Prefacio
En los últimos años, el debate sobre los motores eléctricos ha estado dominado por los motores sin escobillas. Esto se debe a que ofrecen mejores prestaciones, fiabilidad y eficiencia que los motores con escobillas. Los motores de corriente continua sin escobillas o ECM (motor de conmutación eléctrica) son tipos de motores que funcionan con corriente continua. Han cambiado la industria del automóvil, la robótica y los sistemas electrónicos y de refrigeración. Se elimina la necesidad de tener una escobilla y un conmutador giratorio que establezca el contacto eléctrico, lo que a su vez permite que los motores sin escobillas tengan un menor desgaste mecánico y una mayor eficiencia y vida útil.
En este artículo exploraremos en detalle la definición de motor sin escobillas, su estructura y funcionamiento y su ámbito de uso en diversas industrias.
Según un estudio, Grand View Research Markets, a partir de 2020, el valor del mercado mundial de motores de corriente continua sin escobillas alcanzó los 8,7 mil millones de dólares, y se espera que su tamaño se expanda a una tasa de crecimiento anual compuesto (CAGR) de 7,5% para el período de 2021 a 2028. Esta tendencia se atribuye a la creciente integración de los motores eléctricos en diferentes espacios. Otra razón de esta tendencia serían los giros del rotor, que hacen que los motores BLDC ofrezcan un mejor control.
¿Qué es un motor sin escobillas?
Un motor sin escobillas es un tipo de motor que emplea bobinas electromagnéticas en el estator y un imán permanente en el rotor para producir velocidad de rotación y, como resultado, movimiento de rotación. A diferencia de los motores con escobillas tradicionales, un motor sin escobillas no contiene escobillas o cepillos físicos ni un conmutador. En su lugar, emplean la conmutación electrónica, pero siempre está dirigido por un controlador electrónico de velocidad o ESC.
Los motores sin escobillas ofrecen varias ventajas al carecer de escobillas. Entre ellas se incluyen un bajo desgaste, una alta eficacia y un menor mantenimiento. Además, los motores sin escobillas, gracias a su avanzado sistema de diseño de control, tienden a alcanzar mayores velocidades y generar más par que sus homólogos con escobillas del mismo tamaño.
¿Por qué los motores sin escobillas están ganando popularidad frente a los motores con escobillas?
Ha habido una afluencia de motores sin escobillas en muchas industrias debido a sus ventajas sobre otros motores. Sin embargo, este aumento de popularidad puede atribuirse a algunos factores clave, entre ellos.
Alta eficacia: Un motor sin escobillas es conocido por su mayor eficiencia energética, ya que no hay fricción ni pérdidas de energía mecánica debidas a escobillas y conmutadores que tienen muchos otros dispositivos. Esto se traduce en un mayor ahorro de energía y una mayor vida útil de la batería en aplicaciones portátiles.
Bajo mantenimiento: La ausencia de escobillas en los motores sin escobillas elimina la necesidad de un mantenimiento regular, como el desgaste de las escobillas. Por tanto, los costes de mantenimiento son menores y la fiabilidad es mayor.
Control preciso: Los motores sin escobillas proporcionan una velocidad de rotación y un par precisos con la ayuda de conmutación electrónica y algoritmos de control avanzados. Por lo tanto, pueden utilizarse en aplicaciones que requieren una gran exactitud y precisión de movimiento y, al mismo tiempo, suavidad de funcionamiento.
Tamaño compacto: Los motores sin escobillas son capaces de tener una mayor densidad de potencia que los motores con escobillas, lo que permite un tamaño más delgado del motor sin escobillas. Esto es especialmente ventajoso en aplicaciones en las que el espacio es limitado, como drones y aparatos portátiles.
| Atributo | Motores sin escobillas | Motores con escobillas |
|---|---|---|
| Eficacia | Alta eficacia gracias a la ausencia de fricción de los cepillos, lo que permite un mejor aprovechamiento de la energía. | Menor eficiencia debido a la pérdida de energía por la fricción de las escobillas y la conmutación. |
| Mantenimiento | Necesita poco mantenimiento, ya que no hay cepillos que sustituir. | Mayor mantenimiento debido al desgaste de las escobillas y a la necesidad de sustituirlas. |
| Precisión de control | Control preciso mediante conmutación electrónica y algoritmos de control avanzados. | Control menos preciso, limitado por las escobillas físicas y el colector. |
| Tamaño y densidad de potencia | Su compacidad y alta densidad de potencia permiten utilizar motores más pequeños y potentes. | Generalmente más grandes y menos potentes para el mismo tamaño debido a los límites mecánicos. |
| Durabilidad | Mayor vida útil al reducirse considerablemente el desgaste mecánico. | Menor vida útil debido al desgaste de escobillas y colectores. |
| Ruido e IEM | Bajo nivel de ruido e interferencias electromagnéticas, adecuado para aplicaciones sensibles. | Mayor ruido y posibilidad de interferencias electromagnéticas. |
Cómo funcionan los motores sin escobillas
Los motores sin escobillas funcionan mediante un principio conocido como inducción electromagnética. El estator de un motor sin escobillas está formado por varias bobinas electromagnéticas, mientras que el rotor lleva incorporados imanes permanentes. El flujo de corriente eléctrica a las bobinas del estator da lugar a la formación de un campo magnético que trabaja con los imanes permanentes del rotor dando lugar a la rotación del rotor convirtiendo la energía eléctrica en energía mecánica.
