Un motor eléctrico de CC 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 CC a los devanados del motor , produciendo campos magnéticos que giran efectivamente en el espacio y que sigue el rotor de imán permanente. El controlador ajusta la fase y la amplitud de los pulsos de corriente CC para controlar la velocidad y el par del motor. Este sistema de control es una alternativa al conmutador mecánico (escobillas) utilizado en muchos motores eléctricos convencionales.
La construcción de un sistema de motor sin escobillas suele ser similar a la de un motor síncrono de imán permanente (PMSM), pero también puede ser un motor de reluctancia conmutada o un motor de inducción (asíncrono) . También pueden utilizar imanes de neodimio y ser externos (el estator está rodeado por el rotor), internos (el rotor está rodeado por el estator) o axiales (el rotor y el estator son planos y paralelos). [1]
Las ventajas de un motor sin escobillas sobre los motores con escobillas son una alta relación potencia-peso, alta velocidad, control casi instantáneo de velocidad (rpm) y par, alta eficiencia y bajo mantenimiento. Los motores sin escobillas encuentran aplicaciones en lugares como periféricos de computadoras (unidades de disco, impresoras), herramientas eléctricas portátiles y vehículos que van desde modelos de aviones hasta automóviles. En las lavadoras modernas, los motores CC sin escobillas han permitido sustituir las correas de goma y las cajas de cambios por un diseño de accionamiento directo. [2]
Los motores de CC con escobillas se inventaron en el siglo XIX y todavía son comunes. Los motores de CC sin escobillas fueron posibles gracias al desarrollo de la electrónica de estado sólido en la década de 1960. [3]
Un motor eléctrico desarrolla par manteniendo desalineados los campos magnéticos del rotor (la parte giratoria de la máquina) y el 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 CC que pasa a través del devanado del cable crea el campo magnético , proporcionando la energía que hace funcionar el motor. La desalineación genera un torque 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 torque y movimiento. El dispositivo que mueve los campos en función de la posición del rotor se llama conmutador . [4] [5] [6]
En los motores con escobillas, esto se hace con un interruptor giratorio en el eje del motor llamado conmutador. [4] [6] [5] Consiste en un cilindro o disco giratorio dividido en múltiples segmentos de contacto metálicos 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 tiene desventajas que han provocado una disminución en el uso de motores con escobillas. Estas desventajas son: [4] [6] [5]
Durante los últimos cien años, los motores con escobillas de CC de alta potencia, que alguna vez fueron el pilar de la industria, fueron reemplazados por motores síncronos de corriente alterna (CA) . Hoy en día, los motores con escobillas se utilizan sólo en aplicaciones de baja potencia o donde sólo está disponible CC, pero los inconvenientes anteriores limitan su uso incluso en estas aplicaciones.
En los motores de CC sin escobillas, un servosistema electrónico reemplaza los contactos mecánicos del conmutador. [4] [6] [5] Un sensor electrónico detecta el ángulo del rotor y controla interruptores semiconductores , como 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 torque en una dirección. La eliminación del contacto deslizante permite que los motores sin escobillas tengan menos fricción y una vida más larga; su vida útil está limitada únicamente por la vida útil de sus rodamientos .
Los motores de CC con escobillas desarrollan un par máximo cuando están estacionarios y disminuyen linealmente a medida que aumenta la velocidad. [7] Algunas limitaciones de los motores con escobillas pueden superarse con motores sin escobillas; incluyen una mayor eficiencia y una menor susceptibilidad al desgaste mecánico. Estos beneficios tienen el costo de una electrónica de control potencialmente menos robusta, más compleja y más costosa.
Un motor sin escobillas típico tiene imanes permanentes que giran alrededor de una armadura fija , eliminando los problemas asociados con la conexión de corriente a la armadura móvil. Un controlador electrónico reemplaza el conjunto del conmutador del motor de CC con escobillas, que cambia continuamente la fase de los devanados para mantener el motor en marcha. El controlador realiza una distribución de energía temporizada similar mediante el uso de un circuito de estado sólido en lugar del sistema conmutador.
