruptor de seguridad neutral se utiliza en vehículos equipados con transmisiones automáticas. Abre el circuito de control del arrancador cuando el selector de cambios de la transmisión está en cualquier posición, excepto PARK o NEUTRO. La ubicación real del interruptor de seguridad neutral depende del tipo de transmisión y la ubicación de la palanca de cambios. Algunos fabricantes colocan el interruptor en la transmisión.

Los vehículos equipados con transmisiones automáticas requieren un medio para evitar que el motor arranque mientras la transmisión está en marcha. Sin esta característica, el vehículo se lanzaría hacia adelante o hacia atrás al darle arranque, causando lesiones personales o daños a la propiedad. El interruptor de seguridad neutral normalmente abierto se conecta en serie en el circuito de control del sistema de encendido y generalmente se acciona mediante la palanca de cambios. Cuando está en la posición PARK o NEUTRAL, el interruptor está cerrado, permitiendo que la corriente fluya al circuito de arranque. Si la transmisión está en una posición de marcha, el interruptor se abre y la corriente no puede circular al circuito de arranque.

Muchos vehículos equipados con transmisiones manuales usan un tipo similar de interruptor de seguridad. El interruptor de enclavamiento del embrague de arranque generalmente se acciona moviendo el pedal del embrague.

Cuando se presiona el pedal del embrague hacia abajo, el interruptor se cierra y la corriente puede fluir a través del circuito de arranque. Si se libera el pedal del embrague, el interruptor se abre y la corriente no puede fluir.

Algunos vehículos usan un enlace mecánico que bloquea el movimiento del cilindro del interruptor de encendido a menos que la transmisión esté en PARK o NEUTRAL

A starting winding, also known as a starting coil or auxiliary winding, is a component found in certain types of electric motors, particularly single-phase induction motors. It is responsible for initiating the motor's rotation and providing the necessary torque during the starting phase.

In single-phase induction motors, the starting winding is typically positioned at an angle to the main winding. It is constructed with a higher number of turns of smaller wire compared to the main winding. This configuration creates a phase shift between the currents in the two windings, which generates a rotating magnetic field necessary for motor starting.

During the motor's starting phase, an external force, such as pulling on a cord or pressing a start button, energizes both the main winding and the starting winding. The starting winding provides the initial torque required to overcome the motor's inertia and initiate rotation. Once the motor reaches a sufficient speed, a centrifugal switch or other control mechanism typically disconnects the starting winding from the power source to prevent excessive current flow and overheating.

The use of a starting winding allows single-phase induction motors to achieve self-starting capability without the need for additional starting mechanisms. Once the motor is running, it operates primarily on the main winding, while the starting winding remains inactive.

It's important to note that starting windings are specific to single-phase induction motors and are not present in all types of electric motors. Three-phase motors, for example, typically do not require starting windings due to their inherent self-starting nature.

Un devanado de arranque, también conocido como bobina de arranque o devanado auxiliar, es un componente que se encuentra en ciertos tipos de motores eléctricos, especialmente en los motores de inducción monofásicos. Es responsable de iniciar la rotación del motor y proporcionar el par necesario durante la fase de arranque.

En los motores de inducción monofásicos, el devanado de arranque suele estar ubicado en un ángulo con respecto al devanado principal. Se construye con un mayor número de vueltas de alambre más delgado en comparación con el devanado principal. Esta configuración crea un desfase de fase entre las corrientes en los dos devanados, lo que genera un campo magnético giratorio necesario para el arranque del motor.

Durante la fase de arranque del motor, una fuerza externa, como tirar de un cordón o presionar un botón de arranque, energiza tanto el devanado principal como el devanado de arranque. El devanado de arranque proporciona el par inicial necesario para superar la inercia del motor e iniciar la rotación. Una vez que el motor alcanza una velocidad suficiente, un interruptor centrífugo u otro mecanismo de control generalmente desconecta el devanado de arranque de la fuente de alimentación para evitar el flujo excesivo de corriente y el sobrecalentamiento.

El uso de un devanado de arranque permite que los motores de inducción monofásicos logren la capacidad de arranque automático sin necesidad de mecanismos de arranque adicionales. Una vez que el motor está en funcionamiento, opera principalmente con el devanado principal, mientras que el devanado de arranque permanece inactivo.

Es importante tener en cuenta que los devanados de arranque son específicos de los motores de inducción monofásicos y no están presentes en todos los tipos de motores eléctricos. Por ejemplo, los motores trifásicos generalmente no requieren devanados de arranque debido a su naturaleza intrínsecamente autoarrancable.

Statampere (statA) is a unit of electric current in the electrostatic centimeter-gram-second (CGS) system of units. It is a unit used in the cgs-emu (electromagnetic unit) system, which is an alternative system of units to the more commonly used International System of Units (SI).

In the CGS system, the statampere is defined as the amount of electric current that, when flowing through two parallel conductors placed one centimeter apart in a vacuum, exerts a force of one dyne (a unit of force) per centimeter of length between the conductors.

The statampere is equivalent to approximately 3.335641 × 10⁻¹⁰ amperes (A) in the SI system. It is worth noting that the statampere is not commonly used in practical applications and has been largely replaced by the ampere in modern scientific and engineering contexts.

