Motor eléctrico de corriente continua sin escobillas

Un motor eléctrico de corriente continua sin escobillas ( BLDC ), también conocido como motor conmutado electrónicamente , es un motor síncrono que utiliza una fuente de alimentación eléctrica de corriente continua (CC) . Utiliza un controlador electrónico para conmutar corrientes de CC a los devanados del motor , lo que produce campos magnéticos que giran de manera efectiva en el espacio y que sigue el rotor de imán permanente. El controlador ajusta la fase y la amplitud de los pulsos de corriente que controlan la velocidad y el par del motor. Es una mejora del conmutador mecánico (escobillas) utilizado en muchos motores eléctricos convencionales.

La construcción de un sistema de motor sin escobillas es típicamente similar a la de un motor síncrono de imanes permanentes (PMSM), pero también puede ser un motor de reluctancia conmutada o un motor de inducción (asíncrono) . También pueden utilizar imanes de neodimio ^[1] y ser de rotor externo (el estator está rodeado por el rotor), de rotor interno (el rotor está rodeado por el estator) o axiales (el rotor y el estator son planos y paralelos). ^[2]

Las ventajas de un motor sin escobillas sobre los motores con escobillas son una alta relación potencia-peso, alta velocidad, control casi instantáneo de la velocidad (rpm) y el par, alta eficiencia y bajo mantenimiento. Los motores sin escobillas encuentran aplicaciones en lugares como periféricos de computadora (unidades de disco, impresoras), herramientas eléctricas portátiles y vehículos que van desde aviones a escala hasta automóviles. En las lavadoras modernas, los motores de corriente continua sin escobillas han permitido reemplazar las correas de goma y las cajas de cambios por un diseño de transmisión directa. ^[3]

Los motores de corriente continua con escobillas se inventaron en el siglo XX y todavía son comunes. Los motores de corriente continua sin escobillas fueron posibles gracias al desarrollo de la electrónica de estado sólido en la década de 1960. ^[4]

Un motor eléctrico desarrolla par al mantener desalineados los campos magnéticos del rotor (la parte giratoria de la máquina) y del estator (la parte fija de la máquina). Uno o ambos conjuntos de imanes son electroimanes , hechos de una bobina de alambre enrollada alrededor de un núcleo de hierro. La corriente continua que pasa por el devanado del alambre crea el campo magnético , proporcionando la energía que hace funcionar el motor. La desalineación genera un par que intenta realinear los campos. A medida que el rotor se mueve y los campos se alinean, es necesario mover el campo del rotor o del estator para mantener la desalineación y continuar generando par y movimiento. El dispositivo que mueve los campos en función de la posición del rotor se llama conmutador . ^{[5] [6] [7]}

En los motores con escobillas, esto se hace con un interruptor giratorio en el eje del motor llamado conmutador. ^{[5] [7] [6]} Consiste en un cilindro o disco giratorio dividido en múltiples segmentos de contacto metálico en el rotor. Los segmentos están conectados a devanados conductores en el rotor. Dos o más contactos estacionarios llamados escobillas , hechos de un conductor blando como el grafito , presionan contra el conmutador, haciendo contacto eléctrico deslizante con segmentos sucesivos a medida que gira el rotor. Las escobillas proporcionan selectivamente corriente eléctrica a los devanados. A medida que el rotor gira, el conmutador selecciona diferentes devanados y la corriente direccional se aplica a un devanado determinado de modo que el campo magnético del rotor permanece desalineado con el estator y crea un par en una dirección.

El conmutador de escobillas tiene desventajas que han llevado a una disminución en el uso de motores con escobillas. Estas desventajas son: ^{[5] [7] [6]}

• La fricción de las escobillas al deslizarse a lo largo de los segmentos giratorios del conmutador provoca pérdidas de potencia que pueden ser significativas en un motor de baja potencia.
• El material de las escobillas blandas se desgasta debido a la fricción, lo que genera polvo y, con el tiempo, es necesario reemplazarlas. Esto hace que los motores conmutados no sean adecuados para aplicaciones selladas o con bajo contenido de partículas, como los motores de disco duro , y para aplicaciones que requieren un funcionamiento sin mantenimiento.
• La resistencia eléctrica del contacto del cepillo deslizante provoca una caída de tensión en el circuito del motor denominada caída de escobillas , que consume energía.
• La conmutación brusca y repetida de la corriente a través de la inductancia de los devanados provoca chispas en los contactos del conmutador, lo que constituye un peligro de incendio en atmósferas explosivas y una fuente de ruido electrónico , que puede provocar interferencias electromagnéticas en circuitos microelectrónicos cercanos.

