¿Qué es un motor sin escobillas? Cómo funciona, diagramas y tipos de CC explicados

¿Qué es un motor sin escobillas?

Un motor sin escobillas es un motor eléctrico que genera fuerza de rotación a través de campos magnéticos conmutados electrónicamente, eliminando las escobillas de carbón físicas y el anillo conmutador mecánico utilizados en los motores con escobillas convencionales. En lugar de depender de contactos eléctricos deslizantes para cambiar la dirección de la corriente a través de los devanados del rotor, un motor sin escobillas utiliza un controlador electrónico dedicado (el ESC (controlador electrónico de velocidad) o controlador BLDC) para secuenciar la corriente a través de los devanados del estator estacionarios en sincronización precisa con la posición del rotor. El rotor lleva imanes permanentes y no tiene ninguna conexión eléctrica.

Este cambio de arquitectura tiene tres consecuencias inmediatas. En primer lugar, no hay fricción ni formación de arcos en las escobillas, la fuente dominante de calor, desgaste y pérdida de eficiencia en los diseños con escobillas. En segundo lugar, los devanados generadores de calor están en el estator, que está en contacto directo con la carcasa del motor y puede enfriarse de forma pasiva o activa; En un motor con escobillas, el calor se acumula dentro del rotor giratorio, donde es difícil de disipar. En tercer lugar, el tiempo de conmutación se puede optimizar en software para cualquier condición operativa, lo que permite que el motor funcione con la máxima eficiencia en un amplio rango de RPM y carga. Los motores sin escobillas suelen alcanzar entre un 85% y un 95% de eficiencia , en comparación con el 75-80 % de los diseños cepillados equivalentes.

El término "motor sin escobillas" se refiere más comúnmente al motor de CC sin escobillas (BLDC), que funciona con voltaje de CC y utiliza conmutación electrónica para aproximarse al campo magnético giratorio de un motor de CA. Los motores de CA sin escobillas, incluidos los motores síncronos de imanes permanentes (PMSM), funcionan según el mismo principio físico, pero son impulsados ​​por formas de onda de CA sinusoidales en lugar de conmutación de CC trapezoidal. En el uso cotidiano, "motor sin escobillas" y "motor BLDC" se utilizan indistintamente en productos electrónicos de consumo, herramientas eléctricas, drones, vehículos eléctricos y automatización industrial.

diagrama de un Motor CC sin escobillas : Estructura interna

Comprender el diagrama de un motor de CC sin escobillas requiere identificar cinco elementos funcionales: el estator, el rotor, los imanes permanentes, los sensores de efecto Hall y el controlador externo. A diferencia de un diagrama de motor con escobillas, que muestra las escobillas presionando contra un anillo conmutador segmentado en el eje giratorio, un diagrama BLDC muestra toda la complejidad eléctrica en el cuerpo exterior estacionario, con un conjunto magnético simple que gira dentro o fuera de él.

Estator (devanados estacionarios)

El estator es la estructura exterior fija de un motor BLDC interno (o el anillo interior en un motor externo). Consiste en núcleos de acero al silicio laminado, estampados en una geometría de estrella o polo saliente, enrollados con bobinas de cobre dispuestas en tres fases: Fase A, Fase B y Fase C. Estas tres fases están conectadas en una configuración de estrella (Y), donde los tres devanados comparten un punto neutro común, o en una configuración delta (Δ), donde los devanados se conectan de un extremo a otro en un triángulo. El cableado en estrella es más común en motores BLDC porque produce un par mayor a bajas RPM y simplifica el diseño del controlador; Se prefiere el cableado en triángulo donde la máxima potencia de alta velocidad es la prioridad.

El número de ranuras del estator y de los polos del rotor define el carácter fundamental del motor. Una configuración de 12 ranuras y 14 polos (común en motores de drones) produce un par suave con bajo engranaje. Un diseño de 9 ranuras y 12 polos es popular en herramientas eléctricas por su equilibrio entre densidad de torsión y simplicidad de fabricación. El recuento de ranuras y polos también determina la frecuencia del ciclo eléctrico: un motor de 14 polos completa 7 ciclos eléctricos por revolución mecánica, lo que significa que su controlador debe conmutar la corriente 7 veces más rápido por rotación del eje que un motor de 2 polos a las mismas RPM.