Los motores sin escobillas ofrecen varias ventajas sobre los motores de CC con escobillas, incluida una alta relación de par a peso, mayor eficiencia que produce más par por vatio , mayor confiabilidad, reducción de 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 devanados en el rotor, no están sujetos a fuerzas centrífugas y, debido a que los devanados están sostenidos por la carcasa, pueden enfriarse por conducción, sin necesidad de flujo de aire dentro del motor para su enfriamiento. Esto, a su vez, significa que las partes internas del motor pueden estar completamente cerradas y protegidas de la suciedad u otras materias extrañas.
La conmutación del motor sin escobillas se puede implementar en software mediante un microcontrolador o, alternativamente, se puede implementar mediante circuitos analógicos o digitales. La conmutación con electrónica 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 un 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 resulta en 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 necesaria ] demasiado calor debilita los imanes y daña el aislamiento de los devanados.
Al convertir la electricidad en energía mecánica, los motores sin escobillas son más eficientes que los motores con escobillas debido principalmente 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 carga baja de la curva de rendimiento del motor. [8]
Los entornos y requisitos en los que los fabricantes utilizan motores CC sin escobillas incluyen funcionamiento sin mantenimiento, altas velocidades y funcionamiento en los 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 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 suelen detenerse con el rotor en una posición angular definida, un motor sin escobillas suele estar destinado a producir una rotación continua. Ambos tipos de motores pueden tener un sensor de posición del rotor para 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 de las escobillas tradicionales, 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 el back-EMF en las bobinas no accionadas para inferir la posición del rotor, eliminando la necesidad de sensores de efecto Hall separados. Por eso se les suele llamar controladores sin sensores .
Los controladores que detectan la posición del rotor basándose en los contraEMF tienen desafíos adicionales al iniciar el movimiento porque no se produce contraEMF cuando el rotor está estacionario. Esto generalmente se logra comenzando 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 hacia atrás brevemente, añadiendo 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. [9]
Un controlador típico contiene tres salidas de polaridad reversible controladas por un circuito lógico. Los controladores simples emplean comparadores que funcionan desde los 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 clave de rendimiento de los motores de CC sin escobillas son las constantes del motor (constante de par) y (constante de contraEMF, también conocida como constante de velocidad ). [10]
Los motores sin escobillas se pueden construir en varias configuraciones físicas diferentes. En la configuración inrunner convencional , los imanes permanentes son parte del rotor. Tres devanados del estator rodean el rotor. En la configuración de 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 colgante que rodea el núcleo. Los Outrunners suelen tener más polos, configurados en tripletes para mantener los tres grupos de devanados y tienen un par más alto a bajas RPM. En el tipo de flujo axial plano , utilizado donde hay limitaciones de espacio o forma, las placas del estator y del rotor se montan cara a cara. En todos los motores sin escobillas, las bobinas están estacionarias.
Hay dos configuraciones de devanados eléctricos comunes; la configuración delta conecta tres devanados entre sí en un circuito triangular y se aplica energía en cada una de las conexiones. La configuración en estrella ( en forma de Y ), a veces llamada devanado en estrella, conecta todos los devanados a un punto central y se aplica energía al extremo restante de cada devanado. Un motor con devanados en configuración delta proporciona un par bajo a baja velocidad, pero puede ofrecer una velocidad máxima más alta. La configuración en estrella proporciona un par elevado a baja velocidad, pero no a una velocidad máxima tan alta. El devanado en estrella suele ser más eficiente. Los devanados conectados en triángulo pueden permitir que corrientes eléctricas parásitas de alta frecuencia circulen completamente dentro del motor. Un devanado conectado en estrella no contiene un circuito 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 devanados se pueden tratar exactamente igual. [11]
Los motores sin escobillas cumplen muchas funciones realizadas originalmente por los motores de CC con escobillas, pero la complejidad del costo y el control impide que los motores sin escobillas reemplacen completamente 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 ordenadores y reproductores de CD/DVD. Los pequeños ventiladores de refrigeración de los equipos electrónicos funcionan exclusivamente con motores sin escobillas. Se pueden encontrar en herramientas eléctricas inalámbricas donde la mayor eficiencia del motor conduce a períodos de uso más prolongados 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 . [12] Los motores sin escobillas también se pueden encontrar en aplicaciones marinas, como propulsores submarinos . [13]
Los motores sin escobillas se encuentran en vehículos eléctricos , vehículos híbridos , transportes personales y aviones eléctricos . [14] 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. [15] El mismo principio se aplica a las ruedas de scooter autoequilibradas . La mayoría de los modelos radiocontrolados de propulsión eléctrica utilizan motores sin escobillas debido a su alta eficiencia.
