En la industria del control de fluidos en miniatura, los motores sin escobillas son la fuente de energía principal para los equipos convencionales, incluidas las bombas de agua en miniatura y las bombas de vacío en miniatura. Las pequeñas válvulas de solenoide cooperan con los motores para lograr la regulación automática del flujo. Recientemente, muchos compradores de equipos se han centrado en el rendimiento del BLDC; por lo tanto, estamos lanzando un artículo de divulgación científica serializado para desglosar los conocimientos básicos de este motor de alta eficiencia.
Comprensión de los principios y aplicaciones de los motores de alta eficiencia: Los motores eléctricos convierten la energía eléctrica suministrada en energía mecánica. Se utilizan ampliamente varios tipos de motores eléctricos. Entre ellos, los motores de CC sin escobillas (BLDC) son muy eficientes y tienen una excelente capacidad de control, y se utilizan ampliamente en muchas aplicaciones. En comparación con otros tipos de motores, los motores BLDC tienen ventajas de ahorro de energía.
Los motores eléctricos son máquinas de transmisión eléctrica.
Cuando los ingenieros enfrentan el desafío de diseñar equipos eléctricos para realizar tareas mecánicas, pueden considerar cómo las señales eléctricas se convierten en energía. Por tanto, los actuadores y motores se encuentran entre los dispositivos que convierten las señales eléctricas en movimiento. Los motores convierten la energía eléctrica en energía mecánica.
El motor eléctrico más simple es el motor DC sin escobillas. En este tipo de motor, la corriente fluye a través de bobinas colocadas dentro de un campo magnético fijo. La corriente genera un campo magnético en las bobinas; esto hace que el conjunto de la bobina gire a medida que cada bobina se aleja de su propio polo y se atrae hacia un polo del campo magnético fijo. Para mantener la rotación, la corriente debe invertirse constantemente, lo que hace que la polaridad de la bobina se invierta continuamente, lo que hace que las bobinas continúen "persiguiendo" el polo del campo magnético opuesto. La energía a las bobinas es suministrada por escobillas conductoras fijas que hacen contacto con el conmutador giratorio; la rotación del conmutador hace que la corriente fluya a través de las bobinas en dirección opuesta. El conmutador y las escobillas son los componentes clave que distinguen los motores de CC con escobillas de otros motores.
La Figura 1 ilustra el principio general de un motor de CC con escobillas.
Figura 1: Funcionamiento de un motor CC con escobillas.
Las escobillas fijas suministran energía eléctrica al conmutador giratorio. A medida que el conmutador gira, invierte continuamente la dirección de la corriente que fluye hacia las bobinas, invirtiendo así la polaridad de las bobinas y manteniéndolas girando hacia la derecha. El conmutador gira porque está conectado a un rotor en el que están montadas las bobinas.
Tipos de motores comunes
Los motores difieren en su tipo de potencia (CA o CC) y método de generación de rotación (Figura 2). A continuación, presentamos brevemente las características y aplicaciones de cada tipo.
Figura 2: Diferentes tipos de motores
Los motores de CC con escobillas tienen un diseño simple, son fáciles de controlar y se usan ampliamente para abrir y cerrar bandejas de discos. En los automóviles, se utilizan habitualmente para retraer, extender y posicionar las ventanillas laterales eléctricas. El bajo coste de estos motores los hace adecuados para muchas aplicaciones. Sin embargo, un inconveniente es que las escobillas y el conmutador tienden a desgastarse relativamente rápido debido al contacto continuo, lo que requiere reemplazo frecuente y mantenimiento regular.
Los motores paso a paso funcionan mediante pulsos; por cada pulso recibido, gira un ángulo específico (pasos). Debido a que el proceso de rotación está completamente controlado por la cantidad de pulsos recibidos, estos motores se usan ampliamente para el ajuste de posición. A menudo se utilizan para controlar el proceso de alimentación de papel en máquinas de fax e impresoras, porque estos dispositivos alimentan el papel en pasos fijos y estos pasos se correlacionan fácilmente con el recuento de pulsos. El control de pausa también es fácil de implementar, ya que la rotación del motor se detiene inmediatamente cuando se interrumpe la señal de pulso.
Cuando se utilizan motores síncronos, la rotación se sincroniza con la frecuencia de la corriente de alimentación. Estos motores se utilizan comúnmente para accionar las bandejas giratorias en los hornos microondas; Los engranajes reductores de la unidad del motor proporcionan la velocidad de rotación adecuada para calentar los alimentos. En los motores de inducción, la velocidad de rotación varía con la frecuencia, pero los movimientos son asíncronos. En el pasado, estos motores se utilizaban habitualmente en ventiladores eléctricos y lavadoras.
Existen varios tipos de motores comúnmente utilizados; En esta sección, veremos las ventajas y aplicaciones de los motores CC sin escobillas.
¿Por qué giran los motores BLDC?