Rotor (imanes permanentes)

En un motor BLDC inrunner (la configuración estándar en herramientas eléctricas, discos duros y la mayoría de los motores industriales), el rotor se encuentra dentro del orificio del estator. Consiste en un eje de acero con imanes permanentes montados o incrustados en su superficie. Los rotores magnéticos montados en superficie (SPM) son más sencillos de fabricar y predominan en diseños de menor costo; Los rotores interiores de imanes permanentes (IPM) incorporan imanes dentro de las laminaciones del rotor, lo que permite un mayor par de reluctancia y un mejor debilitamiento del flujo para rangos de velocidad extendidos. Los motores de tracción de vehículos eléctricos utilizan casi universalmente diseños de rotor IPM.

Los motores Outrunner BLDC invierten esta geometría: el conjunto de imán permanente gira alrededor del exterior de un estator fijo. Esto les da a los corredores un brazo de momento más grande para la generación de torque y los hace naturalmente adecuados para aplicaciones de transmisión directa: las hélices de drones y los motores de cubo de bicicletas eléctricas montan la carga directamente en la carcasa exterior giratoria, eliminando las cajas de cambios. Los supervivientes producen mayor par a menores RPM que los inrunners equivalentes, mientras que los inrunners giran más rápido y se adaptan mejor a aplicaciones de alta velocidad y con engranajes.

Sensores de efecto Hall

La mayoría de los motores BLDC incluyen tres sensores de efecto Hall montados en el estator a intervalos de 120° (o 60° en algunas configuraciones). Cada sensor detecta el campo magnético de los imanes del rotor que pasan y emite una señal binaria (alta o baja) dependiendo de si hay un polo norte o sur adyacente. Los tres sensores juntos producen un código de posición de 3 bits (por ejemplo, 101, 001, 011, 010, 110, 100) que recorre seis estados únicos por ciclo eléctrico, lo que le da al controlador suficiente resolución de posición para determinar qué fase del estator energizar en cualquier momento. Este es el corazón de la lógica de conmutación del motor sin escobillas: Salida del sensor Hall → el controlador decodifica la posición del rotor → cambia el par de fases correcto .

Los motores BLDC sin sensores omiten por completo los sensores Hall y en su lugar detectan la posición del rotor monitoreando la contraEMF (fuerza electromotriz) generada en el devanado de fase no energizada a medida que pasan los imanes del rotor. Los diseños sin sensores son más simples, más compactos y menos costosos (dominantes en drones, ventiladores de refrigeración de PC y electrodomésticos), pero requieren que el rotor ya esté girando antes de que los EMF inversos sean detectables. Esta es la razón por la que los motores sin sensores necesitan una secuencia de arranque (conmutación forzada de bucle abierto) antes de cambiar al seguimiento de EMF inverso de bucle cerrado, y por qué pueden dudar o no arrancar de manera confiable bajo cargas pesadas.

Cómo funcionan los motores sin escobillas: la secuencia de conmutación

El principio de funcionamiento de un motor sin escobillas es la atracción y repulsión electromagnética entre los electroimanes conmutables del estator y los imanes permanentes fijos del rotor. El controlador crea continuamente un campo magnético giratorio en el estator energizando los devanados en una secuencia específica; Los imanes permanentes del rotor persiguen este campo giratorio, convirtiendo el par magnético en rotación mecánica del eje.

En un motor BLDC trifásico con conmutación trapezoidal (el enfoque estándar para motores equipados con sensores Hall) sólo dos de las tres fases están energizadas en cualquier momento. La secuencia de conmutación de seis pasos del controlador funciona de la siguiente manera:

1. Paso 1: Fase A positiva, Fase B negativa, Fase C apagada. El campo magnético resultante atrae el imán del rotor más cercano hacia el par de polos del estator AB.
2. Paso 2: Fase A positiva, Fase C negativa, Fase B apagada. El campo gira eléctricamente 60°; el rotor sigue.
3. Paso 3: Fase B positiva, Fase C negativa, Fase A apagada. El campo gira otros 60°.
4. Paso 4: Fase B positiva, Fase A negativa, Fase C apagada. La rotación continúa.
5. Paso 5: Fase C positiva, Fase A negativa, Fase B apagada.
6. Paso 6: Fase C positiva, Fase B negativa, Fase A apagada. Un ciclo eléctrico completo completo; la secuencia se repite.