El papel de los imanes y los campos electromagnéticos
El rotor de un motor sin escobillas posee imanes permanentes. Estos imanes, compuestos por materiales de tierras raras como el neodimio o el cobalto de samario, se colocan de una determinada manera para formar polos norte y sur alternos que son cruciales para generar el movimiento de rotación.
Las bobinas constituyen una parte del estator y se alimentan con corriente en un orden determinado, de manera que se forma un campo magnético giratorio. Este campo actúa sobre el rotor, que tiene imanes permanentes, y produce un par que tiende a hacer girar el rotor.
Variando el orden en que se suministra la corriente a las bobinas del estator, puede ajustarse la velocidad y la dirección del rotor.
Explicación del control electrónico de velocidad (ESC)
Los motores sin escobillas emplean controladores electrónicos de velocidad conocidos como ESC para el proceso de conmutación. Estos ESC se encargan de convertir los comandos de entrada proporcionados por el usuario o un sistema de control en la sincronización correcta de los impulsos de corriente que se envían a las bobinas del estator.
Un regulador eléctrico de velocidad (ESC) controla el flujo de corriente mediante una combinación de modulación por ancho de pulsos (PWM) y control orientado al campo (FOC) para regular las revoluciones por minuto (RPM) y el par del motor. Esta disposición también se basa en elementos de realimentación como los sensores de efecto Hall o el back-EMF, ya que el tiempo de conmutación se ajusta en función de la posición del rotor. Este nivel de control del motor es también una de las principales razones por las que los motores sin escobillas se han extendido en diversos sectores.
Aplicaciones de los motores sin escobillas en diversas industrias
Los motores sin escobillas se utilizan en distintos sectores por su eficacia, fiabilidad y rendimiento superiores. Algunos de los principales sectores y aplicaciones que han buscado el uso de motores sin escobillas a gran escala incluyen:
Innovaciones en automoción con motores sin escobillas
En el mundo de la automoción, hay múltiples aplicaciones en las que los motores sin escobillas han encontrado su lugar, como la dirección asistida eléctrica, las bombas de combustible y los sistemas de refrigeración del motor. Estos motores sin escobillas son capaces de proporcionar una alta densidad de par, un control preciso y una mayor eficiencia de combustible en comparación con otros sistemas hidráulicos o mecánicos utilizados en el pasado.
Del mismo modo, los motores sin escobillas son cada vez más importantes en la fabricación de vehículos eléctricos e híbridos. Su uso es cada vez mayor, ya que los motores sin escobillas son adecuados para motores de tracción, sistemas de frenado regenerativo y sistemas de refrigeración para baterías, con el fin de mejorar la eficiencia y el rendimiento de dichos vehículos.
Impacto en la electrónica de consumo y la robótica
La industria de la electrónica de consumo se ha beneficiado enormemente de los motores sin escobillas, ya que han hecho posible la existencia de aparatos de alto rendimiento de menor tamaño, como drones, smartphones y dispositivos para llevar puestos, entre otros. El uso de motores sin escobillas en estas máquinas es ventajoso debido a la alta densidad de potencia junto con un control preciso que vienen con. Estas cualidades los hacen muy adecuados para aplicaciones en las que se desea que la máquina tenga un funcionamiento suave con una batería de larga duración.
La robótica es un campo que conlleva, entre una variedad de mecanismos, la incorporación de servomotores en motores especializados. Se trata de motores sin escobillas que encuentran aplicaciones en robots industriales, robots colaborativos (cobots) y robots de servicio. Proporcionan la precisión, el par y la velocidad necesarios, que son esenciales para las tareas de recoger y colocar, soldar e incluso manipular materiales.
Motores sin escobillas en vehículos eléctricos
La aparición de los motores sin escobillas en los vehículos eléctricos ha transformado el sector del automóvil. Se trata de una fuerza motriz de la que se encargan principalmente los motores sin escobillas, con especial atención a los motores BLDC. Como tales, presentan ventajas significativas para este tipo de aplicaciones.
