Motores con escobillas vs motores sin escobillas: funcionamiento, construcción y aplicaciones

Los motores eléctricos se han convertido en una gran parte de nuestras vidas. Se encuentran en todo tipo de dispositivos, desde automóviles eléctricos hasta drones, robots y otros dispositivos electrónicos. En términos generales, un motor eléctrico es un dispositivo que convierte la energía eléctrica en energía mecánica. Por lo general, se les conoce como exactamente lo opuesto a los generadores, ya que funcionan con principios similares y, en teoría, se pueden convertir en generadores. Básicamente se utilizan en situaciones en las que se necesita un movimiento de rotación y encuentran aplicaciones en electrodomésticos (motores de vibración), robots, equipos médicos, juguetes y mucho más.

Los motores eléctricos se pueden clasificar en dos categorías amplias según el tipo de fuente de alimentación que se utiliza para ellos: motores de CA y motores de CC. Como su nombre lo indica, los motores de CA se alimentan genéricamente mediante fuentes de alimentación de CA (monofásicas o trifásicas) y se utilizan principalmente en aplicaciones industriales y de servicio pesado donde se requiere mucho torque. Los motores de CC (que son nuestro enfoque para hoy), por otro lado, suelen ser más pequeños y se utilizan en aplicaciones basadas en baterías (o conectadas a fuentes de CC) donde se requiere una cantidad significativamente menor de trabajo en comparación con los motores de CA. Encuentran aplicaciones en varios dispositivos que van desde dispositivos cotidianos como máquinas de afeitar hasta juguetes para niños, robots y drones, entre otros.

El requisito para los motores de CC difiere de una aplicación a otra, ya que una aplicación puede requerir más par y reducir la velocidad, mientras que otra puede requerir más velocidad y un par reducido, por lo que los vendedores a veces clasifican los motores de CC en función de esto. Sin embargo, los motores de CC se pueden clasificar en tres categorías o tipos diferentes que incluyen;

1. Motor DC cepillado
2. Motores DC sin escobillas
3. Servomotores.

Para el artículo de hoy, nuestro enfoque estará en los motores de CC sin escobillas y con escobillas, ya que examinamos la diferencia entre ellos a lo largo de las líneas de principio de funcionamiento, construcción, aplicaciones, ventajas y desventajas. Para el tercer tipo, puede consultar el artículo detallado de Servo Motor.

Principio de operación y construcción

El funcionamiento de todos los motores se basa generalmente en dos principios que son ; Ley de amperios y ley de faraday. La primera ley establece que un conductor eléctrico colocado en un campo magnético experimentará una fuerza si cualquier corriente que fluya a través del conductor tiene un componente en ángulo recto con ese campo. El segundo principio establece que si un conductor se mueve a través de un campo magnético, cualquier componente de movimiento perpendicular a ese campo generará una diferencia de potencial entre los extremos del conductor.

Según estas leyes, los motores eléctricos se componen de dos partes principales; Un imán permanente y un montón de conductores enrollados en una bobina. Al aplicar electricidad a la bobina, se convierte en un imán y, basándose en el hecho de que los imanes se repelen en los polos iguales y atraen en los polos opuestos, se logra un movimiento de rotación.

Motor DC cepillado

Se sabe que el motor de CC con escobillas es uno de los primeros y más simples motores, ya que implementa las leyes descritas anteriormente de la manera más simple. Como se describe en la imagen a continuación, la construcción de un motor de CC cepillado consta de un estator fijo hecho de un imán permanente y una armadura móvil (Rotor) en la que componentes como el conmutador, las escobillas y el anillo partido se colocan alrededor del motor. eje.

