Por Lauren Nagel
Los motores sin escobillas parecen estar en todas partes: electrodomésticos, vehículos, herramientas y mucho más. Pero ¿qué es un motor sin escobillas y qué lo hace diferente de un motor con escobillas?
Motor sin escobillas significa lo mismo que motor BLDC. La forma completa de motor BLDC es motor de corriente continua sin escobillas.
En este artículo responderemos a todas las preguntas básicas relacionadas con este versátil tipo de motor.
Tabla de contenidos
- ¿Qué es un motor sin escobillas?
- Historia de los motores sin escobillas
- Mecanismo del motor sin escobillas
- Diagrama del motor sin escobillas
- GIF del motor sin escobillas
- Motor con escobillas vs. motor sin escobillas
- Ventajas del motor sin escobillas
- Aplicaciones de motores de corriente continua sin escobillas
- Motores sin escobillas para drones
¿Qué es un motor sin escobillas?
Un motor de corriente continua sin escobillas (BLDC) es un tipo de motor eléctrico que utiliza las fuerzas de repulsión y atracción entre imanes permanentes y electroimanes para generar su rotación. BLDC significa «corriente continua sin escobillas», lo que describe aproximadamente cómo funciona el motor.
La rotación del motor es gestionada por un controlador que suministra pulsos de corriente en momentos determinados a los electroimanes del motor, lo que a su vez controla su velocidad.
En la figura 1, se pueden ver los imanes permanentes en el rotor en rojo y azul, y las bobinas electromagnéticas en el estator en cobre.
Figura 1: Diagrama de motor de corriente continua sin escobillas
Los motores sin escobillas son conocidos por tener una alta eficiencia y una larga vida útil en comparación con las alternativas. Existen varias formas comunes de describir este tipo de motor, entre ellas motores sin escobillas, motores de corriente continua sin escobillas y motores BLDC.
Historia de los motores sin escobillas
Los motores de corriente continua sin escobillas fueron inventados en 1962 por T.G. Wilson y P.H. Trickey, y presentados en su artículo de la AIEE titulado «Máquina de CC con conmutación de estado sólido».
En el artículo describen los problemas que deseaban resolver y las soluciones que idearon. En su sección sobre consideraciones fundamentales, describen los desafíos de diseño que debían superar para construir un motor sin escobillas funcional:
«Dado que el cambio requerido de los conductores del armazón debe realizarse con elementos estáticos, es deseable que los propios elementos de conmutación no giren. Esto puede lograrse colocando el devanado del armazón en el elemento estacionario y haciendo que giren los polos del campo. El uso de un imán permanente para el elemento de campo elimina la necesidad de suministrar energía al rotor ya sea mediante escobillas o mediante la acción de un transformador [...] el eje del campo magnético producido por la corriente del armazón también debe girar y hacerlo exactamente a la misma velocidad que el rotor. Para este fin, la información relativa a la posición angular de los polos del rotor debe transmitirse continuamente al estator para que pueda producirse exactamente el cambio correcto de los conductores del armazón».
En su párrafo final, describen algunas de las ventajas que prevén que su invento ofrecerá sobre los motores con escobillas. Las mejoras que sugirieron han resultado ser increíblemente precisas:
«Debería eliminar prácticamente las interferencias de radio en el sentido habitual, así como el desgaste y el mantenimiento que actualmente se producen en las escobillas y los conmutadores. La máquina debería tener una fiabilidad extremadamente alta y una larga vida útil».
El principal equivalente de los motores sin escobillas, el motor con escobillas, fue inventado más de 100 años antes, en 1856. Aunque desde entonces se han producido otros avances, esta importante renovación tecnológica se había retrasado demasiado.
Mecanismo del motor sin escobillas
El motor sin escobillas depende de dos piezas clave para funcionar: 1) El rotor que contiene imanes permanentes, 2) El estator que contiene bobinas de cobre que se convierten en electroimanes cuando se les hace pasar corriente.
Los motores sin escobillas pueden ser inrunners, donde el estator se encuentra en el exterior y el rotor gira en su interior, o pueden ser outrunners, donde el rotor gira en el exterior del estator.
Para una explicación más detallada del mecanismo del motor sin escobillas, consulta nuestro artículo sobre Cómo funcionan los motores sin escobillas.
