Motores de CC con escobillas vs sin escobillas: diferencias clave

¿Qué es un motor de CC?

Un motor de CC es una máquina eléctrica que convierte la energía eléctrica de corriente continua en movimiento mecánico. Hay una gran variedad de motores para diferentes aplicaciones y requisitos de potencia, desde dispositivos diminutos, con apenas unos pocos milímetros de diámetro, para equipos médicos, hasta diseños personalizados que generan miles de caballos de fuerza.

Motores con escobillas vs. sin escobillas

Los dos tipos más comunes de motores de CC son conocidos como motores de CC con escobillas y sin escobillas (BLDC). Aunque la física subyacente es la misma, su construcción, características de rendimiento y medios de control son muy diferentes.
 
¿Cuál es el mejor para su aplicación? Bueno, como muchas cosas en la vida, la respuesta es "depende". Hay ventajas y desventajas de un motor con escobillas frente a uno sin escobillas. En este artículo, echaremos un vistazo a ambas tecnologías de motores de CC y arrojaremos un poco de luz sobre este tema complejo.

Cómo funcionan los motores de escobillas

Inventados por primera vez en el siglo XIX, los motores de corriente continua con escobillas son uno de los tipos más simples de motores. Fueron el primer tipo de motor utilizado ampliamente ya que podían ser alimentados por los primeros sistemas de distribución de energía de iluminación de corriente continua.

Como se muestra en Figura 1, un motor típico de corriente continua con escobillas consiste en un armadura rotativa y un estator estacionario.
 
La armadura (también llamada rotor) contiene uno o más devanados de alambre aislado envueltos alrededor de un núcleo de hierro blando. Los devanados forman una o más bobinas y están conectados eléctricamente al conmutador, que es un cilindro compuesto de varios segmentos de contacto metálico alrededor del eje de la armadura. El estator encierra el rotor y contiene imanes permanentes o electroimanes para generar un campo magnético. Las escobillas son contactos eléctricos, hechos de un material blando como el carbono, que están cargados por resortes para hacer contacto con los segmentos del conmutador a medida que el eje gira.

Función de las escobillas en los motores de corriente continua

Cuando una fuente de alimentación de CC se conecta a las escobillas, los devanados del inducido se energizan, convirtiéndolo en un electroimán y provocando que gire para que sus polos norte y sur se alineen con los polos sur y norte del estator respectivamente. A medida que el conmutador rota, el movimiento provoca que la polaridad de la corriente en el devanado del inducido, y la dirección de su campo magnético, se inviertan. El inducido gira hacia su nueva alineación, la corriente se invierte nuevamente, y el inducido continúa girando.
 
Este medio de invertir la corriente se llama conmutación mecánica: la rotación mecánica del eje proporciona la retroalimentación necesaria para cambiar la polaridad de la corriente.
 
Variando la disposición de los devanados, se han desarrollado varias variedades de motores de CC con escobillas, con diferentes características de rendimiento; hay cinco tipos básicos. Los primeros cuatro tipos utilizan bobinas tanto en el estator como en el rotor (inducido), por lo que utilizan exclusivamente electroimanes.

Tipos de motores de corriente continua con escobillas y sus usos

Un motor de corriente continua con escobillas y bobinado en derivación tiene las bobinas del rotor y del campo del estator conectadas en paralelo; funciona a velocidad constante independientemente de la carga. Esta característica autorreguladora lo hace ampliamente utilizado en aplicaciones industriales de velocidad constante.
 
Un motor de corriente continua con escobillas y bobinado en serie tiene las dos bobinas enrolladas en serie; su velocidad varía con la carga, aumentando a medida que la carga disminuye, pero tiene un par de arranque muy alto, por lo que se utiliza ampliamente para aplicaciones de corta duración como arrancadores de automóviles.
 
Un motor de corriente continua con escobillas y bobinado compuesto es una combinación de los motores con bobinado en derivación y en serie, con características de ambos. Los motores con bobinado compuesto se suelen usar cuando se encuentran condiciones de arranque severas y se requiere velocidad constante.
 
Un motor de corriente continua con escobillas y excitación separada tiene suministros separados para el rotor y el estator, lo que permite tanto una alta corriente de campo del estator como un voltaje de armadura suficiente para producir la corriente de par del rotor requerida. Este tipo de motor se utiliza cuando se requiere capacidad de alto par a bajas velocidades.
 
Un motor de corriente continua con escobillas y imán permanente contiene imanes permanentes en el estator, eliminando la necesidad de una corriente de campo externa. Este diseño es más pequeño, ligero y más eficiente en energía que otros tipos de motores de corriente continua con escobillas; se utiliza ampliamente en aplicaciones de baja potencia de hasta aproximadamente 2 HP.