Durante los últimos cien años, los motores de corriente continua de alta potencia con escobillas, que en su día fueron el pilar de la industria, fueron reemplazados por motores síncronos de corriente alterna (CA) . Hoy en día, los motores con escobillas se utilizan solo en aplicaciones de baja potencia o donde solo se dispone de corriente continua, pero los inconvenientes mencionados anteriormente limitan su uso incluso en estas aplicaciones.

En los motores de corriente continua sin escobillas, un controlador electrónico reemplaza los contactos del conmutador de escobillas. ^{[5] [7] [6]} Un sensor electrónico detecta el ángulo del rotor y controla los interruptores semiconductores , como los transistores , que conmutan la corriente a través de los devanados, ya sea invirtiendo la dirección de la corriente o, en algunos motores, apagándola, en el ángulo correcto para que los electroimanes creen par en una dirección. La eliminación del contacto deslizante permite que los motores sin escobillas tengan menos fricción y una vida útil más larga; su vida útil está limitada solo por la vida útil de sus cojinetes .

Los motores de corriente continua con escobillas desarrollan un par máximo cuando están parados, que disminuye linealmente a medida que aumenta la velocidad. ^[8] Algunas limitaciones de los motores con escobillas pueden superarse con motores sin escobillas; entre ellas, una mayor eficiencia y una menor susceptibilidad al desgaste mecánico. Estos beneficios se obtienen a costa de una electrónica de control potencialmente menos robusta, más compleja y más cara.

Un motor sin escobillas típico tiene imanes permanentes que giran alrededor de una armadura fija , lo que elimina los problemas asociados con la conexión de corriente a la armadura móvil. Un controlador electrónico reemplaza el conjunto de conmutadores del motor de CC con escobillas, que cambia continuamente la fase de los devanados para mantener el motor en movimiento. El controlador realiza una distribución de energía temporizada similar mediante el uso de un circuito de estado sólido en lugar del sistema de conmutadores.

Los motores sin escobillas ofrecen varias ventajas sobre los motores de corriente continua con escobillas, entre ellas, una alta relación par/peso, mayor eficiencia al producir más par por vatio , mayor fiabilidad, menor ruido, mayor vida útil al eliminar la erosión de las escobillas y del conmutador, eliminación de chispas ionizantes del conmutador y una reducción general de la interferencia electromagnética (EMI). Al no tener bobinados en el rotor, no están sujetos a fuerzas centrífugas y, como los bobinados están soportados por la carcasa, se pueden enfriar por conducción, sin necesidad de flujo de aire dentro del motor para enfriarse. Esto, a su vez, significa que los componentes internos del motor se pueden encerrar por completo y proteger de la suciedad u otras materias extrañas.

La conmutación de motores sin escobillas se puede implementar en software mediante un microcontrolador o, alternativamente, se puede implementar mediante circuitos analógicos o digitales. La conmutación con componentes electrónicos en lugar de escobillas permite una mayor flexibilidad y capacidades que no están disponibles con los motores de CC con escobillas, incluida la limitación de velocidad, la operación de micropasos para el control de movimiento lento y fino y un par de retención cuando está estacionario. El software del controlador se puede personalizar para el motor específico que se utiliza en la aplicación, lo que da como resultado una mayor eficiencia de conmutación.

La potencia máxima que se puede aplicar a un motor sin escobillas está limitada casi exclusivamente por el calor; ^{[ cita requerida ]} demasiado calor debilita los imanes y daña el aislamiento de los devanados.

Al convertir electricidad en potencia mecánica, los motores sin escobillas son más eficientes que los motores con escobillas, principalmente debido a la ausencia de escobillas, lo que reduce la pérdida de energía mecánica debido a la fricción. La eficiencia mejorada es mayor en las regiones sin carga y con poca carga de la curva de rendimiento del motor. ^[9]

Los entornos y requisitos en los que los fabricantes utilizan motores de CC sin escobillas incluyen funcionamiento sin mantenimiento, altas velocidades y funcionamiento en el que las chispas son peligrosas (es decir, entornos explosivos) o podrían afectar a equipos electrónicamente sensibles.

