¿Qué es un motor sin escobillas? Explicación de la conmutación, el par y el tamaño del BLDC

Un motor sin escobillas es un motor que conmuta la corriente del devanado electrónicamente en lugar de utilizar escobillas de carbón rozando un conmutador. Si se quita el par de escobillas, se irán tres problemas: el polvo de las escobillas, el desgaste de las escobillas y el arco que mantiene los motores con escobillas fuera del alcance de equipos sellados o sensibles a chispas. Lo que llega en su lugar es un sensor de posición del rotor, un inversor trifásico y un conjunto de especificaciones que tienen que ser correctas a la primera.

Jiangsu Retek Motion Co., Ltd. ha diseñado y construido motores de CC sin escobillas internamente desde 2018 en un rango de marco de 28 mm a 130mm, y las notas a continuación siguen las preguntas que realmente surgen en una solicitud de presupuesto: qué es la máquina, qué significan las constantes de la hoja de datos y dónde un motor con escobillas sigue siendo la respuesta correcta más económica.

Qué es un motor sin escobillas, mecánica y eléctricamente

Un motor sin escobillas es una máquina síncrona de imanes permanentes cuyos devanados se asientan en el estator y cuyos imanes giran, con un accionamiento electrónico que invierte la corriente en cada fase en función de la posición del rotor.

En un motor de CC con escobillas, el devanado gira con el rotor, un conmutador segmentado invierte la corriente en cada bobina dos veces por revolución y las escobillas de carbón transportan toda la corriente de la armadura mientras se deslizan. Un motor sin escobillas invierte ese diseño. El cobre se mueve hacia las ranuras del estator, el rotor se convierte en un conjunto magnético y el inversor hace la inversión. La corriente nunca cruza un contacto deslizante, por lo que no hay que mantener una película del conmutador ni inspeccionar la longitud de las escobillas en los intervalos de servicio.

BLDC y PMSM describen la misma familia de hardware

Los dos nombres se refieren a la forma de los EMF inversos y al esquema de conmutación, no a máquinas diferentes. Un contraEMF trapezoidal accionado con conmutación de seis pasos se vende como motor BLDC; un back-EMF sinusoidal impulsado con control sinusoidal u orientado a campo se vende como PMSM. Los devanados concentrados suelen producir la forma trapezoidal y los devanados distribuidos la sinusoidal, y una laminación puede servir para ambos.

Las cinco partes que deciden el rendimiento

El rendimiento del motor sin escobillas está determinado por cinco componentes: acero laminado y longitud de la pila, grado del imán, vueltas de bobinado y calibre del cable, retroalimentación de la posición del rotor y la corriente continua que el variador puede suministrar.

• Pila de estator. Laminaciones de acero al silicio de 0,35 mm a 0,50 mm; El acero más delgado reduce las pérdidas por corrientes parásitas y mantiene el devanado más frío con el mismo par de salida.
• Imanes. El NdFeB sinterizado alcanza una remanencia cercana a 1,2 T a 1,4 T frente a aproximadamente 0,4 T para la ferrita, y los grados SH mantienen la temperatura de trabajo en aproximadamente 150ºC.
• Sinuoso. Los giros establecen la constante de par y la velocidad sin carga; El calibre del cable establece la pérdida de cobre. El mismo estator con un devanado diferente es un motor diferente.
• Comentario. Tres sensores Hall espaciados 120 grados eléctricos, un codificador incremental o estimación sin sensores a partir de cruces por cero de EMF traseros.
• Conducir. Seis MOSFET en tres medios puentes, conmutados de 16 kHz a 20 kHz para que el PWM se mantenga por encima de la banda audible.

Una variante estructural importa más que el resto cuando la carga es sensible a las ondulaciones. En un diseño sin ranuras, el devanado es una copa autoportante sin dientes de hierro orientados hacia los imanes, lo que elimina el par dentado y reduce la inercia del rotor. La compensación es un par más bajo por unidad de volumen que un estator con núcleo de hierro del mismo diámetro.

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Cepillado versus sin escobillas: lo que realmente cambia

Un motor sin escobillas dura más que un motor con escobillas en el mismo ciclo de trabajo porque no tiene contacto eléctrico deslizante, pero cuesta más y no da una sola revolución sin un variador.

Bandas típicas de eficiencia a carga completa para motores de 50 W a 500 W, según las hojas de datos del fabricante. Compare solo con el mismo tamaño de marco y clase térmica.

La brecha de eficiencia es un beneficio secundario, no el argumento principal. El argumento principal es el intervalo de servicio: el programa de mantenimiento de un motor con escobillas se establece en función de la longitud de las escobillas, mientras que el de un motor sin escobillas se establece en función de la vida útil de los cojinetes.

Torque, velocidad y las constantes que importan

El par en un motor sin escobillas es proporcional a la corriente, la velocidad la establece la FEM inversa y, en unidades SI, la constante de par Kt en Nm/A es igual a la constante Ke de la FEM inversa en V por rad/s.