Cuando se suministra energía al motor (a través de la batería oa través de una fuente de CA a CC enchufada), la electricidad fluye desde la fuente hasta el inducido a través de las escobillas que generalmente se encuentran en lados opuestos del eje del motor. Las escobillas (cuya presencia en el diseño es un factor importante detrás del nombre del motor), transfieren corriente eléctrica al inducido a través del contacto físico con el conmutador. Tan pronto como la armadura (la bobina de alambre) se energiza, comienza a comportarse como un imán y en ese punto sus polos comienzan a repeler los polos del imán permanente que forma el estator. A medida que los polos se repelen, el eje del motor al que está unido el inducido comienza a girar con una velocidad y un par que dependen de la fuerza del campo magnético alrededor del inducido.

La fuerza del campo magnético suele ser una función del voltaje aplicado a las escobillas y la fuerza del imán permanente utilizado para el estator.

Motores DC sin escobillas

A pesar de que usan el mismo principio de electromagnetismo, los motores sin escobillas, por otro lado, son más complejos. Son el resultado directo de los esfuerzos realizados para mejorar la eficiencia de los motores de CC con escobillas y pueden describirse simplemente como motores que no adoptan el uso de escobillas para la conmutación. Sin embargo, la naturaleza simplista de esa descripción da lugar a preguntas sobre cómo se alimenta el motor y cómo se logra el movimiento sin escobillas, que intentaré explicar.

Al contrario de la construcción de los motores con escobillas, en los motores sin escobillas las cosas se invierten. La armadura que en el caso del motor con escobillas gira dentro del estator, está estacionaria en los motores sin escobillas y el imán permanente, que en los motores con escobillas es fijo, sirve como rotor en un motor sin escobillas. En pocas palabras, el estator para motores de CC sin escobillas está formado por bobinas, mientras que su rotor (al que está unido el eje del motor) está formado por un imán permanente.

Dado que el motor sin escobillas elimina el uso de escobillas para proporcionar energía a la armadura, la conmutación se vuelve más compleja y se realiza electrónicamente utilizando un conjunto adicional de componentes electrónicos (como un amplificador activado por un componente de conmutación como un codificador óptico) para lograr el movimiento.. Los algoritmos de conmutación para motores de CC sin escobillas se pueden dividir en dos; Conmutación sin sentido y basada en sensores.

En la conmutación basada en sensores, los sensores (por ejemplo, el sensor de pasillo) se colocan a lo largo de los polos del motor para proporcionar retroalimentación al circuito de control para ayudarlo a estimar la posición del rotor. Hay tres algoritmos populares empleados para la conmutación basada en sensores;

1. Conmutación trapezoidal
2. Conmutación sinusoidal
3. Control vectorial (o orientado al campo).

Cada uno de estos algoritmos de control tiene sus pros y sus contras y los algoritmos se pueden implementar de diferentes formas dependiendo del software y el diseño del hardware electrónico para realizar los cambios necesarios.

Por otro lado, en la conmutación sin sensores, en lugar de colocar sensores dentro de los motores, el circuito de control está diseñado para medir la EMF trasera para estimar la posición del rotor.

Este algoritmo funciona bastante bien y tiene un costo reducido, ya que se elimina el costo de los sensores de pasillo, pero su implementación es mucho más compleja en comparación con los algoritmos basados ​​en sensores.

Ventaja y desventajas

En los motores de CC con escobillas, las escobillas están en contacto constante con el conmutador giratorio. Esto conduce a que se genere una cantidad considerable de fricción y esto a su vez conduce a la pérdida de energía al calor y al desgaste gradual de las escobillas. Por lo tanto, los motores de CC con escobillas tienen una baja eficiencia y requieren un mantenimiento periódico. Esto crea mucha fricción, y la fricción es igual a calor (pérdida de energía) y desgaste. La CC sin escobillas, por otro lado, es esencialmente sin fricción y, por lo tanto, tienen una eficiencia realmente alta, no requieren mantenimiento y duran más que los motores de CC con escobillas.

Sin embargo, los motores de CC con escobillas son muy baratos en comparación con sus homólogos sin escobillas debido a la naturaleza simple de su diseño. Los motores de CC sin escobillas, por otro lado, son bastante costosos debido a su diseño complejo y al costo adicional de los componentes electrónicos adicionales (controladores) necesarios para impulsarlos.