Figura 2: Un motor inrunner (izquierda) y un motor outrunner (derecha)
Cuando se hace pasar corriente por una bobina del estator, se convierte en un electroimán y desarrolla un polo norte y un polo sur. Cuando la polaridad del electroimán coincide con la del imán permanente al que enfrenta, sus polos iguales se repelen y el rotor gira.
Si la corriente mantuviera esta configuración, el rotor giraría brevemente y luego se detendría una vez que los electroimanes y los imanes permanentes opuestos se alinearan. Por esa razón, la corriente se suministra como una señal trifásica de manera que cambia constantemente la polaridad de los electroimanes para que el rotor siga girando.
El motor gira a una velocidad igual a la frecuencia de la señal trifásica, por lo que si quieres que el motor vaya más rápido, aumentas la frecuencia de la señal. En un vehículo controlado por control remoto, la velocidad aumenta al aumentar el acelerador, lo que indica al controlador que aumente la frecuencia de conmutación.
Para saber cómo y cuándo energizar las bobinas, el motor utiliza sensores de efecto Hall para determinar la posición relativa del rotor y el estator. De esa manera, los electroimanes del estator se activan en el orden correcto y en el momento adecuado, y el motor sigue moviéndose.
Diagrama del motor sin escobillas
El mecanismo del motor sin escobillas se demuestra más fácilmente con un diagrama / GIF, que puedes ver a continuación.
Figura 3: GIF del motor sin escobillas
Los motores sin escobillas pueden ser inrunners o outrunners. El de la imagen de arriba es un outrunner porque su rotor que contiene los imanes permanentes se encuentra en el exterior del estator. Cada imán permanente también se denomina «polo» y el número de polos del motor puede afectar su rendimiento.
Los imanes permanentes son repelidos por los electroimanes a medida que se alinean, empujando el rotor en un círculo mientras el estator permanece estacionario, en este caso en sentido antihorario (figura 3).
El controlador del motor a la derecha, también llamado controlador electrónico de velocidad (ESC), está conectado a la fuente de alimentación o batería por un lado y al motor por el otro. Puede conectarse directamente al dispositivo de entrada del acelerador o de forma remota, como a través de una señal de radio. El ESC toma la frecuencia de la señal del acelerador del controlador e indica al motor a qué velocidad girar ajustando su frecuencia de conmutación.
Lectura adicional: Cómo controlar la velocidad de un motor eléctrico
Motor con escobillas vs. motor sin escobillas
Los motores con escobillas son otro tipo de motor eléctrico que utiliza el concepto del magnetismo para generar su rotación.
Las principales diferencias entre los motores con escobillas y los motores sin escobillas son su mecanismo, eficiencia y vida útil. Las diferencias se resumen en esta tabla y luego se detallan a continuación.
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Motor con escobillas |
Motor sin escobillas |
|
|
Conmutación |
Mecánica |
Eléctrica |
|
Eficiencia* |
Menor (75-80% típicamente) |
Mayor (85-92%+ típicamente) |
|
Calor |
Mayor (20-25% de la potencia de entrada) |
Menor (8-15% de la potencia de entrada) |
|
Costo inicial |
Menor |
Mayor |
|
Requisitos de mantenimiento |
Mayor |
Menor |
|
Control de la velocidad del motor |
Simple |
Más complejo |
|
Vida útil |
Menor |
Mayor |
|
Ruido eléctrico |
Mayor |
Menor |
|
Seguridad de ignición |
Buena |
Muy buena |
|
Control a baja velocidad |
Bueno |
Bueno |
|
Velocidad máxima |
~20,000 RPM |
>100,000 RPM |
|
Relación par:peso |
Menor |
Mayor |
* Cualquier motor que funcione fuera de su rango eficiente de par y velocidad tendrá una eficiencia baja (<50%) y una alta producción de calor.
Conmutación: En un motor con escobillas, la corriente se transmite del conmutador a los devanados del motor mediante contacto físico con las escobillas. En un motor sin escobillas, la corriente se controla eléctricamente mediante la activación y desactivación de las bobinas del estator a través de interruptores semiconductores.
Eficiencia: Los motores sin escobillas proporcionan una mayor cantidad de par por vatio de potencia consumida que los motores con escobillas, lo que los hace más eficientes.
Costo inicial: Los motores sin escobillas suelen ser más caros que los motores con escobillas del mismo tamaño debido a la mayor complejidad de sus controladores.
