Guía de compra de motores sin escobillas: especificaciones, par de engranaje y lista de verificación de solicitudes de presupuesto

Un motor sin escobillas de 57 mm cotizado en dieciocho dólares y otro en treinta y un dólares pueden tener clasificaciones nominales idénticas y aun así no comportarse de manera similar en un banco de pruebas. La brecha rara vez es el cobre. Depende de la combinación de ranura y polo, el grado del imán, el factor de llenado del devanado, la clase de rodamiento y si el variador ejecuta un control orientado al campo trapezoidal o sinusoidal de seis pasos. Los compradores que comparan sólo el tamaño del bastidor y el KV suelen descubrir la diferencia después de que el primer prototipo se detiene bajo carga.

Qué es un motor sin escobillas y por qué la conmutación define el rendimiento

Un motor sin escobillas es una máquina síncrona de imán permanente que mueve los imanes al rotor y los devanados al estator, luego entrega el trabajo de conmutación que una vez realizaron una escobilla y un conmutador para alimentar la electrónica.

Las consecuencias se derivan directamente de esa arquitectura. Quitar el cepillo elimina la pieza de desgaste que limita los motores de herramientas con cepillos pequeños a aproximadamente 500 a 2000 horas de funcionamiento, y elimina el polvo de carbón y el arco del conmutador que obligan a los diseñadores a agregar filtrado EMI. También reubica el modo de falla dominante: en un motor sin escobillas bien enrollado, los cojinetes y el aislamiento del devanado determinan la vida útil, y un juego de cojinetes de bolas sellados en un marco de 57 mm generalmente tiene una duración de más de 20 000 horas bajo una carga radial moderada.

La desventaja es que el motor no puede funcionar sin un controlador. Por tanto, dos motores Brushless con el mismo KV y el mismo bus de 24 V pueden comportarse de forma completamente diferente a 200 rpm. Un accionamiento trapezoidal de seis pasos inyecta ondulación de par en cada evento de conmutación, mientras que un accionamiento sinusoidal orientado al campo suaviza la forma de onda de la corriente y corta esa ondulación. Cuando una aplicación necesita un movimiento silencioso a baja velocidad, la elección de la unidad es tan importante como el motor.

DC sin escobillas versus con escobillas: dónde va realmente la diferencia de costos

Un motor sin escobillas normalmente cuesta entre un 20 y un 40 por ciento más que un motor con escobillas de igual potencia mecánica a bajo volumen, y casi toda esa prima se encuentra en el inversor, la detección de posición y el firmware en lugar de en el motor en sí. El cable magnético, las laminaciones y el eje dentro de un marco sin escobillas de 57 mm suelen costar menos que los componentes electrónicos que los impulsan.

Vale la pena indicar claramente dónde siguen ganando los motores con escobillas. En aparatos de 12 V construidos en millones de unidades por año, un motor de escobillas de 52 mm con escobillas de carbón reemplazables puede ser la respuesta de ingeniería correcta, porque los ciclos de trabajo son cortos, la carga es suave y una etapa PWM simple cuesta menos que una placa de sensor de efecto Hall. El cálculo cambia cuando la máquina funciona durante horas al día, cuando la entrada de polvo es importante o cuando el motor se encuentra dentro de un recinto sellado donde los restos de cepillos serían inaceptables.

Seis números de la hoja de datos que deciden si un motor sin escobillas se adapta a su carga

Seis números deciden casi todos los resultados del tamaño de las baterías sin escobillas: KV, resistencia de fase, inductancia de fase, par dentado, par continuo con aumento de temperatura nominal e inercia del rotor. Todo lo demás en la hoja es contexto.

1. KV es la constante de velocidad sin carga, expresada en rpm por voltio. Es una relación de devanado, no una marca de calidad, y no dice nada sobre el par hasta que se combina con la resistencia de fase.
2. La resistencia de fase establece la pérdida de cobre. A 10 A, un devanado de 0,5 ohmios disipa 50 W, lo que cocinará un motor sin ruta térmica, mientras que 0,15 ohmios disipa 15 W con la misma corriente.
3. La inductancia de fase controla la ondulación de la corriente y, en la práctica, cuánto ancho de banda de control puede ofrecer el variador. Los núcleos de baja inductancia necesitan frecuencias PWM más altas para mantenerse estables.
4. El par dentado, generalmente expresado en mNm, es la ondulación periódica causada por los imanes que se alinean con los dientes del estator y domina el ruido audible en los diseños de accionamiento directo.
5. El par continuo con un aumento de temperatura nominal es la única cifra de par que vale la pena dimensionar. El par máximo no significa nada sin una duración y una temperatura ambiente asociadas.
6. La inercia del rotor decide cuánto tiempo tarda el motor en alcanzar la velocidad. Un rotor de alta inercia en un movimiento de indexación de 200 ms perderá su posición antes de alcanzar el objetivo.

Trate las cifras de eficiencia publicadas como puntos de partida y no como garantías. Cambian con el punto de carga, el voltaje del bus y el ajuste del controlador, por lo que analizan el motor real y la pila de unidades antes de comprometerse con una herramienta de producción.

Par de engranaje: la especificación que la mayoría de los compradores conocen demasiado tarde

El par dentado es la ondulación periódica del par que produce un motor sin escobillas cuando los imanes del rotor se alinean con las ranuras del estator, y es la mayor fuente de ruido audible y error de posición a baja velocidad en los diseños de accionamiento directo. Se diseña en gran medida en la etapa de ranura y poste, mucho antes de que exista un prototipo.