Como sugiere el nombre, los motores de CC sin escobillas no utilizan escobillas. En los motores con escobillas, las escobillas transfieren corriente a las bobinas del rotor a través de un conmutador. Entonces, ¿cómo transfiere corriente un motor sin escobillas a las bobinas del rotor? Ninguno, porque las bobinas no están ubicadas en el rotor. El rotor es un imán permanente; las bobinas no giran sino que están fijadas al estator. Debido a que las bobinas no se mueven, no se necesitan escobillas ni un conmutador. (Ver Figura 3) En los motores con escobillas, la rotación se logra controlando el campo magnético generado por las bobinas del rotor, mientras que el campo magnético generado por el imán estacionario permanece constante. Para cambiar la velocidad de rotación, es necesario cambiar el voltaje entre las bobinas. En un motor BLDC, el imán permanente gira; La rotación se logra cambiando la dirección del campo electromagnético generado por las bobinas estacionarias circundantes. Para controlar la rotación, es necesario ajustar la magnitud y dirección de la corriente que fluye hacia estas bobinas.
Figura 3: Motor BLDC.
Dado que el rotor es un imán permanente, no requiere corriente, eliminando así la necesidad de escobillas y conmutadores. La corriente que llega a las bobinas estacionarias se controla externamente.
Ventajas de los motores BLDC
Un motor BLDC con tres bobinas en el estator tendrá seis cables (dos para cada bobina) que se extenderán desde estas bobinas. En la mayoría de las implementaciones, tres de estos cables estarán conectados internamente y los tres restantes se extenderán desde el cuerpo del motor (a diferencia de los dos cables del motor con escobillas descrito anteriormente). El cableado dentro de la carcasa de un motor BLDC es más complejo que simplemente conectar los terminales positivo y negativo de una unidad de fuente de alimentación; Examinaremos el funcionamiento de estos motores con más detalle en la Parte II de esta serie. A continuación, concluimos comprendiendo las ventajas de los motores BLDC.
Una ventaja significativa es la eficiencia, ya que estos motores pueden funcionar de forma continua al par máximo. Por el contrario, los motores con escobillas sólo pueden alcanzar el par máximo en determinados puntos de rotación. Para proporcionar el mismo par que un motor sin escobillas, los motores con escobillas requieren imanes más grandes. Por este motivo, incluso los motores BLDC pequeños pueden generar una potencia considerable.
La segunda gran ventaja relacionada con la primera es la controlabilidad. Los motores BLDC se pueden controlar mediante mecanismos de retroalimentación, entregando con precisión el par y la velocidad requeridos. A su vez, un control preciso reduce el consumo de energía y la generación de calor y, en los casos en que el motor funciona con batería, prolonga la vida útil de la batería.
Como no hay escobillas, los motores BLDC también ofrecen alta durabilidad y baja generación de ruido eléctrico. En los motores con escobillas, las escobillas y el conmutador se desgastan debido al contacto en movimiento continuo, generando chispas en los puntos de contacto. El ruido eléctrico, en particular, resulta de las fuertes chispas que se generan fácilmente cuando las escobillas pasan a través del espacio del conmutador. Esta es la razón por la que los motores BLDC generalmente se consideran una mejor opción en aplicaciones donde se debe evitar el ruido eléctrico.
Aplicaciones ideales de los motores BLDC
Hemos visto que los motores BLDC ofrecen alta eficiencia y controlabilidad, y tienen una larga vida útil. Entonces, ¿cuáles son sus usos? Debido a su eficiencia y vida útil, se utilizan ampliamente en equipos que funcionan de manera continua. Se utilizan desde hace mucho tiempo en lavadoras, aires acondicionados y otros productos electrónicos de consumo; Más recientemente, también han aparecido en ventiladores, donde su alta eficiencia reduce significativamente el consumo de energía.
También se utilizan para accionar máquinas de vacío. En un caso, un cambio en el programa de control resultó en un salto dramático en la velocidad, un ejemplo del alto nivel de controlabilidad que ofrecen estos motores.
Los motores BLDC también se utilizan para accionar unidades de disco duro; su durabilidad permite que las unidades funcionen de manera confiable durante períodos prolongados, mientras que su eficiencia energética ayuda a reducir el consumo de energía en un sector cada vez más importante.
Hacia aplicaciones futuras más amplias
Podemos esperar que en el futuro los motores BLDC se utilicen ampliamente en una gama más amplia de aplicaciones. Por ejemplo, pueden usarse ampliamente para impulsar robots de servicios: pequeños robots que brindan servicios en sectores fuera del manufacturero. Se podría pensar que los motores paso a paso son más adecuados para este tipo de aplicación, ya que se pueden utilizar impulsos para un control de posicionamiento preciso. Sin embargo, los motores BLDC son más adecuados para controlar la fuerza. Al utilizar motores paso a paso, mantener la posición de estructuras como los brazos de los robots requiere una corriente relativamente grande y continua. Con los motores BLDC, la corriente requerida es proporcional a la fuerza externa, lo que resulta en un control con mayor eficiencia energética. Los motores BLDC también pueden reemplazar a los motores CC con escobillas simples en carritos de golf y vehículos móviles. Además de una mayor eficiencia, los motores BLDC ofrecen un control más preciso, lo que a su vez puede prolongar aún más la vida útil de la batería.
Los motores BLDC también son ideales para drones. Su capacidad para proporcionar un control preciso los hace particularmente adecuados para drones multirrotor, lo que permite un control preciso de la actitud del drone controlando la velocidad de rotación de cada rotor.