Los motores sin escobillas se encuentran en muchas herramientas inalámbricas modernas, incluidas algunas podadoras de hilo , sopladores de hojas , sierras ( circulares y alternativas ) y taladros / destornilladores . Las ventajas de peso y eficiencia de los motores sin escobillas en comparación con los motores con escobillas son más importantes para las herramientas portátiles que funcionan con baterías que para las herramientas estacionarias grandes conectadas a una toma de CA.
Existe una tendencia en las industrias de calefacción, ventilación y aire acondicionado ( HVAC) y refrigeración 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. [16] Además de la mayor eficiencia del motor sin escobillas, los sistemas HVAC, especialmente aquellos con velocidad variable o modulación de carga, utilizan motores sin escobillas para darle al microprocesador incorporado un control continuo sobre el enfriamiento y el flujo de aire. [17]
La aplicación de los motores CC sin escobillas dentro de 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 CC sin escobillas en ingeniería industrial son el control de movimiento , actuadores lineales , servomotores , actuadores para robots industriales, motores de accionamiento de extrusoras y accionamientos de alimentación para máquinas herramienta CNC . [18]
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 par elevado con una buena respuesta de velocidad. Además, se pueden automatizar fácilmente para su control remoto. Por su construcción presentan buenas características térmicas y alta eficiencia energética . [19] Para obtener una respuesta de velocidad variable, los motores sin escobillas operan en un sistema electromecánico que incluye un controlador electrónico del motor y un sensor de retroalimentación de la posición del rotor. [20] 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 torsión. [21]
Los motores sin escobillas se utilizan en aplicaciones de posicionamiento y actuación industriales. [22] Para robots de ensamblaje, [23] Se puede utilizar tecnología sin escobillas para construir motores lineales . [24] La ventaja de los motores lineales es que pueden producir movimiento lineal sin la necesidad de un sistema de transmisión , como husillos de bolas , husillos , piñón y cremallera , levas , engranajes o correas, que serían necesarios para los motores rotativos. Se sabe que los sistemas de transmisión introducen menos capacidad de respuesta y precisión. Los motores lineales de CC sin escobillas y de accionamiento directo constan de un estator ranurado con dientes magnéticos y un actuador móvil, que tiene imanes permanentes y devanados de bobina. Para obtener movimiento lineal, un controlador de motor excita los devanados de la bobina en el actuador provocando una interacción de los campos magnéticos que da como resultado un movimiento lineal. [18] 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 modelos de aviones, incluidos helicópteros y drones . Sus favorables relaciones potencia-peso y su amplia gama de tamaños disponibles han revolucionado el mercado de los modelos de vuelo eléctricos, desplazando prácticamente a todos los motores eléctricos con escobillas, excepto los aviones económicos de baja potencia y a menudo de juguete. [ cita necesaria ] También han fomentado el crecimiento de modelos de aviones eléctricos simples y livianos, 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 ascender 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 propulsados por motores de combustión en algunos países, [ cita necesaria ] a menudo debido al potencial de contaminación acústica , incluso con silenciadores diseñados específicamente para casi todos los modelos de motores disponibles en las últimas décadas, también han respaldado el cambio hacia sistemas eléctricos de alta potencia.
Su popularidad también ha aumentado en el ámbito de los coches radiocontrolados (RC) . Los motores sin escobillas han sido legales en las carreras de autos RC de América del Norte de acuerdo con Radio Operating Auto Racing (ROAR) desde 2006. Estos motores brindan una gran cantidad de potencia a los corredores RC y, si se combinan con engranajes adecuados y polímero de litio de alta descarga (Li -Po) o con baterías de fosfato de hierro y litio (LiFePO4), estos coches pueden alcanzar velocidades superiores a los 160 kilómetros por hora (99 mph). [25]
Los motores sin escobillas son capaces de producir más torque y tienen una velocidad de rotación máxima más rápida en comparación con los motores de 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 de escala de un quinto. [26]
En lo que respecta al coche RC más rápido disponible para la venta, es el Supercar Traxxas XO-1.
El XO-1 alcanza las 100 mph, con baterías LiPos adecuadas.Las especificaciones del producto del fabricante indican el uso de un "motor sin escobillas Traxxas Big Block".