Cada paso mantiene el campo energizado ligeramente por delante de la posición actual del rotor, como una zanahoria perpetuamente delante del rotor. El rotor nunca se pone al día porque tan pronto como se acerca a la posición actual del campo, el controlador avanza al siguiente paso. La velocidad se controla variando el voltaje aplicado a los devanados. , generalmente a través de PWM (modulación de ancho de pulso) en los interruptores del lado alto del puente inversor trifásico del controlador. El par está controlado por la magnitud de la corriente de fase. La relación entre estas dos variables (y su optimización en tiempo real) es lo que separa a un controlador BLDC básico de un sofisticado sistema de control orientado al campo (FOC).

Control orientado al campo frente a conmutación trapezoidal

La conmutación trapezoidal cambia abruptamente entre los seis pasos, produciendo una ondulación del par (una variación periódica en el par de salida) a seis veces la frecuencia eléctrica. A bajas velocidades, esta onda crea ruido y vibración audibles; a altas velocidades se vuelve insignificante. El control orientado a campo (FOC), también llamado conmutación sinusoidal o control vectorial, aplica corrientes sinusoidales que varían continuamente a las tres fases simultáneamente, creando un campo magnético giratorio perfectamente suave. El resultado es Ondulación de par casi nula, funcionamiento más silencioso y entre un 5 % y un 15 % más de eficiencia en cargas parciales. FOC requiere más potencia computacional (un microcontrolador DSP o ARM Cortex que funciona a decenas de MHz) y una detección de corriente precisa en las tres fases, razón por la cual es estándar en herramientas eléctricas premium, vehículos eléctricos y servomotores industriales, pero menos común en productos de consumo sensibles a los costos.

Motor sin escobillas versus motor con escobillas: diferencias de rendimiento que importan

El diagrama de un motor eléctrico sin escobillas versus un diagrama de un motor con escobillas revela la principal desventaja: los motores con escobillas se autoconmutan mecánicamente (electrónica de accionamiento más simple, menor costo del sistema), mientras que los motores sin escobillas trasladan la complejidad al controlador y obtienen a cambio ventajas sustanciales de rendimiento.

La formación de arcos con escobillas es particularmente importante en aplicaciones donde la EMI (interferencia electromagnética) es una preocupación: dispositivos médicos, equipos de medición de precisión y sistemas de RF. El conmutador de un motor con escobillas genera ruido eléctrico de banda ancha en todo el espectro de frecuencias que puede acoplarse a circuitos sensibles cercanos. Los motores sin escobillas, por el contrario, producen ruido de conmutación solo en la frecuencia PWM y sus armónicos, una fuente de interferencia manejable y predecible que se puede filtrar con componentes de supresión EMI estándar.

Especificaciones clave de una hoja de datos de un motor de CC sin escobillas

Seleccionar un motor de CC sin escobillas para una aplicación requiere interpretar varias especificaciones interdependientes que no aparecen en las hojas de datos de los motores con escobillas. Comprender estas cifras evita una mala aplicación, en particular la subestimación de los requisitos del controlador, que es el error de especificación más común en el diseño de sistemas de motores sin escobillas.

• Clasificación KV (RPM/V) — La velocidad sin carga que el motor produce por voltio de CC aplicada, sin necesidad de conversión de unidades. Un motor de 1000 KV a 12 V gira a aproximadamente 12 000 RPM sin carga. Mayor KV = más rápido, menor par; KV más bajo = par más lento y más alto. Los motores de propulsión de drones suelen oscilar entre 300 kV (propulsores grandes y lentos) y 2500 kV (propulsores pequeños y rápidos).
• Corriente continua y pico (A) — La corriente continua es la carga sostenida que el motor puede soportar sin sobrecalentarse; La corriente máxima es el máximo momentáneo durante la aceleración o la pérdida. La clasificación de corriente del controlador debe exceder la corriente máxima del motor. — Subdimensionar el ESC provoca fallas en el FET durante una aceleración fuerte.
• Resistencia de fase (mΩ) — Resistencia del devanado entre cualesquiera terminales de dos fases. Una resistencia más baja significa menos pérdida de cobre (calentamiento I²R) a una corriente determinada, pero también significa una corriente de parada más alta que puede dañar el controlador si no se limita la corriente.
• Constante de par (Nm/A) — Par de salida producido por amperio de corriente de fase, directamente relacionado con KV mediante la relación inversa Kt = 60/(2π × KV). Esta cifra determina cuánta corriente requiere la aplicación en su máxima demanda de par.
• Número de polos — Requerido por el controlador para calcular la frecuencia de conmutación correcta. Un motor de 14 polos a 3000 RPM requiere que el controlador ejecute 7 × 3000/60 = 350 ciclos eléctricos por segundo: 2100 eventos de conmutación por segundo como mínimo en conmutación trapezoidal.
• Con sensor versus sin sensor — Si el motor incluye sensores de efecto Hall. Los motores con sensores requieren un controlador con entradas de sensores Hall; Los motores sin sensores necesitan un controlador con detección de backEMF. Mezclarlos (hacer funcionar un motor con sensor en un controlador sin sensor) da como resultado un arranque poco confiable y una posible desmagnetización.