Statampere (statA) es una unidad de corriente eléctrica en el sistema centímetro-gramo-segundo (CGS) de unidades electrostáticas. Es una unidad utilizada en el sistema CGS-EMU (unidades electromagnéticas), que es un sistema alternativo de unidades al Sistema Internacional de Unidades (SI) más comúnmente utilizado.

En el sistema CGS, el statampere se define como la cantidad de corriente eléctrica que, al pasar por dos conductores paralelos colocados a una distancia de un centímetro en el vacío, ejerce una fuerza de un dina (una unidad de fuerza) por centímetro de longitud entre los conductores.

El statampere es equivalente a aproximadamente 3.335641 × 10⁻¹⁰ amperios (A) en el sistema SI. Es importante tener en cuenta que el statampere no se utiliza comúnmente en aplicaciones prácticas y ha sido ampliamente reemplazado por el amperio en contextos científicos y de ingeniería modernos.

Statcoulomb (statC) is a unit of electric charge in the electrostatic centimeter-gram-second (CGS) system of units. It is a unit used in the cgs-emu (electromagnetic unit) system, which is an alternative system of units to the more commonly used International System of Units (SI).

In the CGS system, the statcoulomb is defined as the amount of electric charge that, when placed in a vacuum, exerts a force of one dyne (a unit of force) on an equal charge at a distance of one centimeter.

The statcoulomb is equivalent to approximately 3.335641 × 10⁻¹⁰ coulombs (C) in the SI system. It is worth noting that the statcoulomb is not commonly used in practical applications and has been largely replaced by the coulomb in modern scientific and engineering contexts.

El statcoulomb (statC) es una unidad de carga eléctrica en el sistema centímetro-gramo-segundo (CGS) de unidades electrostáticas. Es una unidad utilizada en el sistema CGS-EMU (unidades electromagnéticas), que es un sistema alternativo de unidades al Sistema Internacional de Unidades (SI) más comúnmente utilizado.

En el sistema CGS, el statcoulomb se define como la cantidad de carga eléctrica que, cuando se coloca en el vacío, ejerce una fuerza de un dina (una unidad de fuerza) sobre una carga igual a una distancia de un centímetro.

El statcoulomb es equivalente a aproximadamente 3.335641 × 10⁻¹⁰ culombios (C) en el sistema SI. Es importante tener en cuenta que el statcoulomb no se utiliza comúnmente en aplicaciones prácticas y ha sido ampliamente reemplazado por el culombio en contextos científicos y de ingeniería modernos.

State equations, in the context of control systems, are mathematical representations that describe the behavior of a dynamic system. They are used to model the relationship between the system's inputs, outputs, and internal states over time.

The state equations typically take the form of a set of first-order differential equations. They are derived based on the physical laws and principles that govern the system's dynamics. The internal states represent the system's stored energy or memory, which affects its response to inputs.

The general form of state equations is:

dx/dt = f(x, u)

y = g(x, u)

Where:

• dx/dt represents the derivative of the state vector x with respect to time.
• x is the state vector, which contains the internal states of the system.
• u is the input vector, representing the system's inputs.
• f(x, u) describes the dynamics of the system and how the states change over time.
• y is the output vector, representing the system's outputs.
• g(x, u) describes the relationship between the internal states and the outputs.

State equations are fundamental in control system analysis and design. They allow engineers to study the system's behavior, stability, and performance characteristics. By manipulating the state equations, various control techniques can be applied to regulate the system's outputs and achieve desired control objectives.

Solving state equations numerically or analytically enables the prediction of the system's response to different inputs and the design of controllers to achieve desired system behavior.

Las ecuaciones de estado, en el contexto de los sistemas de control, son representaciones matemáticas que describen el comportamiento de un sistema dinámico. Se utilizan para modelar la relación entre las entradas, salidas y estados internos del sistema a lo largo del tiempo.

Las ecuaciones de estado suelen tener la forma de un conjunto de ecuaciones diferenciales de primer orden. Se derivan en base a las leyes físicas y principios que rigen la dinámica del sistema. Los estados internos representan la energía almacenada o la memoria del sistema, que afecta su respuesta a las entradas.

La forma general de las ecuaciones de estado es:

dx/dt = f(x, u)

y = g(x, u)

Donde:

• dx/dt representa la derivada del vector de estado x respecto al tiempo.
• x es el vector de estado, que contiene los estados internos del sistema.
• u es el vector de entrada, que representa las entradas del sistema.
• f(x, u) describe la dinámica del sistema y cómo cambian los estados a lo largo del tiempo.
• y es el vector de salida, que representa las salidas del sistema.
• g(x, u) describe la relación entre los estados internos y las salidas.

Las ecuaciones de estado son fundamentales en el análisis y diseño de sistemas de control. Permiten a los ingenieros estudiar el comportamiento, estabilidad y características de rendimiento del sistema. Manipulando las ecuaciones de estado, se pueden aplicar diversas técnicas de control para regular las salidas del sistema y lograr los objetivos de control deseados.

Resolver las ecuaciones de estado de forma numérica o analítica permite predecir la respuesta del sistema a diferentes entradas y diseñar controladores para lograr el comportamiento deseado del sistema.