Cómo controlar la velocidad de los motores de corriente continua con escobillas

Con la conmutación realizada mecánicamente, controlar un motor de corriente continua con escobillas es conceptualmente muy simple. Un motor de velocidad fija solo necesita un voltaje de CC y un interruptor de encendido/apagado; variar el voltaje cambia la velocidad en un amplio rango.
 
Para aplicaciones que requieren un control más sofisticado, se puede usar una topología de circuito común, como el puente en H mostrado en la Figura 2. Al encender simultáneamente los transistores Q1 y Q4, o los transistores Q3 y Q2 simultáneamente, la corriente a través del motor BDC fluye en una dirección u otra, permitiendo el movimiento bidireccional.

Para el control de velocidad, se utiliza una señal modulada en ancho de pulso (PWM) para generar un voltaje promedio. El devanado del motor actúa como un filtro de paso bajo de modo que una forma de onda PWM de alta frecuencia generará una corriente estable en el devanado del motor. Para una regulación de velocidad más precisa, se puede añadir un sensor de velocidad como un sensor de efecto Hall o un encoder óptico para formar un sistema de control en lazo cerrado.

Conceptos básicos del motor de CC con escobillas

Los motores con escobillas en comparación con los motores sin escobillas son económicos y confiables y tienen una alta relación de torsión a inercia. Debido a que necesitan pocos o ningún componente externo, también son adecuados para operar en condiciones difíciles.
 
En el lado negativo, las escobillas se desgastan con el tiempo y producen polvo; los motores con escobillas requieren mantenimiento periódico para la limpieza o sustitución de las escobillas. Otros inconvenientes incluyen una mala disipación del calor debido a las limitaciones del rotor, alta inercia del rotor, baja velocidad máxima e interferencia electromagnética (EMI) generada por el arco de la escobilla.

Cómo funcionan los motores sin escobillas

El principio subyacente de operación para un motor de corriente continua sin escobillas (BLDC) es el mismo que para un motor de corriente continua con escobillas: control de conmutación utilizando retroalimentación de la posición del eje interno, pero su construcción es muy diferente.
 
A diferencia del motor de corriente continua con escobillas, el imán permanente está montado en el rotor del BLDC; el estator está hecho de acero laminado ranurado y contiene los bobinados de las bobinas.
 
Los BLDC tampoco utilizan escobillas de carbono ni un conmutador mecánico. La rotación del rotor se logra energizando sucesivamente las bobinas alrededor del estator, y la conmutación se realiza mediante un controlador electrónico complejo utilizado junto con un sensor de posición del rotor (por ejemplo, fototransistor-LED, sensores electromagnéticos o de efecto Hall).
 
El método de construcción del BLDC le permite tener menos resistencia interna y una disipación de calor mucho mejor en las bobinas del estator. Esto resulta en mayores eficiencias de operación ya que el calor de las bobinas puede disiparse de manera más eficiente a través del motor estacionario, que es mucho más grande.
 
Los bobinados del estator pueden disponerse en un patrón estrella (o Y) o en un patrón delta. Las laminaciones de acero pueden ser ranuradas o sin ranuras. Un motor sin ranuras tiene una inductancia más baja, por lo que puede funcionar a mayores velocidades y muestra menos ondulación a velocidades más bajas. La principal desventaja de un estator sin ranuras es su costo más alto porque requiere más bobinados para compensar el mayor espacio aéreo.
 
El número de polos en el rotor puede variar según la aplicación. Aumentar el número de polos incrementa el par pero reduce la velocidad máxima. El material utilizado para construir los imanes permanentes también tiene un efecto en el par máximo, que aumenta con la densidad de flujo.

Obtenga más información sobre qué es un BLDC y cómo funciona.

Control de motor DC sin escobillas

Dado que la conmutación debe realizarse electrónicamente, el control BLDC es considerablemente más complicado que los esquemas simples discutidos anteriormente, y se utilizan métodos de control tanto analógicos como digitales. El bloque de control básico es similar al enfoque del motor de corriente continua con escobillas, pero el control en bucle cerrado es obligatorio.

Existen tres tipos principales de algoritmos de control utilizados para el control de motores BLDC: conmutación trapezoidal, conmutación sinusoidal y control vectorial (o orientado al campo). Cada algoritmo de control puede implementarse de diferentes maneras dependiendo del diseño del software y del hardware, y cada uno ofrece ventajas y desventajas distintas.

La conmutación trapezoidal requiere los circuitos de control y software más simples, lo que la hace ideal para aplicaciones de bajo nivel. Utiliza un proceso de seis pasos con retroalimentación de la posición del rotor. La conmutación trapezoidal controla la velocidad y potencia del motor de manera efectiva pero sufre de ondulación de par durante la conmutación, especialmente a bajas velocidades.
 
