Motores eléctricos de CC: cómo funcionan, tipos y aplicaciones

¡Qué Motor eléctrico de CC es

Un motor eléctrico de corriente continua (CC) es una máquina que convierte la energía eléctrica de CC en energía mecánica rotacional. Funciona según el principio de que un conductor que transporta corriente colocado en un campo magnético experimenta una fuerza y, al disponer correctamente los conductores, los imanes y un mecanismo de conmutación, esta fuerza se puede mantener continuamente en una dirección de rotación para producir un par y una velocidad útiles en un eje de salida.

Los motores de CC fueron los primeros motores eléctricos desarrollados para uso industrial práctico, iniciados en la década de 1830 por inventores como William Sturgeon y Thomas Davenport, y se convirtieron en el tipo de motor dominante durante el siglo XIX y principios del XX antes de que madurara la tecnología de los motores de CA. Hoy, Los motores de CC siguen siendo esenciales en los sistemas automotrices, herramientas eléctricas portátiles, dispositivos que funcionan con baterías, vehículos eléctricos y control de movimiento de precisión. — aplicaciones donde la velocidad y el par controlables desde una fuente de alimentación de CC son requisitos principales.

Cómo funciona un motor de CC: explicación del motor de CC con escobillas

El motor de corriente continua clásico, el del tipo con escobillas, demuestra el principio de funcionamiento con mayor claridad. Sus componentes clave son la armadura (rotor), el sistema de campo (estator), el conmutador y las escobillas.

el armadura es el componente giratorio, que consta de un núcleo de hierro laminado enrollado con conductores de cobre. Cuando la corriente continua fluye a través de estos conductores dentro del campo magnético proporcionado por el estator, cada conductor experimenta una fuerza de Lorentz. Los conductores están dispuestos de manera que todas las fuerzas actúan tangencialmente en la misma dirección de rotación, produciendo un par neto que hace girar la armadura.

el fundamental challenge is that as the armature rotates, the conductors move through the magnetic field and their position relative to the poles changes. Without correction, the force direction would reverse after 180° of rotation, stopping and reversing the motor. The conmutador resuelve esto: es un anillo de cobre segmentado montado en el eje de la armadura, con cada segmento conectado a un devanado de armadura diferente. A medida que gira la armadura, los segmentos del conmutador pasan bajo carbono estacionario. cepillos que mantienen contacto eléctrico con el circuito externo. La geometría del conmutador garantiza que la corriente siempre fluya en la dirección correcta a través de los conductores que se encuentren en la posición óptima para producir par. invirtiendo efectivamente la corriente en cada devanado en el momento preciso para mantener una rotación unidireccional continua.

Tipos de motores CC y sus características

Motor de CC serie

En un motor en serie, el devanado de campo y el devanado del inducido están conectados en serie: la misma corriente fluye a través de ambos. Esto produce un par de arranque muy alto porque a baja velocidad, una alta corriente fluye a través del campo, creando un fuerte campo magnético y, por tanto, una gran fuerza sobre los conductores de la armadura. Sin embargo, la velocidad aumenta bruscamente a medida que disminuye la carga y un motor de CC en serie que funciona sin carga puede alcanzar velocidades peligrosamente altas (una condición llamada "huir"). Los motores en serie se utilizan en aplicaciones que exigen un elevado par de arranque: tracción eléctrica (trenes, tranvías), grúas, polipastos y motores de arranque en motores de combustión.

Motor de CC en derivación

En un motor en derivación, el devanado de campo está conectado en paralelo (en derivación) con la armadura a través del voltaje de suministro. Debido a que el voltaje de campo es constante, el flujo de campo es esencialmente constante independientemente de la corriente de carga. Esto le da al motor de derivación su característica definitoria: Velocidad relativamente constante en un amplio rango de carga. . La regulación de velocidad (el cambio porcentual en la velocidad desde sin carga hasta carga completa) suele ser del 5 al 15 % en un motor de derivación bien diseñado. Los motores de derivación son adecuados para máquinas herramienta, tornos, fresadoras y ventiladores donde se requiere una velocidad constante bajo cargas variables.

Motor CC compuesto

Un motor compuesto combina devanados de campo en serie y en derivación, combinando el alto par de arranque de la configuración en serie con la estabilidad de velocidad de la derivación. La combinación acumulativa (ayuda en el campo) produce un alto par de arranque con una regulación de velocidad razonable. La composición diferencial (campos opuestos) proporciona características de velocidad muy planas, pero rara vez se utiliza debido a los riesgos de inestabilidad. Los motores compuestos sirven para prensas, punzonadores, elevadores y otras cargas que requieren un buen par de arranque y una velocidad de funcionamiento estable.

Motor de CC de imán permanente (PMDC)

Los motores PMDC reemplazan el campo bobinado con imanes permanentes, eliminando las pérdidas de cobre del bobinado de campo y simplificando la construcción. ellos ofrecen características lineales de velocidad-par — la velocidad cae proporcionalmente a medida que aumenta el par, lo que los hace muy predecibles y fáciles de controlar. Los motores de imanes permanentes son el tipo dominante en aplicaciones de potencia pequeña y mediana: accionamientos auxiliares de automóviles (elevalunas, limpiaparabrisas, ajustadores de asientos), herramientas eléctricas, impresoras y pequeños electrodomésticos. Su principal limitación es que los imanes permanentes pueden desmagnetizarse a altas temperaturas o bajo fuertes corrientes de sobrecarga.

