UN REPASO POR LA HISTORIA DEL MOTOR ELÉCTRICO
Sin duda, el coche eléctrico va postulándose gradualmente como una alternativa real frente al de combustión. Y, aunque se van conociendo datos importantes sobre su eficiencia o autonomía, poca gente sabe realmente algo sobre la historia del motor eléctrico.
Breve historia del motor eléctrico
Los primeros motores eléctricos fueron simples dispositivos electrostáticos descritos en experimentos realizados por el monje benedictino escocés Andrew Gordon y el inventor estadounidense Benjamin Franklin en la década de 1740.
El principio teórico detrás de ellos, la Ley de Coulomb, fue descubierto por el inglés Henry Cavendish en 1771, aunque no fue publicado. Esta ley fue descubierta independientemente por el francés Charles-Augustin de Coulomb en 1785, quien sí la publicó.
La invención de la pila electroquímica por el italiano Alessandro Volta en 1799 hizo posible la producción de corrientes eléctricas persistentes. Después de que el danés Hans Christian Ørsted descubriera en 1820 la interacción entre tal corriente y un campo magnético (interacción electromagnética), pronto se hicieron muchos progresos.
El francés André-Marie Ampère tardó sólo unas semanas en desarrollar la primera formulación de la interacción electromagnética y presentar la Ley de Ampère, que describe la producción de fuerza mecánica por la interacción de una corriente eléctrica y un campo magnético.
La primera demostración del efecto con un movimiento rotativo fue realizada por el inglés Michael Faraday en 1821. Se sumergió un alambre colgante en mercurio, sobre el cual se colocó un imán permanente. Cuando una corriente pasaba a través del alambre, este giraba alrededor del imán, mostrando que la corriente daba lugar a un campo magnético circular cercano alrededor del mismo. Sin duda, un científico fundamental en la historia del motor eléctrico.
Este motor se muestra a menudo en experimentos físicos, sustituyendo el mercurio (tóxico) por salmuera. El inglés Peter Barlow se basó en esto en 1822 para su Rueda de Barlow, aunque estos y otros motores homopolares similares no pudieron ser utilizados para su aplicación práctica hasta finales de siglo.
En 1827, el físico húngaro Ányos Jedlik comenzó a experimentar con bobinas electromagnéticas. Después de que resolviera los problemas técnicos de rotación continua con la invención del conmutador, llamó a sus primeros dispositivos "auto-rotores electromagnéticos".
Aunque sólo se utilizaban para la enseñanza, en 1828 Jedlik mostró el primer dispositivo que contenía los tres componentes principales de los motores de corriente continua prácticos: el estator, el rotor y el conmutador. El dispositivo no empleaba imanes permanentes, ya que los campos magnéticos de los componentes estacionarios y giratorios eran producidos únicamente por las corrientes que fluyen a través de sus devanados.
Historia del motor eléctrico de corriente continua
El primer motor eléctrico de corriente continua capaz de hacer girar maquinaria fue inventado por el científico inglés William Sturgeon en 1832. Siguiendo su obra, el inventor estadounidense Thomas Davenport construyó un motor eléctrico de corriente continua tipo conmutador que patentó en 1837.
Estos motores funcionaban a 600 revoluciones por minuto, gracias a una potente maquinaria y a una imprenta. Sin embargo, no tuvieron éxito comercial debido al alto costo de la energía de la batería primaria, lo que arruinó a Davenport. Además, en aquel momento no se disponía de ningún sistema de distribución de electricidad, por lo que no surgió ningún mercado comercial práctico para estos motores.
Tras muchos intentos más o menos exitosos con aparatos rotativos y alternativos relativamente débiles, el alemán Moritz von Jacobi creó el primer motor eléctrico rotativo real en mayo de 1834, que desarrolló una notable potencia mecánica de salida. Cuatro años más tarde mejoró su creación, con un motor lo suficientemente potente como para conducir un barco con 14 personas a través de un río ancho.
En 1855, Jedlik construyó un dispositivo con principios similares a los utilizados en sus auto-rotores electromagnéticos que era capaz de hacer un trabajo útil. Ese mismo año construyó un modelo de vehículo eléctrico.