Aplicaciones

Si bien los motores de CC sin escobillas son más populares en estos días, los motores de CC con escobillas todavía se usan en electrodomésticos, juguetes para niños y aplicaciones industriales debido a la facilidad con la que se puede variar su relación de velocidad a par. Debido a su bajo costo, se utilizan en aplicaciones donde el dispositivo anfitrión podría fallar antes que los motores.

Los motores de CC sin escobillas, por otro lado, han encontrado aplicaciones en todo tipo de dispositivos, desde equipos médicos, robots y drones hasta automóviles eléctricos, herramientas eléctricas, etc. Se utilizan esencialmente en aplicaciones que requieren alta eficiencia, longevidad y valen la pena el costo.

Factores a considerar al seleccionar entre motores de CC sin escobillas y con escobillas

Aparte de la velocidad, el par, la potencia nominal y otros requisitos básicos para su aplicación, a continuación, hay tres factores que creo que también podría ser bueno considerar al tomar una decisión sobre el tipo de motor que se debe implementar para su aplicación.

1. Ciclo de trabajo / vida útil
2. Eficiencia
3. Control / Actuación
4. Costo

Ciclo de trabajo / vida útil

La vida útil describe cuánto tiempo debe funcionar el motor antes de fallar y en qué ciclo de trabajo. Esto es importante porque los motores de CC con escobillas, como se mencionó anteriormente, son susceptibles de desgastarse debido a la fricción entre las escobillas y el conmutador. Por lo tanto, es importante asegurarse de que la aplicación sea una en la que el motor funcione durante toda la vida útil o una aplicación en la que el mantenimiento del motor se considere normal y económico si se van a utilizar motores de CC con escobillas. Un buen ejemplo de esto son los juguetes para niños, donde los juguetes generalmente se tiran o se dañan antes de que el motor se gaste. En aplicaciones con una vida útil prolongada y el mantenimiento del motor no es una opción viable, los motores de CC sin escobillas suelen ser la mejor opción.

Eficiencia

En general, los motores de CC sin escobillas tienen una eficiencia general más alta en comparación con los motores de CC con escobillas, pero ha habido casos de motores con escobillas de núcleo sin hierro con una eficiencia superior en comparación con los motores sin escobillas equivalentes. Sin embargo, es importante evaluar la eficiencia general requerida y compararla con la de cada motor antes de tomar una decisión. En la mayoría de los casos en los que la eficiencia es el factor decisivo, los motores de CC sin escobillas suelen ganar.

Control / Actuación

Este suele ser uno de los principales contratiempos cuando se trata del uso de motores de CC sin escobillas. Los requisitos adicionales, como controladores, etc., hacen que la actuación sea más compleja en comparación con la de los motores de CC con escobillas, que podrían ser métodos alimentados / accionados tan triviales como conectar una batería a través de sus terminales. Debe asegurarse de que la cantidad de complejidad involucrada con el uso de un motor de CC sin escobillas para el proyecto esté justificada y que la electrónica de apoyo, como los controladores, esté fácilmente disponible. Independientemente de la simplicidad de los motores de CC con escobillas, a veces no son adecuados para aplicaciones de alta precisión. Si bien el motor de CC cepillado se puede conectar fácilmente al controlador como Arduino, es mucho más complejo conectar un BLDC con Arduino Uno, sin embargo, el ESC (controlador electrónico de velocidad) facilita la interfaz de un BLDC con un microcontrolador.

Costo

La complejidad del diseño de los motores de CC sin escobillas los hace realmente caros en comparación con los motores de CC con escobillas. Asegúrese de que los costos adicionales estén dentro de límites asequibles para el proyecto antes de optar por motores de CC sin escobillas. También considere el costo de los otros accesorios necesarios para el uso de BLDC antes de tomar una decisión.