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TECNOLOGÍA. Motores con y sin escobillas, ¿cuál es la diferencia?

 


MOTOR CON ESCOBILLAS

Un motor de CC (corriente continua) con escobillas utiliza bobinas de alambre enrolladas, llamadas inducido, que actúan como un electroimán de dos polos. Dos veces por ciclo, la direccionalidad de la corriente es invertida por el conmutador, que es un interruptor giratorio mecánico. Los polos del electroimán tiran y empujan contra los imanes permanentes a lo largo del exterior del motor. El conmutador luego invierte la polaridad del electroimán de la armadura cuando sus polos cruzan los polos de los imanes permanentes para formar una corriente continua.


Los motores con escobillas fueron los primeros motores comercialmente importantes y se han utilizado durante más de 100 años para operar motores en aplicaciones comerciales e industriales. Son los más básicos y se han utilizado desde finales del siglo XIX.  Los motores con escobillas pueden variar en velocidad cambiando el voltaje de funcionamiento o la fuerza del campo magnético dentro de ellos. Este nivel de control es muy útil para muchas aplicaciones.

Los motores con escobillas suelen constar de cuatro componentes básicos: 

  • El estator
  • El rotor o armadura
  • Escobillas (obviamente)
  • Un conmutador
¿Cómo funciona un motor con escobillas?
Como se mencionó anteriormente, un motor con escobillas consta de cuatro componentes básicos. El primero, llamado estator, genera un campo magnético estacionario que rodea al rotor.

Anatomía típica de un motor con escobillas. Arriba a la izquierda: el motor completo y la carcasa. Arriba a la derecha: (de izquierda a derecha) la tapa de plástico con las escobillas expuestas, el rotor con el conmutador y devanados electromagnéticos, y la carcasa con imanes permanentes y estator en el interior. Abajo a la izquierda: el conjunto de rotor / inducido aislado (bobinados del electroimán del conmutador, etc.). Abajo a la derecha: Cierre de la tapa de plástico con electrodos de cepillo. Fuente: Ilia Krivoruk / Wikimedia Commons

Este campo magnético se genera mediante dos imanes permanentes curvos. Estos imanes suelen ser estacionarios (no se mueven), de ahí el término. 
También es importante tener en cuenta que uno tendrá su polo norte apuntando hacia el rotor y el otro su polo sur hacia el rotor. El rotor, o armadura, está formado por bobinas de alambre que, cuando pasa electricidad a través de ellas, pueden producir un campo magnético. Esta es la parte que se mueve (de ahí el nombre de "rotor") y hace girar el eje principal del motor. A través de la atracción polar magnética, el campo magnético del rotor intentará alinearse / repeler con el del estator, haciendo que el rotor gire sobre su eje.

Cuando se pasa electricidad al motor, se genera un campo magnético que atrae (y repele) los imanes fijos en el estator. Para mantener el rotor girando, el campo magnético debe invertirse cada giro de 180 grados del rotor (en un motor simple con escobillas de una sola armadura). 

Diagrama simplificado de un motor de CC con escobillas simple. Modificado de: Jared Owen / YouTube

Este cambio en la polaridad magnética del rotor se realiza mediante las escobillas del motor (generalmente hechas de carbono) y un conmutador (la parte que "conmuta" o invierte la corriente eléctrica a la armadura del rotor. Las escobillas generalmente son solo dos electrodos fijos que frotan contra la anillo del conmutador mientras gira con el rotor. 
Las escobillas también tenderán a tener un resorte para asegurar que permanezcan en contacto con el conmutador.

El conmutador generalmente consta de un cilindro pequeño, generalmente de cobre, unido al rotor con roturas a intervalos regulares (p. Ej.,  180 grados en un solo rotor de armadura). La corriente eléctrica fluirá a través de la mitad del conmutador, a través del inducido y saldrá por la otra mitad del conmutador. A medida que gira el rotor (armadura), el conmutador también gira, haciendo y rompiendo constantemente un circuito eléctrico con las escobillas. Esto hace que los polos magnéticos de los devanados del rotor cambien la polaridad magnética cuando el circuito se interrumpe en una dirección y se vuelve a conectar en la otra, es decir, la corriente se invierte cada 180 grados.

Los motores más complejos tendrán una serie de inducidos con roturas entre ellos en el conmutador. Esto ayuda a evitar un posible agarrotamiento del motor si las escobillas completan un circuito a través de los espacios del conmutador. En otras palabras, cada bucle del inducido se turna para convertirse en un electroimán y atraer / repeler los imanes permanentes externos del estator fijo.

En los motores reales, las armaduras también constarán de una masa de cables en lugar de un solo cable. Esto ayuda a mejorar en gran medida la fuerza del electroimán y, por lo tanto, el par del motor. 