La construcción de un motor sin escobillas se asemeja a la de un motor paso a paso , pero los motores tienen diferencias importantes debido a diferencias en la implementación y el funcionamiento. Mientras que los motores paso a paso se detienen con frecuencia con el rotor en una posición angular definida, un motor sin escobillas suele estar diseñado para producir una rotación continua. Ambos tipos de motores pueden tener un sensor de posición del rotor para la retroalimentación interna. Tanto un motor paso a paso como un motor sin escobillas bien diseñado pueden mantener un par finito a cero RPM.

Debido a que el controlador implementa la funcionalidad tradicional de las escobillas, necesita conocer la orientación del rotor en relación con las bobinas del estator. Esto es automático en un motor con escobillas debido a la geometría fija del eje del rotor y las escobillas. Algunos diseños utilizan sensores de efecto Hall o un codificador rotatorio para medir directamente la posición del rotor. Otros miden la fuerza contraelectromotriz en las bobinas no accionadas para inferir la posición del rotor, lo que elimina la necesidad de sensores de efecto Hall separados. Por lo tanto, a estos controladores se los suele llamar sin sensores .

Los controladores que detectan la posición del rotor en función de la fuerza contraelectromotriz tienen dificultades adicionales para iniciar el movimiento, ya que no se produce fuerza contraelectromotriz cuando el rotor está estacionario. Esto se logra generalmente iniciando la rotación desde una fase arbitraria y luego saltando a la fase correcta si se descubre que es incorrecta. Esto puede hacer que el motor funcione en reversa brevemente, lo que agrega aún más complejidad a la secuencia de arranque. Otros controladores sin sensores son capaces de medir la saturación del devanado causada por la posición de los imanes para inferir la posición del rotor. ^[10]

Un controlador típico contiene tres salidas de polaridad reversible controladas por un circuito lógico. Los controladores simples emplean comparadores que funcionan a partir de sensores de orientación para determinar cuándo se debe avanzar la fase de salida. Los controladores más avanzados emplean un microcontrolador para gestionar la aceleración, controlar la velocidad del motor y ajustar la eficiencia.

Dos parámetros de rendimiento clave de los motores de CC sin escobillas son las constantes del motor (constante de par) y la constante de fuerza contraelectromotriz (también conocida como constante de velocidad ). ^[11]$Estilo de visualización K_{T}}$${\displaystyle K_{e}}$${\displaystyle K_{V}={1 \over K_{e}}}$

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Los motores sin escobillas se pueden construir en varias configuraciones físicas diferentes. En la configuración convencional de rotor interno , los imanes permanentes forman parte del rotor. Tres devanados del estator rodean el rotor. En la configuración de rotor externo con rotor externo , la relación radial entre las bobinas y los imanes se invierte; las bobinas del estator forman el centro (núcleo) del motor, mientras que los imanes permanentes giran dentro de un rotor saliente que rodea el núcleo. Los motores externos suelen tener más polos, configurados en tripletes para mantener los tres grupos de devanados, y tienen un par mayor a bajas RPM. En el tipo de flujo axial plano , que se utiliza donde hay restricciones de espacio o forma, las placas del estator y del rotor se montan cara a cara. En todos los motores sin escobillas, las bobinas son estacionarias.

Existen dos configuraciones comunes de bobinado eléctrico: la configuración delta conecta tres bobinados entre sí en un circuito tipo triángulo y se aplica energía en cada una de las conexiones. La configuración en estrella ( en forma de Y ), a veces llamada bobinado en estrella, conecta todos los bobinados a un punto central y se aplica energía al extremo restante de cada bobinado. Un motor con bobinados en configuración delta proporciona un par bajo a baja velocidad, pero puede proporcionar una velocidad máxima más alta. La configuración en estrella proporciona un par alto a baja velocidad, pero no una velocidad máxima tan alta. ^{[ dudoso – discutir ]} El bobinado en estrella normalmente es más eficiente. Los bobinados conectados en delta pueden permitir que las corrientes eléctricas parásitas de alta frecuencia circulen completamente dentro del motor. Un bobinado conectado en estrella no contiene un bucle cerrado en el que puedan fluir corrientes parásitas, lo que evita tales pérdidas. Aparte de la mayor impedancia de la configuración en estrella, desde el punto de vista del controlador, las dos configuraciones de bobinado se pueden tratar exactamente de la misma manera. ^{[ 12 ]}

Los motores sin escobillas cumplen muchas funciones que originalmente realizaban los motores de corriente continua con escobillas, pero el costo y la complejidad del control impiden que los motores sin escobillas reemplacen por completo a los motores con escobillas en las áreas de menor costo. Sin embargo, los motores sin escobillas han llegado a dominar muchas aplicaciones, en particular dispositivos como discos duros de computadora y reproductores de CD/DVD. Los pequeños ventiladores de refrigeración en equipos electrónicos son alimentados exclusivamente por motores sin escobillas. Se pueden encontrar en herramientas eléctricas inalámbricas donde la mayor eficiencia del motor conduce a períodos de uso más largos antes de que sea necesario cargar la batería. Los motores sin escobillas de baja velocidad y baja potencia se utilizan en tocadiscos de accionamiento directo para discos de gramófono . ^[13] Los motores sin escobillas también se pueden encontrar en aplicaciones marinas, como propulsores submarinos . ^[14] Los drones también utilizan motores sin escobillas para elevar su rendimiento.