Esa igualdad es la línea más útil en cualquier hoja de datos. Si un proveedor indica Ke como 12 V por 1000 rpm, divida por 104,72 para convertir: 12 / 104,72 = 0,1146 V por rad/s, por lo que Kt es 0,1146 Nm/A y el motor necesita 5,2 A de corriente productora de par para mantener 0,6 Nm.

La elección sinuosa cambia la velocidad contra la corriente. Duplicar las vueltas duplica Kt y reduce a la mitad la velocidad sin carga con el mismo voltaje del bus, y debido a que el mismo par necesita la mitad de la corriente, la pérdida de cobre con ese par también se reduce aproximadamente a la mitad. El límite es el llenado de la ranura: pasado un punto el cable deja de encajar y la ganancia desaparece.

Cogging es la especificación que se pasa por alto. Las combinaciones de ranuras y polos, como 12 ranuras y 10 polos, mantienen el engranaje bajo por diseño, y la forma o inclinación del imán lo lleva aún más lejos. Cuando la carga es un posicionador de precisión o una herramienta manual, la diferencia es audible y mensurable.

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Cuando el límite de par es fijado por una caja de cambios y no por el motor, el Gama de motores CC sin escobillas de alto par combina la misma plataforma del estator con reductores planetarios, helicoidales y armónicos.

Control con sensores, sin sensores, de seis pasos y orientado al campo

El control con sensores funciona desde velocidad cero con un costo adicional de cableado, mientras que el control sin sensores elimina el arnés del sensor pero no puede arrancar un eje cargado desde parado porque la fuerza contraelectromotriz es cero a velocidad cero.

La conmutación de seis pasos conmuta el puente a través de seis estados por ciclo eléctrico y es adecuada para máquinas trapezoidales y accionamientos de ventilador económicos. El control orientado al campo transforma las corrientes de fase en un marco giratorio, mantiene la corriente del eje d en cero y ofrece un par más suave para el trabajo del servo. Una proporción cada vez mayor de aplicaciones utiliza un motor con controlador integrado , por lo que el inversor y los devanados se combinan y se prueban como una sola unidad en lugar de depurarse en un banco.

Marcos, voltajes y qué incluir en una solicitud de cotización

Una consulta sobre un motor sin escobillas necesita ocho números: diámetro de la estructura, voltaje del bus, par continuo, par máximo y su duración, velocidad, ciclo de trabajo, temperatura ambiente y clasificación IP.

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En la mayoría de las primeras consultas faltan dos números y son los que provocan la mayor parte del trabajo repetido: el ciclo de trabajo y la temperatura ambiente. Un motor clasificado continuamente a 25 C no mantendrá el mismo par dentro de un gabinete de 60 C, y el límite del punto caliente de la clase de aislamiento decide cuánto de ese margen sobrevive.

Cuando un motor sin escobillas es la respuesta incorrecta

Un motor sin escobillas es una mala elección cuando la máquina no tiene espacio para un accionamiento, cuando la temperatura ambiente en el motor supera los 150 C o cuando el volumen anual es demasiado bajo para amortizar la electrónica.

• Aplicaciones alimentadas por línea. Un motor que debe funcionar directamente desde una toma de corriente sin convertidor pertenece a la familia universal o de inducción de CA.
• Ambientes calurosos. Tanto los imanes como los dispositivos Hall pierden margen por encima de aproximadamente 150 C; un motor con escobillas con el grado de escobillas correcto puede ubicarse más cerca de la fuente de calor.
• Volumen muy bajo. Dos cables y un interruptor siguen siendo más baratos que los cables trifásicos más un controlador, unos cientos de unidades por año.

Preguntas que hacen los ingenieros antes de especificar

¿Un motor sin escobillas es CA o CC?

Ambas descripciones pueden ser correctas. La máquina es síncrona y el estator ve la corriente alterna producida por el inversor, mientras que la entrada al variador suele ser CC, por lo que la familia se llama DC sin escobillas. Un motor de ventilador sin escobillas de 230 V CA simplemente lleva un rectificador y un inversor en la misma carcasa.

¿Qué limita la vida útil del motor sin escobillas?

Cojinetes, no devanados. Sin escobillas que se desgasten, el rodamiento se convierte en un elemento de servicio y su vida útil se calcula según ISO 281 como una clasificación L10 a partir de la carga y la velocidad. Los diseños industriales de servicio continuo suelen tener como objetivo una vida útil de los rodamientos de 20 000 a 40 000 horas.

¿Puede funcionar un motor sin escobillas sin sensores Hall?

Sí, si la carga no exige el par máximo en parado. Las unidades sin sensores estiman la posición del rotor a partir de cruces por cero de contraEMF, lo que requiere que el rotor gire a aproximadamente el 5 % de la velocidad nominal o más rápido. Los ventiladores, bombas y compresores son aplicaciones rutinarias sin sensores; la robótica y los posicionadores no lo son.

¿Por qué un motor sin escobillas necesita un controlador?

Los devanados deben cambiarse en secuencia con la posición del rotor, y esa secuencia es trabajo del controlador. Sin él no hay campo giratorio, por lo que no hay par. El controlador también incluye límites de corriente, el bucle de velocidad y protección, razón por la cual el variador y el motor generalmente se especifican juntos.