Un diagrama de motor de CC con escobillas más complejo. A tener en cuenta las múltiples armaduras y las roturas asociadas en el anillo del conmutador. Fuente: Jared Owen / YouTube

Por lo general, los motores de CC cepillados se alojan en una carcasa de acero prensado y recubierta de zinc con una tapa de plástico en un extremo. La carcasa y la tapa generalmente tendrán una serie de orificios que generalmente están presentes para permitir el flujo de aire a través del motor para ayudar a evitar el sobrecalentamiento. También suele haber orificios para tornillos para montar el motor en su lugar. La tapa de plástico también tendrá un par de clavijas de conexión para conectar la fuente de alimentación y evitar cortocircuitos por contacto con la carcasa metálica del motor. 



Para qué se usan los motores con escobillas
Los motores de CC con escobillas (BLDC) se pueden encontrar prácticamente en cualquier lugar de su hogar y también fuera de casa. Siempre que se requiera un medio para convertir la electricidad en movimiento de rotación, es probable que encuentre un motor de CC con escobillas. En su hogar, es probable que cualquier juguete o dispositivo electrónico que se mueva tenga uno. Los cepillos de dientes eléctricos, las rebanadoras de pan motorizadas, el coche RC favorito de su hijo, aprovecharán estas increíbles piezas de ingeniería. 

En el resto del mundo, los motores con escobillas siguen siendo ampliamente utilizados hoy en día en máquinas tales como  los sistemas eléctricos de propulsión, grúas, taladros y trenes de laminación de acero, por citar sólo unos pocos ejemplos, debido a la capacidad de alterar el par a razón de velocidades, lo cual es exclusivo para motores con escobillas.

MOTOR SIN ESCOBILLAS
A diferencia de los motores de CC con escobillas, y como sugiere el nombre, los motores de CC sin escobillas eliminan la necesidad de electrodos de escobillas para girar el rotor. También eliminan la necesidad de un conmutador físico. 

Diagrama de un motor de CC sin escobillas outrunnerFuente: JAES / YouTube

También conocidos como motores conmutados electrónicamente (motores ECM o EC), se considera que tienen una relación potencia-peso, velocidad, nivel de control y requisitos de mantenimiento más bajos en comparación con los motores con escobillas. 
También invierten, en parte, los principios de funcionamiento del motor con escobillas. Por ejemplo, se utilizan imanes permanentes en el rotor mientras que se utilizan electroimanes controlables para hacer girar el rotor.

Los motores sin escobillas normalmente vienen en dos formas: 

  • Inrunner : aquí es donde se encuentra el estator fuera del rotor. 
  • Outrunner : aquí es donde se encuentra el estator dentro del rotor. Este es el caso de las unidades de disquete más antiguas, etc. El término proviene del hecho de que el rotor gira o gira alrededor del exterior.

Ejemplo de un motor sin escobillas de CC outrunner. Este ejemplo es una unidad de disquete desmontada. Observe las bobinas radiales del estator a la izquierda y la "tapa" del rotor a la derecha. Los imanes permanentes son el anillo gris que rodea el perímetro del rotor. Fuente: Sebastian Koppehel / Wikimedia Commons

En un motor sin escobillas, las bobinas de cobre son fijas, ya que es el imán permanente que gira con el rotor. Se utiliza una pequeña placa de circuito para imitar el trabajo de las escobillas en un motor de escobillas convencional al gestionar el suministro de energía a los electroimanes. Aparte de eso, el principio básico de la tecnología es el mismo que el de un motor con escobillas, aunque la aplicación es ligeramente diferente. Los motores sin escobillas aparecieron por primera vez durante la década de 1960, gracias a la llegada de la electrónica de estado sólido. 

¿Cómo funciona un motor sin escobillas?
Ya hemos repasado en profundidad cómo funciona un motor con escobillas. Un motor sin escobillas , como se sugirió anteriormente, funciona de manera similar con la excepción de qué partes están fijas y qué partes giran. La corriente eléctrica no se suministra al rotor en absoluto, y los imanes permanentes están unidos al eje, no al estator. Las bobinas del electroimán se fijan en su lugar en el estator y, como tal, ya no hay necesidad de electrodos de escobilla y un conmutador. 

Como en las bobinas de electroimán con escobillas, las bobinas aquí suelen consistir en un núcleo de hierro blando envuelto en cables. Las bobinas de electroimán fijas se encienden y apagan progresivamente en secuencia, para magnetizarlas temporalmente y repeler o atraer los imanes permanentes en el rotor. Ellos, en efecto, usan el magnetismo para empujar y tirar de los imanes conectados al rotor, para afectar el giro del eje. 

Diagrama que muestra el principio de funcionamiento de un motor sin escobillas. En este caso, la bobina 2 y su bobina asociada opuesta se energizan. La "tapa" del rotor exterior gira por la atracción de los polos magnéticos opuestos de las bobinas del electroimán interior y los imanes permanentes fijos exteriores. En este caso, el rotor girará en sentido antihorario. Fuente: AES / YouTube

De esta manera, el par se genera manteniendo los campos magnéticos del rotor y el estator constantemente desalineados. A medida que los imanes permanentes intentan alinearse, el sistema de control del motor se apaga automáticamente o cambia la polaridad de los electroimanes para mantener la desalineación de los campos. Esto se logra mediante el uso de sensores que pueden detectar el ángulo del rotor (específicamente los imanes permanentes) en cualquier momento. Los interruptores semiconductores, como los transistores, se utilizan para cambiar la corriente eléctrica a través de los devanados electromagnéticos. 