Un punto de inflexión importante se produjo en 1864, cuando el italiano Antonio Pacinotti describió por primera vez la armadura de anillo (aunque inicialmente fue concebida en un generador de corriente continua, es decir, un dínamo), que incluía bobinas agrupadas simétricamente cerradas sobre sí mismas y conectadas a las barras de un conmutador, cuyos cepillos suministraban corriente prácticamente sin fluctuaciones.
La historia del motor eléctrico sigue con los primeros motores de corriente continua comercialmente exitosos, que seguían el desarrollo del belga Zénobe Gramme. Este reinventó en 1871 el diseño de Pacinotti y adoptó algunas soluciones del alemán Werner von Siemens.
Y es que un gran avance fue el descubrimiento de la reversibilidad de la máquina eléctrica, anunciada por Siemens en 1867 y observada por Pacinotti en 1869. Gramme lo demostró accidentalmente con ocasión de la Exposición Universal de Viena de 1873, cuando conectó dos de estos dispositivos de corriente continua a una distancia de hasta 2 km uno del otro, utilizando uno de ellos como generador y el otro como motor.
El rotor cilíndrico fue introducido por el alemán Friedrich von Hefner-Alteneck para reemplazar la armadura de anillo de Pacinotti en 1872, mejorando así la eficiencia de la máquina. El rotor laminado fue introducido al año siguiente, logrando reducir las pérdidas de hierro y aumentar las tensiones inducidas. En 1880, el sueco Jonas Wenström dotó al rotor de ranuras para alojar el devanado, aumentando aún más la eficiencia.
En 1886, el estadounidense Frank Julian Sprague inventó el primer motor de corriente continua práctico, un dispositivo sin chispas que mantenía una velocidad relativamente constante bajo cargas variables. Otras invenciones eléctricas de Sprague en esta época mejoraron enormemente la distribución eléctrica de la red.
Así, consiguió que la energía de los motores eléctricos volviera a la red, distribuyendo la misma a los carros a través de cables aéreos y los postes de los carros, estableciendo sistemas de control para las operaciones eléctricas.
Esto permitió utilizar motores eléctricos para inventar el primer sistema de trolebuses eléctricos en 1887-88 en la ciudad estadounidense de Richmond, el sistema de control y ascensor eléctrico en 1892, y el metro eléctrico con coches de control centralizado e independiente.
Estos últimos fueron instalados por primera vez en 1892 en Chicago. El motor de Sprague y las invenciones relacionadas llevaron a una explosión de interés y uso en motores eléctricos para la industria. El desarrollo de motores eléctricos de aceptable eficiencia se retrasó durante varias décadas debido a que no se reconoció la extrema importancia de un espacio de aire entre el rotor y el estator.
Historia del motor eléctrico de corriente alterna
En 1824 el físico francés François Arago formuló la existencia de campos magnéticos rotatorios. En 1879 el estadounidense Walter Baily, al encender y apagar manualmente los interruptores, logró el primer motor de inducción primitivo.
En la década de 1880 muchos inventores intentaban desarrollar motores de corriente alterna, puesto que las ventajas de la corriente alterna en la transmisión de alta tensión a larga distancia se veían contrarrestadas por la imposibilidad de hacer funcionar los motores en corriente alterna.
El primer motor de inducción sin conmutador de corriente alterna fue inventado por el italiano Galileo Ferraris en 1885. En 1888, la Real Academia de Ciencias de Turín publicó su investigación detallando los fundamentos del funcionamiento del motor, al tiempo que concluía que "el aparato basado en ese principio no podía tener ninguna importancia comercial como motor".
El posible desarrollo industrial fue concebido por el serbio Nikola Tesla, quien inventó independientemente su motor de inducción en 1887 y obtuvo una patente en mayo de 1888. En el mismo año, Tesla presentó su trabajo Un nuevo sistema de motores de corriente alterna y transformadores al Instituto Estadounidense de Ingenieros Eléctricos.