Motor CC sin escobillas (BLDC)

el brushless DC motor eliminates the mechanical commutator and brushes entirely. Permanent magnets are on the rotor; the stator carries the windings. An electronic controller (ESC or inverter) switches current through the stator windings in a timed sequence, producing a rotating magnetic field that the permanent magnet rotor follows. Sin escobillas no hay desgaste mecánico en la interfaz de conmutación , lo que brinda a los motores BLDC una vida útil dramáticamente más larga, mayor eficiencia (normalmente entre 85 y 95 %), menor ruido eléctrico y la capacidad de operar a velocidades mucho más altas que sus equivalentes con escobillas. Los motores BLDC dominan los vehículos eléctricos, drones, equipos HVAC, servomotores industriales y herramientas eléctricas inalámbricas.

Motores CC con escobillas y sin escobillas: diferencias clave

Control de velocidad en motores DC

Una de las características más valiosas de los motores de CC es la facilidad con la que se puede controlar su velocidad, una propiedad que los convirtió en la opción preferida para los motores industriales de velocidad variable mucho antes de que existiera la tecnología moderna de inversores de CA. La velocidad del motor de CC se rige por la ecuación back-EMF:

Velocidad ∝ (Tensión de alimentación − Caída de tensión a través de la resistencia del inducido) ÷ Flujo magnético

Esta ecuación revela los dos métodos prácticos de control de velocidad. Control de voltaje de armadura - reducir el voltaje aplicado a la armadura: reduce la velocidad proporcionalmente mientras mantiene el flujo de campo completo, preservando la capacidad de par total a velocidad reducida. Este es el método estándar para velocidades inferiores a la velocidad base (nominal). Debilitamiento del campo (reducir la corriente de campo y, por lo tanto, el flujo) aumenta la velocidad por encima de la velocidad base, pero la capacidad de par se reduce proporcionalmente ya que el campo magnético es más débil. Juntos, estos dos métodos brindan a los motores de CC un amplio rango de velocidades controlable: normalmente 10:1 o mayor en aplicaciones de accionamiento industrial, en comparación con 2:1 o menos para motores de inducción de CA no controlados sin accionamiento de frecuencia variable.

En la práctica moderna, el control de velocidad se implementa electrónicamente. Los controladores PWM (modulación de ancho de pulso) varían el voltaje efectivo a la armadura encendiendo y apagando rápidamente el suministro a alta frecuencia; la relación entre el tiempo de encendido y apagado (ciclo de trabajo) determina el voltaje promedio y, por lo tanto, la velocidad. El control PWM es muy eficiente porque los transistores de conmutación disipan una energía mínima en comparación con los métodos resistivos de caída de voltaje y permite una regulación precisa de la velocidad con retroalimentación simple de un tacómetro o codificador en el eje del motor.

Dónde se utilizan los motores eléctricos de CC

Los motores de CC aparecen en una gama notablemente amplia de aplicaciones, desde instrumentos de precisión a escala de milivatios hasta accionamientos industriales a escala de megavatios:

• Automotriz: Un turismo moderno contiene entre 30 y 80 pequeños motores DC ventanillas de conducción, espejos, asientos, limpiaparabrisas, ventiladores de refrigeración, bombas de combustible, actuadores ABS y ventiladores HVAC. El motor de arranque, un motor de CC en serie de alto par, hace girar el motor en cada ciclo de arranque.
• Vehículos eléctricos: Los motores BLDC y síncronos de imanes permanentes (una variante de BLDC) alimentan la tracción de los vehículos eléctricos de batería. El motor trasero del Modelo 3 de Tesla es un motor síncrono de imán permanente que produce más de 250 kW en un paquete compacto y liviano.
• Herramientas eléctricas: Los taladros, destornilladores, sierras circulares y amoladoras angulares inalámbricos utilizan motores DC con escobillas (rango económico) o BLDC (rango profesional) alimentados por paquetes de baterías de iones de litio.
• Automatización industrial y robótica: Los servoaccionamientos en máquinas herramienta CNC, brazos robóticos y equipos de ensamblaje automatizados utilizan motores BLDC o de imanes permanentes sin escobillas con posición de circuito cerrado y control de velocidad para un movimiento preciso y repetible.
• Electrónica de consumo: Los motores de los ejes de los discos duros, los ventiladores de refrigeración de las computadoras y los proyectores y los motores de vibración de los teléfonos inteligentes son todos motores de corriente continua en miniatura (a menudo BLDC) que funcionan de forma continua o intermitente dentro de dispositivos sellados.
• Ferrocarriles y tránsito: Los motores de tracción de la serie DC alimentaron las redes ferroviarias subterráneas durante más de un siglo. Muchos sistemas de metro en todo el mundo todavía operan infraestructura de tracción de CC, aunque el material rodante moderno utiliza cada vez más motores de CA suministrados por inversores a bordo.