Como en un motor con escobillas, el campo magnético de las bobinas se puede invertir a demanda, invirtiendo la dirección de la corriente dentro de ellas. También se pueden apagar por completo simplemente negando a la bobina cualquier corriente eléctrica (por ejemplo: apagándola). La rotación del eje también se puede controlar ajustando la magnitud de la corriente en las bobinas. 

Otro ejemplo de un motor de corriente continua sin escobillas más avanzado. El estator está a la izquierda y el rotor (con imanes permanentes visibles) está a la derecha. Fuente: Lenz Grimmer / Flickr


Para qué se usan los motores sin escobillas
Los motores de CC sin escobillas, como los de escobillas, se utilizan de forma casi ubicua en la actualidad. Debido a su alta eficiencia y capacidad de control, sin mencionar su mayor vida útil, tienden a encontrarse en dispositivos que funcionan de forma continua o que se utilizan regularmente. Se pueden encontrar, por ejemplo, en lavadoras, acondicionadores de aire, ventiladores eléctricos y otros productos electrónicos de consumo. Debido a la forma en que funcionan, han contribuido a una reducción significativa en el consumo de energía de muchos dispositivos electrónicos modernos.

Los vehículos eléctricos y los drones también hacen un buen uso de los motores sin escobillas, debido a su capacidad para ofrecer un control de precisión. Esto es esencial, ya que los drones necesitan controlar constante y precisamente la velocidad de cada rotor para realizar acciones como flotar. También puede encontrarlos en máquinas de vacío y anteriormente se usaban para hacer girar discos duros en computadoras más antiguas. También se utilizan ampliamente en conjuntos de ventiladores de ordenadores. 

Ventilador DC sin escobillas con conductos desmontado. Observar los dos grandes electroimanes de bobina fija y la placa de circuito. Fuente: Materialscientist / Wikimedia Commons

La durabilidad y confiabilidad operativa a largo plazo, así como la eficiencia energética y la alta relación potencia / tamaño de salida , los convierte rápidamente en el motor de elección para muchos productos electrónicos en desarrollo en la actualidad. Por esta razón, se espera que los motores sin escobillas encuentren aplicaciones cada vez más ampliasEs probable que, por ejemplo, sean una característica común de los robots de servicio, ya que los motores sin escobillas son más adecuados para controlar la fuerza que otras alternativas como los motores paso a paso. 

DIFERENCIAS ENTRE AMBOS TIPOS DE MOTOR
Dados sus diferentes diseños, hay algunos otros beneficios inherentes de uno sobre el otro. 

Estos incluyen, pero no se limitan a: 

  • Los motores cepillados son relativamente ineficientes debido a las pérdidas de potencia por fricción y transferencia de potencia a través de su sistema de conmutador.
  • Los motores sin escobillas, por otro lado, son más eficientes debido a la falta de pérdidas mecánicas que se ven en los motores con escobillas.
  • Debido a su diseño, los motores con escobillas tienen una vida útil más corta debido al desgaste de las escobillas. Por lo general, deben reemplazarse cada dos a siete años, según las temperaturas de funcionamiento y el entorno de trabajo.
  • Como los motores sin escobillas carecen de escobillas y conmutadores físicos, requieren menos mantenimiento general.
  • Los motores con escobillas requieren métodos más complicados de control de velocidad. Bajar el voltaje reduce el torque del motor, pero esto tiene el costo de velocidades más bajas ya que el par-motor cae dramáticamente.
  • Los motores sin escobillas son relativamente sencillos de controlar. Por esta razón, el par tiende a ser mayor a velocidades más bajas para los motores sin escobillas.



  • Los motores con escobillas tienden a funcionar demasiado rápido para ser útiles para la mayoría de las aplicaciones. Por esta razón, tienden a requerir un sistema de engranajes para reducir la velocidad y así aumentar el par. 
  • Los motores sin escobillas, sin embargo, sobresalen en este sentido. Por esta razón, con frecuencia se utilizan directamente sin necesidad de engranajes. Algunas aplicaciones especializadas pueden emplear engranajes si requieren una precisión muy alta o más par.
  • Los motores sin escobillas son más ligeros, más duraderos, más eficientes y más seguros para algunas aplicaciones. También corren mucho más silenciosamente. 
  • Los motores con bujes pueden generar chispas, lo que no es ideal en lugares donde existe riesgo de explosión. Por esta razón, los motores sin escobillas suelen ser la opción preferida en condiciones de trabajo peligrosas.
  • Muchas herramientas que utilizan motores sin escobillas a menudo se denominan "motores inteligentes". Esto se debe a que los sensores se utilizan para determinar la resistencia contra el motor para cosas como taladros eléctricos. Por tanto, el suministro de corriente se puede ajustar automáticamente. Esto permite que tales herramientas sean muy eficientes desde el punto de vista del consumo eléctrico. 
  • Dada la relativa complejidad de los motores sin escobillas, no es de extrañar que tiendan a ser más caros. Los motores con escobillas, por otro lado, son relativamente baratos. 

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