Los motores sin escobillas se encuentran en vehículos eléctricos , vehículos híbridos , transportadores personales y aviones eléctricos . ^[15] La mayoría de las bicicletas eléctricas utilizan motores sin escobillas que a veces están integrados en el propio cubo de la rueda, con el estator fijado sólidamente al eje y los imanes unidos a la rueda y girando con ella. ^[16] El mismo principio se aplica en las ruedas de los patinetes autoequilibrados . La mayoría de los modelos controlados por radio y propulsados ​​eléctricamente utilizan motores sin escobillas debido a su alta eficiencia.

Los motores sin escobillas se encuentran en muchas herramientas inalámbricas modernas, incluidas algunas cortadoras de hilo , sopladores de hojas , sierras ( circulares y recíprocas ) y taladros / atornilladores . Las ventajas de peso y eficiencia de los motores sin escobillas sobre los motores con escobillas son más importantes para las herramientas portátiles a batería que para las herramientas grandes y estacionarias enchufadas a una toma de corriente CA.

En las industrias de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) y refrigeración existe una tendencia a utilizar motores sin escobillas en lugar de varios tipos de motores de CA. La razón más importante para cambiar a un motor sin escobillas es la reducción de la potencia necesaria para operarlos en comparación con un motor de CA típico. ^[17] Además de la mayor eficiencia del motor sin escobillas, los sistemas HVAC, especialmente aquellos que cuentan con velocidad variable o modulación de carga, utilizan motores sin escobillas para brindar al microprocesador incorporado un control continuo sobre la refrigeración y el flujo de aire. ^[18]

La aplicación de motores de CC sin escobillas en la ingeniería industrial se centra principalmente en la ingeniería de fabricación o el diseño de automatización industrial . Los motores sin escobillas son ideales para aplicaciones de fabricación debido a su alta densidad de potencia, buenas características de velocidad-par, alta eficiencia, amplios rangos de velocidad y bajo mantenimiento. Los usos más comunes de los motores de CC sin escobillas en la ingeniería industrial son el control de movimiento , los actuadores lineales , los servomotores , los actuadores para robots industriales, los motores de accionamiento de extrusoras y los accionamientos de alimentación para máquinas herramienta CNC . ^[19]

Los motores sin escobillas se utilizan comúnmente como accionamientos de bombas, ventiladores y husillos en aplicaciones de velocidad ajustable o variable, ya que son capaces de desarrollar un alto par con una buena respuesta de velocidad. Además, se pueden automatizar fácilmente para el control remoto. Debido a su construcción, tienen buenas características térmicas y alta eficiencia energética . ^[20] Para obtener una respuesta de velocidad variable, los motores sin escobillas funcionan en un sistema electromecánico que incluye un controlador de motor electrónico y un sensor de retroalimentación de posición del rotor. ^[21] Los motores de CC sin escobillas se utilizan ampliamente como servomotores para servoaccionamientos de máquinas herramienta. Los servomotores se utilizan para desplazamiento mecánico, posicionamiento o control de movimiento de precisión. Los motores paso a paso de CC también se pueden utilizar como servomotores; sin embargo, dado que funcionan con control de bucle abierto , normalmente presentan pulsaciones de par. ^[22]

Los motores sin escobillas se utilizan en aplicaciones industriales de posicionamiento y actuación. ^[23] Para robots de ensamblaje, ^[24] la tecnología sin escobillas se puede utilizar para construir motores lineales . ^[25] La ventaja de los motores lineales es que pueden producir movimiento lineal sin la necesidad de un sistema de transmisión , como tornillos de bolas , husillos , cremallera y piñón , leva , engranajes o correas, que serían necesarios para los motores rotativos. Se sabe que los sistemas de transmisión introducen menos capacidad de respuesta y precisión reducida. Los motores lineales de CC sin escobillas de accionamiento directo constan de un estator ranurado con dientes magnéticos y un actuador móvil, que tiene imanes permanentes y bobinas de bobina. Para obtener movimiento lineal, un controlador de motor excita las bobinas de bobina en el actuador provocando una interacción de los campos magnéticos que resulta en un movimiento lineal. ^[19] Los motores lineales tubulares son otra forma de diseño de motor lineal que funciona de manera similar.