Requisitos de mantenimiento: Los motores con escobillas tienden a desgastarse rápidamente en el punto donde el conmutador se encuentra con las escobillas, por lo que sus componentes requieren un reemplazo más frecuente. Los motores sin escobillas no tienen componentes que experimenten el mismo grado de desgaste, por lo que el mantenimiento / reemplazo se requiere con menos frecuencia.
Complejidad del control de velocidad del motor: En un motor con escobillas, la velocidad del motor se controla simplemente mediante el voltaje que se le aplica. En un motor sin escobillas, el controlador del motor utiliza una señal de 3 fases para controlar la velocidad de rotación, por lo que la entrega de la señal es más compleja.
Vida útil: Los motores sin escobillas tienen una vida útil más larga en comparación con los motores con escobillas porque no experimentan el mismo desgaste y erosión entre los componentes. Dicho esto, los motores con escobillas a veces pueden reconstruirse para prolongar su vida útil.
Ruido eléctrico: Además del ruido acústico producido por los motores, también pueden producir ruido eléctrico que puede interferir con otros componentes del sistema. Los motores con escobillas tienden a producir más ruido eléctrico que los motores sin escobillas, lo que puede causar interferencias electromagnéticas con los circuitos locales. Sin un aislamiento adecuado, esta interferencia puede causar fallos en el circuito y una reducción del rendimiento.
Seguridad de ignición: Los motores sin escobillas tienen muchas menos probabilidades de producir chispas que puedan encender material inflamable.
Control a baja velocidad: Los motores con escobillas tienen un sistema de control simple que funciona bien a bajas velocidades. Cuando se combinan con codificadores angulares y electrónica de control, los motores sin escobillas también pueden girar a velocidades muy bajas. Esto es ideal para aplicaciones como hoverboards o servomotores de alta potencia. ODrives ofrece un controlador de código abierto para tales aplicaciones.
Velocidad máxima: Debido a la fricción inherente al diseño del motor con escobillas, no son adecuados para su uso a altas RPM. Las escobillas del motor tienden a calentarse con el aumento de la velocidad, lo que conduce a un mayor desgaste y a una situación de alta temperatura. Los motores sin escobillas, por otro lado, no experimentan este problema debido a la falta de escobillas, por lo que pueden funcionar a muy altas RPM.
Relación par:peso: Si bien los motores con escobillas pueden producir cantidades significativas de par, especialmente a bajas velocidades, los motores sin escobillas que producen una cantidad comparable de par son significativamente más pequeños, lo que les da una ventaja en su relación par:peso.
Ventajas del motor sin escobillas
La sección anterior analiza las diferencias importantes entre los motores con escobillas y los motores sin escobillas, pero queda la pregunta: ¿son los motores sin escobillas intrínsecamente mejores?
Como ocurre con muchas preguntas de ingeniería, la decisión se reduce a cómo planeas usar el motor. Sabemos que los motores con escobillas no son ideales para aplicaciones de altas RPM, por lo que los motores sin escobillas prevalecerían en esas áreas. La menor eficiencia y el alto costo de mantenimiento de los motores con escobillas también los hacen menos deseables para ciertos usos.
Dicho esto, los motores con escobillas tienen un costo inicial más bajo, un control de velocidad simple y producen un movimiento suave y de alto par a bajas velocidades. También tienen una relación lineal entre par y velocidad, lo que hace que controlarlos sea más fácil. Aunque se desgastan con el tiempo, esas otras características los convierten en la opción ideal para ciertos dispositivos como equipos industriales de baja velocidad, licuadoras, limpiaparabrisas y equipos médicos portátiles.
Figura 4: Motores con escobillas en limpiaparabrisas
Por otro lado, los motores sin escobillas tienden a destacar en áreas donde se requieren altas RPM, como sierras, ventiladores y hélices. También tienen una ventaja en su relación par:peso, lo cual es importante para su uso en ciertos vehículos como drones y aeronaves eléctricas, así como en áreas donde se requiere un motor pequeño pero potente, como la microrrobótica.
Los motores BLDC también son favorables para aplicaciones donde se espera un uso intensivo y se requiere una alta eficiencia, como herramientas inalámbricas, vehículos RC, sistemas de calefacción y refrigeración, e ingeniería industrial. Un ejemplo es en los sistemas de detección y medición de distancia por luz (LiDAR), que se utilizan en sistemas de navegación y localización robótica, como coches autónomos y drones de vigilancia.