En él describía tres tipos de motores de cuatro polos de cuatro fases patentados: uno con un rotor de cuatro polos que formaba un motor de reluctancia no autoiniciable, otro con un rotor enrollado que formaba un motor de inducción autoiniciable y el tercero con un verdadero motor síncrono con alimentación de corriente continua excitada por separado para el bobinado de los rotores. Una figura clave en la historia del motor eléctrico.
Sin embargo, una de las patentes que Tesla presentó en 1887 también describía un motor de inducción de rotor de bobinado corto. El estadounidense George Westinghouse, que ya había adquirido los derechos de Ferraris por mil dólares, compró rápidamente las patentes de Tesla por 60.000 dólares y lo contrató para desarrollar sus motores. No obstante,, Tesla se marchó en 1889.
El motor de inducción de corriente alterna de velocidad constante no fue considerado adecuado para los coches de calle, pero los ingenieros de Westinghouse lo adaptaron con éxito para alimentar una operación minera en Colorado en 1891.
Así, se logró el primer motor de inducción práctico en 1892 y se desarrolló una línea de motores de inducción polifásicos de 60 hertzios en 1893, pero estos primeros motores de Westinghouse eran motores de dos fases con rotores enrollados. El estadounidense Benjamin Lamme desarrolló más tarde un rotor de bobinado de barra giratoria.
En 1889, el ruso Mikhail Dolivo-Dobrovolsky inventó el motor de inducción trifásico, de ambos tipos rotor enjaulado y rotor bobinado con reóstato de arranque, y el transformador de tres brazos en 1890. Tras un acuerdo entre AEG y Maschinenfabrik Oerlikon, junto a Charles Eugene Lancelot Brown desarrollaron modelos más grandes: una jaula de ardilla de 20 CV y un rotor bobinado de 100 CV con un reóstato de arranque.
Así, la historia del motor eléctrico tuvo los primeros motores asíncronos trifásicos aptos para el funcionamiento práctico. Desde 1889 se iniciaron desarrollos similares de maquinaria trifásica gracias a Wenström. En la Exposición Electrotécnica Internacional de Frankfurt de 1891 se presentó con éxito el primer sistema trifásico de larga distancia.
Tenía una capacidad de 15 kV y se extendía a lo largo de 175 km desde la cascada de Lauffen en el río Neckar. La central de Lauffen incluía un alternador de 240 kW 86 V 40 Hz y un transformador elevador, mientras que en la exposición un transformador reductor alimentaba un motor de inducción trifásico de 100 CV que alimentaba una cascada artificial, lo que representaba la transferencia de la fuente de energía original.
La inducción trifásica se utiliza ahora para la gran mayoría de las aplicaciones comerciales. Sin embargo, él afirmaba que el motor de Tesla no era práctico debido a las pulsaciones bifásicas, lo que lo impulsó a perseverar en su trabajo trifásico.
En 1896, General Electric y Westinghouse firmaron un acuerdo de licencia cruzada para el diseño del rotor de bobinado en barra, más tarde llamado rotor en jaula de ardilla. Las mejoras en el motor de inducción que surgieron de estos inventos e innovaciones fueron tales que un motor de inducción de 100 CV tiene actualmente las mismas dimensiones de montaje que un motor de 7,5 CV de 1897.
Gracias al motor eléctrico cada máquina podía estar equipada con su propia fuente de energía, lo que proporcionaba un control fácil en el punto de uso y mejoraba la eficiencia de la transmisión de energía. Por ejemplo, los motores eléctricos aplicados en la agricultura eliminaban la fuerza muscular humana y animal de tareas como la manipulación de granos o el bombeo de agua. El uso doméstico de motores eléctricos redujo la mano de obra pesada en el hogar y posibilitó estándares más altos de comodidad, confort y seguridad.
En definitiva, la historia del motor eléctrico es apasionante. Y es que los motores eléctricos revolucionaron la industria, puesto que como hemos visto los procesos industriales ya no estaban limitados por la transmisión de potencia mediante ejes de línea, correas, aire comprimido o presión hidráulica.