Los motores sin escobillas se han convertido en una opción popular para los modelos de aviones, incluidos los helicópteros y los drones . Su favorable relación potencia-peso y su amplia gama de tamaños disponibles han revolucionado el mercado de los modelos de aviones eléctricos, desplazando prácticamente a todos los motores eléctricos con escobillas, excepto a los aviones de juguete de baja potencia y de bajo coste. ^{[ cita requerida ]} También han fomentado el crecimiento de los modelos de aviones eléctricos simples y ligeros, en lugar de los motores de combustión interna anteriores que impulsaban modelos más grandes y pesados. La mayor relación potencia-peso de las baterías modernas y los motores sin escobillas permite que los modelos asciendan verticalmente, en lugar de subir gradualmente. El bajo nivel de ruido y la falta de masa en comparación con los pequeños motores de combustión interna de combustible incandescente es otra razón de su popularidad.

Las restricciones legales para el uso de modelos de aviones impulsados ​​por motores de combustión en algunos países, ^{[ cita requerida ]} con mayor frecuencia debido a la potencial contaminación acústica —incluso con silenciadores diseñados específicamente para casi todos los motores de modelos disponibles en las últimas décadas— también han apoyado el cambio a sistemas eléctricos de alta potencia.

Su popularidad también ha aumentado en el área de los autos de radiocontrol (RC) . Los motores sin escobillas han sido legales en las carreras de autos RC de América del Norte de acuerdo con Radio Operated Auto Racing (ROAR) desde 2006. Estos motores proporcionan una gran cantidad de potencia a los corredores RC y, si se combinan con un engranaje adecuado y baterías de polímero de litio (Li-Po) o fosfato de hierro y litio (LiFePO4) de alta descarga, estos autos pueden alcanzar velocidades de más de 160 kilómetros por hora (99 mph). ^[26]

Los motores sin escobillas son capaces de producir más par y tienen una velocidad de rotación máxima más rápida en comparación con los motores alimentados con nitro o gasolina. Los motores nitro alcanzan un máximo de alrededor de 46.800 r/min y 2,2 kilovatios (3,0 hp), mientras que un motor sin escobillas más pequeño puede alcanzar 50.000 r/min y 3,7 kilovatios (5,0 hp). Los motores RC sin escobillas más grandes pueden alcanzar más de 10 kilovatios (13 hp) y 28.000 r/min para alimentar modelos a escala de un quinto. ^[27]

• Motor piezoeléctrico
• Rotor de jaula de ardilla

• Jacek F. Gieras; Mitchell Wing (2002), Tecnología de motores de imanes permanentes: diseño y aplicaciones, CRC Press, ISBN 9780824743949
• Krishnan Ramu (2009), Motores de corriente continua sincrónicos y sin escobillas de imán permanente, CRC Press, ISBN 9781420014235
• Howard E. Jordan (1994), Motores eléctricos energéticamente eficientes y sus aplicaciones, Springer, ISBN 9780306446986
• Bobby A. Bassham (2003), Una evaluación de los motores eléctricos para la propulsión de buques, Naval Postgraduate School, archivado desde el original el 8 de abril de 2013
• Duane Hanselman (2012), Motores sin escobillas: diseño magnético, rendimiento y control, E-Man Press, ISBN 9780982692615

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Motores eléctricos de corriente continua sin escobillas .

• Cómo funcionan los motores (motores de aviones RC con y sin escobillas) en Wayback Machine (archivado el 2 de octubre de 2013)
• Ventajas y desventajas del ventilador con motor BLDC en Wayback Machine (archivado el 17 de enero de 2022)
• Animación de un motor BLDC en diferentes conmutaciones (bloque, estrella, seno y sin sensor) en comparación con motores paso a paso en Wayback Machine (archivado el 5 de febrero de 2020) Flash
• Accionamientos eléctricos: motores de CC/CA y de reluctancia sin escobillas con diagramas útiles
• Cómo funcionan los motores sin escobillas y los ESC: explicación en vídeo de cómo funciona un motor de corriente continua sin escobillas y cómo controlar uno con un microcontrolador Arduino.