Os motores sen escobillas son unha variedade de motores eléctricos que, a diferenza dos motores de cepillo ou carbón convencionais, A eliminación do carbón vexetal nos motores sen escobillas aumenta a eficiencia e a lonxevidade destes motores en comparación cos motores de carbón convencionais.
Debido ás numerosas vantaxes dos motores sen escobillas, as nosas moitas ferramentas usan motores sen escobillas para acompañalo coa súa potencia única en calquera situación. Unha vida útil máis longa, un peso lixeiro e unha menor produción de ruído están entre as características que distinguen estes motores dos motores de carbón.
Os motores son máquinas de entrega de enerxía
Cando os enxeñeiros se enfrontan ao reto de deseñar equipos eléctricos para realizar tarefas mecánicas, poden pensar en como se converten os sinais eléctricos en enerxía. Así, os actuadores e os motores están entre os dispositivos que converten os sinais eléctricos en movemento. Os motores intercambian enerxía eléctrica por enerxía mecánica.
O tipo de motor máis sinxelo é o motor DC escovado. Neste tipo de motores, a corrente eléctrica pasa por bobinas dispostas dentro dun campo magnético fixo. A corrente xera campos magnéticos nas bobinas; isto fai que o conxunto da bobina xire, xa que cada bobina é afastada do polo semellante e tirada cara ao polo diferente do campo fixo. Para manter a rotación, é necesario invertir continuamente a corrente, para que as polaridades das bobinas cambien continuamente, facendo que as bobinas sigan "perseguindo" os polos fixos diferentes. A enerxía das bobinas é subministrada a través de cepillos condutores fixos que entran en contacto cun conmutador xiratorio; é a rotación do conmutador o que provoca a inversión da corrente polas bobinas. O conmutador e as escobillas son os compoñentes clave que distinguen o motor de corrente continua con escobillas doutros tipos de motores. A figura 1 ilustra o principio xeral do motor con escobillas.
Figura 1: Funcionamento do motor de corrente continua con escobillas.
Os cepillos fixos proporcionan enerxía eléctrica ao conmutador xiratorio. Cando o conmutador xira, cambia continuamente a dirección da corrente nas bobinas, invertendo as polaridades da bobina para que as bobinas manteñan a rotación cara á dereita. O conmutador xira porque está unido ao rotor no que están montadas as bobinas.
Os motores difiren segundo o seu tipo de potencia (AC ou DC) e o seu método para xerar rotación (Figura 2). A continuación, analizamos brevemente as características e usos de cada tipo.
Diferentes tipos de motores
Os motores DC cepillados, que presentan un deseño sinxelo e un control sinxelo, úsanse amplamente para abrir e pechar as bandexas de discos. Nos automóbiles, adoitan usarse para retraer, estender e colocar ventás laterais eléctricas. O baixo custo destes motores fai que sexan aptos para moitos usos. Non obstante, un inconveniente é que as escobillas e os conmutadores tenden a desgastarse relativamente rápido como resultado do seu contacto continuo, o que require unha substitución frecuente e un mantemento periódico.
Un motor paso a paso é impulsado por pulsos; xira nun ángulo específico (paso) con cada pulso. Debido a que a rotación está controlada con precisión polo número de pulsos recibidos, estes motores úsanse amplamente para implementar axustes de posición. Adoitan usarse, por exemplo, para controlar a alimentación de papel en máquinas de fax e impresoras, xa que estes dispositivos alimentan o papel en pasos fixos, que se correlacionan facilmente coa conta de pulsos. A pausa tamén se pode controlar facilmente, xa que a rotación do motor detense instantaneamente cando se interrompe o sinal de pulso.
Cos motores síncronos, a rotación é sincrónica coa frecuencia da corrente de alimentación. Estes motores utilízanse a miúdo para impulsar as bandexas xiratorias nos fornos microondas; pódense utilizar engrenaxes redutores na unidade do motor para obter as velocidades de rotación adecuadas para quentar alimentos. Nos motores de indución, tamén, a velocidade de rotación varía coa frecuencia; pero o movemento non é sincrónico. No pasado, estes motores utilizábanse a miúdo en ventiladores eléctricos e lavadoras.
Hai varios tipos de motores de uso común. Nesta sesión, analizamos as vantaxes e aplicacións dos motores de CC sen escobillas.
Por que xiran os motores BLDC?
Como o seu nome indica, os motores de CC sen escobillas non usan escobillas. Con motores escovados, as escobillas entregan corrente a través do conmutador ás bobinas do rotor. Entón, como un motor sen escobillas pasa corrente ás bobinas do rotor? Non é así, porque as bobinas non están situadas no rotor. Pola contra, o rotor é un imán permanente; as bobinas non xiran, senón que están fixadas no estator. Debido a que as bobinas non se moven, non hai necesidade de escobillas nin conmutador. (Consulte a figura 3.)