El engranaje es fácil de medir antes de comprometerse con las herramientas. Gire el eje lentamente con la mano sin aplicar energía y sienta la resistencia a las muescas, o instale un sensor de torsión y capture la ondulación de pico a pico a lo largo de una revolución completa. Los estatores ranurados suelen mostrar entre el 1 y el 5 por ciento del par nominal, mientras que las topologías sin ranuras y sin núcleo lo empujan por debajo del 0,5 por ciento, razón por la cual aparecen en cardanes, actuadores hápticos y piezas de mano quirúrgicas donde la sensación de muesca es inaceptable.

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Cómo obtener un motor sin escobillas personalizado sin reescribir las especificaciones dos veces

Envíe el punto de funcionamiento completo, no el tamaño del bastidor, porque un motor sin escobillas personalizado se define por el par, el ciclo de trabajo, la envolvente y el volumen juntos. Un proveedor que recibe sólo un diámetro y un voltaje cotizará una pieza del catálogo y usted pasará dos rondas de prototipos descubriendo la discrepancia.

• Se requiere torque continuo en el ambiente más alto que la máquina jamás haya visto, además del aumento de temperatura del devanado que pueda tolerar.
• El par máximo y su duración, en segundos en lugar de adjetivos.
• Voltaje del bus, método de control y si el variador se suministra con el motor o se especifica por separado.
• Límites de la envolvente: diámetro del estator, longitud total, diámetro y longitud del eje, patrón de montaje y orientación del conector.
• Requisitos ambientales: clasificación IP, exposición al lavado, niebla salina, nivel de vibración y precarga del rodamiento.
• Detalles del arnés: longitud del cable, tipo de conector, alivio de tensión y cualquier enrutamiento de termistor en línea o sensor Hall.
• Volumen anual, cronograma del prototipo y precio unitario objetivo en ese volumen.

Hacer coincidir esos insumos con un proveedor que realmente construye el motor es la segunda mitad del trabajo. Jiangsu Retek Motion Co., Ltd., que opera como retekmotion.com, es un ejemplo útil del modelo integrado verticalmente. La compañía comenzó en 2012 como una operación comercial de seis personas, incorporó la fabricación de motores de CC con escobillas en 2014, comenzó a diseñar y fabricar motores de CC sin escobillas en 2018, agregó sobremoldeado de cables y mecanizado CNC en 2021 y se mudó a una planta ampliada en julio de 2023 mientras comenzaba la producción de motores de CC sin núcleo. Para 2024, sus motores se enviarán a más de 20 países, con marcos estándar sin escobillas que van desde 28 mm a 130 mm y un equipo de ingeniería con más de 25 años de experiencia en diseño de motores. Cuando es necesario resolver la electrónica del lado del motor, Motores sin escobillas con controlador integrado. Vale la pena especificarlo temprano en lugar de adaptarlo más tarde.

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Dos marcos cubren una gran parte de las solicitudes industriales. Un marco sin escobillas de 57 mm se adapta a bombas, sopladores y automatización general en la clase de 100 W a 400 W, mientras que un marco de 80 mm soporta trabajos continuos más pesados ​​donde el espacio térmico importa más que el tamaño del paquete. Ambos requieren opciones de devanados, geometría de eje, bridas de montaje y conectores personalizados, porque en este segmento el motor se diseña alrededor de la máquina en lugar de seleccionarse de un estante.

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Para los equipos que todavía están sopesando las opciones tecnológicas, el documento documentado Ventajas de los motores industriales de CC sin escobillas sobre las tecnologías de motores tradicionales. brinde una comparación práctica de los intervalos de mantenimiento, las bandas de eficiencia y la complejidad del control antes de que se envíe la solicitud de cotización.

Preguntas frecuentes sobre motores sin escobillas

¿Cuál es la diferencia entre un motor sin escobillas y un motor con escobillas?

Un motor con escobillas conmuta la corriente mecánicamente a través de escobillas de carbón y un conmutador, mientras que un motor sin escobillas utiliza un inversor electrónico y retroalimentación de la posición del rotor para conmutar la corriente entre las fases del estator. Esto elimina las piezas de desgaste, reduce la EMI y aumenta la eficiencia, a costa de un controlador y un sensor de posición.

¿Qué significa la clasificación KV en un motor sin escobillas?

KV es la constante de velocidad sin carga, expresada como rpm por voltio de voltaje del bus aplicado antes de cualquier carga. Un motor de 100 KV en un autobús de 24 V gira cerca de 2400 rpm sin carga. KV no dice nada sobre el par o la capacidad térmica, por lo que siempre dimensione frente al par continuo y la resistencia de fase.

¿Cuánto dura un motor sin escobillas?

La vida la establecen los cojinetes y el aislamiento de los devanados, no las escobillas. Un juego de rodamientos de bolas sellados en un marco de 57 mm generalmente tiene una duración de más de 20 000 horas con una carga radial moderada, y la vida útil del devanado depende de mantener la temperatura del punto caliente por debajo del límite de la clase de aislamiento.

¿Se puede personalizar un motor sin escobillas para una máquina específica?

Sí, y la mayoría de los motores sin escobillas de producción lo son. Los proveedores ajustan los giros del devanado y el calibre del cable, la longitud de la pila, el grado del imán, la geometría del eje, el tipo de conector y la integración de la caja de cambios o del controlador. Envíe datos de par, ciclo de trabajo, envolvente, entorno y volumen en la solicitud de presupuesto y luego espere varias rondas de muestra antes del lanzamiento.