La conmutación sin sensores, que estima la posición del rotor midiendo el EMF inverso del motor, proporciona un rendimiento similar al método de efecto Hall a costa de una mayor complejidad del algoritmo. Al eliminar los sensores de efecto Hall y su circuitería de interfaz, la conmutación sin sensores reduce los costos de componentes e instalación y simplifica el diseño del sistema.
 
La conmutación sinusoidal utiliza la modulación de la frecuencia portadora para impulsar el motor, controlando simultáneamente las tres corrientes de bobinado, de modo que varían suavemente y de manera sinusoidal a medida que el motor gira. Esta técnica proporciona un control de motor suave y preciso al eliminar la ondulación de par y los picos de conmutación asociados con el método trapezoidal. Puede operar como un sistema de bucle abierto o cerrado con un sensor de velocidad adicional, y se utiliza comúnmente en aplicaciones de rendimiento medio que necesitan control tanto de velocidad como de par. El complicado esquema de conmutación sinusoidal requiere potencia de procesamiento adicional y electrónica de control para su implementación.
 
El control vectorial se reserva para aplicaciones de alto nivel debido a su diseño complejo y las altas exigencias que impone al microcontrolador. El algoritmo utiliza retroalimentación de corriente de fase para calcular vectores de voltaje y frecuencia y conmutar el motor. El control vectorial proporciona un control dinámico preciso de la velocidad y el par y es eficiente en un amplio rango de operación.
 
También se puede utilizar una técnica sin sensores; un derivador monitorea la corriente del motor, y el algoritmo compara los resultados con un modelo matemático almacenado de los parámetros de operación del motor. Este método reduce el costo de los dispositivos de retroalimentación, pero aumenta significativamente los requisitos de procesamiento del MCU.

Comparación de estrategias de control BLDC

¿Cómo se comparan las diferentes estrategias de control? Como cabría esperar, el enfoque trapezoidal simple tiene el peor control de torque, pero no exige demasiado del microcontrolador o del dispositivo de control. En el otro extremo del espectro, el método de control vectorial (también llamado control orientado al campo, o FOC) ofrece un excelente control tanto de la velocidad como del torque, pero los requisitos del microcontrolador son exigentes.

Diferencia entre motores con escobillas y sin escobillas

Sin un conmutador mecánico ni escobillas para desgastarse, los motores de corriente continua sin escobillas son de bajo mantenimiento y no generan chispas. Además, tienen menos fricción e inercia del eje, menos ruido audible y mejores relaciones de par a peso (densidad de potencia), por lo que son mucho más pequeños en tamaño que un motor de corriente continua con escobillas comparable.
 
En comparación con los motores de corriente continua con escobillas, los motores BLDC tienen varias ventajas de rendimiento. Tienen un alto par de arranque, y el par es constante hasta la velocidad nominal. Debido al control electrónico en tiempo real, su regulación de velocidad es precisa e insensible a las variaciones de carga. Dado que el calor se genera en el estator externo y no en el rotor interno, son más fáciles de mantener frescos. Y la falta de escobillas significa que producen menos ruido eléctrico y pueden funcionar a velocidades más altas—hasta 100,000 RPM en algunos casos.

Soluciones disponibles para el control de motores de corriente continua con y sin escobillas

Como hemos visto, aunque el control simple del motor DC de escobillas es fácil de lograr, el control más preciso de BDC y el control de BLDC no son nada sencillos.
 
La buena noticia es que existen múltiples soluciones disponibles que combinan motores con los controladores adecuados. A nivel de dispositivo, Arrow Electronics ofrece numerosos controladores de motores de proveedores líderes, para motores con escobillas y motores sin escobillas. Además, dado que el control de motores es un gran mercado, muchos proveedores ofrecen kits de desarrollo, diseños de referencia y bibliotecas de software dirigidos al control de motores DC.

Motores con escobillas vs. sin escobillas: ¿Cuál es mejor para ti?

Tienes muchas opciones disponibles cuando se trata de elegir la tecnología de motor de corriente continua adecuada según tu aplicación.
 
¿Qué tal un dispositivo médico con limitaciones de espacio donde el mantenimiento no es una opción? Comienza a considerar una solución sin escobillas. ¿Es tu principal preocupación el bajo costo? Quizás un motor de corriente continua con imán permanente sea adecuado para ti.
 
¿Se necesita un control muy preciso? Considera un BLDC, quizás con una estrategia de control digital. ¿Esquema de control simple? Echa un vistazo a una opción con escobillas.
 
En cualquier caso, ahora que entiendes los méritos relativos de la tecnología de motores sin escobillas frente a los con escobillas, deberías estar en una mejor posición para hacer la mejor elección.