Co motor escovado, a rotación conséguese controlando os campos magnéticos xerados polas bobinas do rotor, mentres que o campo magnético xerado polos imáns estacionarios permanece fixo. Para cambiar a velocidade de rotación, cambia a tensión das bobinas. Cun motor BLDC, é o imán permanente que xira; a rotación conséguese cambiando a dirección dos campos magnéticos xerados polas bobinas estacionarias circundantes. Para controlar a rotación, axusta a magnitude e dirección da corrente nestas bobinas.
Dado que o rotor é un imán permanente, non necesita corrente, eliminando a necesidade de escobillas e conmutador. A corrente ás bobinas fixas é controlada desde o exterior.
Vantaxes dos motores BLDC
Un motor BLDC con tres bobinas no estator terá seis fíos eléctricos (dous para cada bobina) que se estenden desde estas bobinas. Na maioría das implementacións, tres destes fíos estarán conectados internamente, cos tres fíos restantes que se estenden desde o corpo do motor (en contraste cos dous fíos que se estenden desde o motor cepillado descrito anteriormente). O cableado na carcasa do motor BLDC é máis complicado que simplemente conectar os terminais positivo e negativo da célula de potencia; miraremos máis detidamente como funcionan estes motores na segunda sesión desta serie. A continuación, rematamos vendo as vantaxes dos motores BLDC.
Unha gran vantaxe é a eficiencia, xa que estes motores poden controlar continuamente coa máxima forza de rotación (par). Os motores con escobillas, pola contra, alcanzan o par máximo só en certos puntos da rotación. Para que un motor con escobillas proporcione o mesmo par que un modelo sen escobillas, necesitaría utilizar imáns máis grandes. É por iso que incluso os motores BLDC pequenos poden ofrecer unha potencia considerable.
A segunda gran vantaxe -relacionada coa primeira- é a controlabilidade. Os motores BLDC pódense controlar mediante mecanismos de retroalimentación para entregar con precisión o par e a velocidade de rotación desexados. O control de precisión, á súa vez, reduce o consumo de enerxía e a xeración de calor e, nos casos en que os motores funcionan con batería, prolonga a duración da batería.
Os motores BLDC tamén ofrecen unha alta durabilidade e unha baixa xeración de ruído eléctrico, grazas á falta de escobillas. Cos motores escovados, as escobillas e o conmutador desgastan como resultado do contacto en movemento continuo e tamén producen chispas onde se produce o contacto. O ruído eléctrico, en particular, é o resultado das fortes faíscas que adoitan producirse nas zonas onde as escobillas pasan sobre os ocos do conmutador. É por iso que os motores BLDC adoitan considerarse preferibles en aplicacións nas que é importante evitar o ruído eléctrico.
Aplicacións ideais para motores BLDC
Vimos que os motores BLDC ofrecen unha alta eficiencia e controlabilidade, e que teñen unha longa vida útil. Entón, para que serven? Debido á súa eficiencia e lonxevidade, úsanse amplamente en dispositivos que funcionan continuamente. Hai moito tempo que se usan en lavadoras, aire acondicionado e outros produtos electrónicos de consumo; e, máis recentemente, están a aparecer nos ventiladores, onde a súa alta eficiencia contribuíu a unha importante redución do consumo de enerxía.
Tamén se utilizan para conducir máquinas de baleiro. Nun caso, un cambio no programa de control deu lugar a un gran salto na velocidade de rotación, un exemplo da superlativa controlabilidade que ofrecen estes motores.
Os motores BLDC tamén se usan para facer xirar discos duros, onde a súa durabilidade fai que as unidades funcionen de forma fiable a longo prazo, mentres que a súa eficiencia energética contribúe á redución de enerxía nunha área na que isto é cada vez máis importante.
Cara a un uso máis amplo no futuro
Podemos esperar ver motores BLDC utilizados nunha gama máis ampla de aplicacións no futuro. Por exemplo, probablemente se usen amplamente para conducir robots de servizo, pequenos robots que ofrecen servizos en campos distintos da fabricación. Poderíase pensar que os motores paso a paso serían máis axeitados neste tipo de aplicacións, onde se poderían utilizar pulsos para controlar con precisión o posicionamento. Pero os motores BLDC son máis adecuados para controlar a forza. E cun motor paso a paso, manter a posición dunha estrutura como un brazo de robot requiriría unha corrente relativamente grande e continua. Cun motor BLDC, todo o que sería necesario é unha corrente proporcional á forza externa, o que permite un control máis eficiente. Os motores BLDC tamén poden estar substituíndo aos simples motores de CC escovados nos carros de golf e carros de mobilidade. Ademais da súa mellor eficiencia, os motores BLDC tamén poden ofrecer un control máis preciso, o que á súa vez pode prolongar aínda máis a vida útil da batería.
Os motores BLDC tamén son ideais para drons. A súa capacidade para ofrecer un control de precisión fainos especialmente axeitados para drons multirotor, onde a actitude do dron se controla controlando con precisión a velocidade de rotación de cada rotor.
Nesta sesión, vimos como os motores BLDC ofrecen unha excelente eficiencia, controlabilidade e lonxevidade. Pero un control coidadoso e axeitado é esencial para aproveitar ao máximo o potencial destes motores. Na nosa próxima sesión, veremos como funcionan estes motores.
Hora de publicación: 21-ago-2023