Dónde se utilizan los motores sin escobillas: aplicaciones por sector

Los motores sin escobillas han desplazado los diseños con escobillas en prácticamente todas las aplicaciones críticas para el rendimiento durante las últimas dos décadas, impulsados por la caída de los costos de los controladores y la demanda de intervalos de servicio más largos y una mayor densidad de potencia.

Electrónica de Consumo y Electrodomésticos

Los motores de husillo de unidades de disco duro estuvieron entre las primeras aplicaciones sin escobillas del mercado masivo: el control de velocidad de precisión y los requisitos de larga vida útil de los husillos de HDD hicieron que los motores con escobillas no fueran prácticos desde el principio. Hoy en día, los ventiladores de refrigeración de PC, los mototambores de lavadoras, las aspiradoras robóticas y las herramientas eléctricas inalámbricas utilizan motores BLDC como estándar. Un taladro inalámbrico de primera calidad con motor sin escobillas ofrece Entre un 25% y un 50% más de tiempo de ejecución por carga frente a un equivalente cepillado del mismo voltaje, porque la mayor eficiencia convierte más energía de la batería en trabajo útil en lugar de calor.

Aplicaciones de drones y RC

Los drones multirrotor dependen completamente de motores BLDC avanzados (generalmente trifásicos, sin sensores y de accionamiento directo) para generar empuje. La combinación de una alta relación potencia-peso, un control electrónico preciso de la velocidad y la ausencia de escobillas que requieren mantenimiento hacen del BLDC la única tecnología de propulsión viable para vehículos aéreos no tripulados comerciales y de consumo. Un motor típico de dron de carreras FPV de 5 pulgadas (tamaño de bastidor 2306, 2400 KV) pesa menos de 35 gy produce más de 1 kg de empuje con corriente máxima, una densidad de potencia que los motores con escobillas no pueden alcanzar.

Vehículos eléctricos

Los motores de tracción de los vehículos eléctricos son predominantemente diseños BLDC (o PMSM) de imanes permanentes interiores, controlados por inversores FOC que se alimentan del paquete de baterías de alto voltaje. El motor trasero de Tesla en el Modelo 3 tiene un diseño de reluctancia conmutada, pero el motor delantero es un PMSM, elegido por su eficiencia en todo el rango de velocidades de conducción en carretera. El BMW i3 y la mayoría de los modelos Hyundai/Kia EV utilizan motores IPM BLDC. Las potencias máximas varían desde 150 kW en vehículos eléctricos compactos hasta más de 500 kW en aplicaciones de rendimiento, todas gestionadas por inversores trifásicos de grado automotriz con precisión de conmutación de nivel de microsegundos.

Automatización Industrial y Robótica

Los servomotores en máquinas herramienta CNC, brazos robóticos y sistemas transportadores funcionan casi exclusivamente sin escobillas: la combinación de control FOC, codificadores de alta resolución y retroalimentación de circuito cerrado ofrece una precisión de posicionamiento de micrones y una regulación de velocidad de hasta el 0,01% en todos los cambios de carga. En entornos con gases explosivos o polvo fino (procesamiento de granos, plantas químicas, minería), los motores sin escobillas con carcasas selladas eliminan el riesgo de ignición debido a la formación de arcos de las escobillas, lo que los califica para las certificaciones de ubicaciones peligrosas ATEX e IECEx que los motores con escobillas no pueden cumplir.