Figura 5: El sistema RPLiDAR utilizado para aplicaciones de navegación robótica
Aplicaciones de motores de CC sin escobillas
Profundicemos un poco más en algunas de las aplicaciones de los motores sin escobillas.
Ingeniería industrial: Los motores sin escobillas son útiles para muchos procesos de ingeniería industrial debido a su alto par y longevidad. Puede verlos utilizados en máquinas CNC, motores lineales y servomotores. También se utilizan como actuadores para controlar movimientos en robots industriales para tareas como pintura, ensamblaje de productos e incluso soldadura, como en las instalaciones de Tata Steel en el Reino Unido (figura 6).
En el hogar: Debido a su bajo peso y alta eficiencia, los motores sin escobillas son una opción destacada para muchos electrodomésticos. Se encuentran en prácticamente todas las habitaciones de la casa en máquinas como aspiradoras, cafeteras, secadores de pelo, discos duros, impresoras y más. Dado que muchos de estos dispositivos se producen en cantidades muy elevadas, es importante que sean de alta calidad y fiabilidad para evitar devoluciones de clientes y mantenimiento.
Herramientas eléctricas inalámbricas: Dado que los motores sin escobillas pueden funcionar con baterías recargables, son ideales para aplicaciones inalámbricas que requieren un peso mínimo y altas RPM. Las taladraras inalámbricas estuvieron disponibles hace aproximadamente una década, pero ahora representan hasta el 50% de los modelos disponibles. Esta es un área donde los motores sin escobillas aún deben competir con los motores con escobillas, por lo que el precio y la frecuencia de uso son factores clave al decidir qué modelo elegir.
Coches RC: Los motores sin escobillas pueden girar a muy altas RPM y ofrecer ráfagas de velocidad rápidamente, por lo que son excelentes para su uso en vehículos RC. Las características del motor RC, como el Kv del motor, el tamaño y la clasificación de potencia, variarán según el modelo. Los coches RC también pueden tener motores de nitro, que proporcionan un tiempo de funcionamiento más largo, pero con las complicaciones de comprar gasolina y repostar el vehículo. Los motores sin escobillas tienden a tener una ventaja de aceleración sobre los motores de nitro, por lo que generalmente son mejores para carreras.
Figura 7: Coche RC Monster Truck todoterreno impulsado por un motor sin escobillas
Motores sin escobillas para drones
Las características combinadas de los motores sin escobillas los hacen ideales para su uso en drones. Son ligeros, altamente eficientes, tienen un amplio rango de velocidad y capacidades de alto par, todas cualidades que son beneficiosas para los UAV.
Los motores sin escobillas para drones de aficionado son relativamente económicos, lo que permite a los constructores de drones probar diferentes modelos para determinar cuáles son los más eficientes. Rara vez se requiere mantenimiento debido a su alta fiabilidad, y a menudo es menos costoso reemplazar el motor que repararlo.
Para drones comerciales más grandes y drones tripulados, motores sin escobillas más grandes se están desarrollando constantemente para satisfacer las demandas de mayor potencia, par y empuje. Estos motores están contribuyendo a la revolución eléctrica vista en la industria del transporte, que incluye la electrificación de modelos de aviones existentes y la concepción de nuevas aeronaves eVTOL.
Hay muchos tipos de drones que varían en tamaño, estilo, fuente de energía y función. Los motores sin escobillas son adecuados para muchas aplicaciones, aunque también se utilizan motores de gasolina e híbridos.
Para obtener más información sobre cómo elegir un motor sin escobillas para su dron, consulte nuestro libro electrónico gratuito sobre Construcción y Optimización de Drones.
Conclusión
Los motores sin escobillas se pueden encontrar en casi todas las áreas de nuestras vidas y solo están ganando popularidad. Desde el hogar hasta entornos industriales, estos motores nos impresionan con su compacidad, eficiencia y fiabilidad.
Comprender estas fascinantes máquinas requiere un poco de conocimiento previo sobre electromagnetismo e ingeniería eléctrica, conceptos que hemos cubierto aquí.
Si tiene alguna pregunta restante, no dude en dejarnos un comentario a continuación, o consulte los otros artículos en nuestro centro de conocimiento.