Para empezar, el motor BLDC posee una alta densidad de potencia que le permite proporcionar más salida por volumen en comparación con los motores con escobillas, con lo que se consiguen diseños de motor compactos y ligeros, minimizando la masa total del vehículo y mejorando así la eficiencia energética del vehículo en su conjunto.
Además, los motores BLDC poseen una alta eficiencia en el rango de 85% a 95%. Esto es crucial, especialmente para los vehículos eléctricos, ya que una alta eficiencia se traduce en un aumento de la autonomía y una reducción del consumo de energía.
Por último, el control de los motores BLDC permite un control excepcional de las características de velocidad y par, lo que hace que la aceleración, el frenado regenerativo y la gestión eficaz de la potencia en los VE sean suaves y reactivos. Esto también mejora la maniobrabilidad y la estabilidad del vehículo.
Motores sin escobillas para ventiladores
En los sistemas de refrigeración, se evita el calentamiento de los dispositivos y sistemas mediante ventiladores de refrigeración, al tiempo que se mantiene el funcionamiento eficiente de los dispositivos. El uso de motores sin escobillas, y en particular de motores de ventilador BLDC, se está generalizando en las aplicaciones de refrigeración debido a su eficiencia en comparación con los ventiladores más convencionales.
Ventiladores BLDC vs. Ventiladores tradicionales
Los motores de CC con escobillas o los motores de inducción de CA se utilizan como motores de ventiladores de refrigeración en casi todos los diseños de serie. Estos motores solían ser de uso común debido a su fiabilidad, pero ahora tienen un par de inconvenientes en comparación con los motores de ventilador BLDC.
Los ventiladores de CC tradicionales que utilizan motores de CC con escobillas se asocian a averías tempranas porque estos motores incluyen escobillas y conmutadores que inducen desgaste mecánico. Por lo tanto, estos motores tienen una vida útil relativamente corta, son más propensos al mantenimiento y a los fallos.
Además, los motores con escobillas también introducen ruido eléctrico e interferencias electromagnéticas en el funcionamiento de los circuitos y componentes electrónicos accionados, lo que puede dificultar el funcionamiento de sistemas delicados.
En cambio, los motores de ventilador BLDC presentan una serie de ventajas frente a los ventiladores convencionales:
Mayor rendimiento: Al no haber pérdidas en las escobillas ni en el colector, el rendimiento de los motores de ventilador BLDC es mayor. Por lo tanto, permiten consumir menos energía y mejoran la eficiencia de la refrigeración.
Mayor vida útil: La ausencia de componentes con escobillas en los motores de ventilador BLDC elimina el desgaste mecánico de sus homólogos con escobillas. Esto se traduce en una vida útil más larga y menos mantenimiento.
Bajo nivel de ruido y EMI: La emisión de ruido eléctrico y EMI de los motores de ventilador BLDC es mínima, por lo que pueden utilizarse en aplicaciones electrónicas sensibles.
Control preciso de la velocidad: La utilización de una señal PWM para controlar un motor de ventilador BLDC es bastante sencilla y permite regular con precisión la velocidad para adaptarla a las necesidades de una tarea de refrigeración concreta.
Aplicaciones de los ventiladores de refrigeración BLDC
Los ventiladores de refrigeración BLDC se utilizan ampliamente en una variedad de industrias y productos como:
Electrónica de consumo: Los ventiladores de refrigeración BLDC encuentran aplicaciones en ordenadores portátiles, ordenadores de sobremesa y consolas de videojuegos o cualquier otro dispositivo electrónico que pueda requerir una buena gestión térmica para funcionar correctamente.
Automóvil: Los sistemas de refrigeración de baterías, los sistemas de climatización de vehículos y la refrigeración de la electrónica de potencia son algunas de las aplicaciones de los ventiladores BLDC en automoción.
Equipamiento industrial: Estos ventiladores también se utilizan en máquinas CNC, paneles de control industrial, fuentes de alimentación y otros equipos industriales para disipar el calor y evitar la destrucción de los equipos.
Productos sanitarios: Herramientas médicas como ventiladores, monitores de pacientes y sistemas de imagen también utilizan ventiladores de refrigeración BLDC para mantener un funcionamiento fiable y la seguridad de los pacientes.
Selección de normas para ventiladores de refrigeración BLDC
Existen numerosas normas y especificaciones que deben tenerse en cuenta al seleccionar un ventilador de aplicación, como un ventilador de refrigeración BLDC, para permitir la compatibilidad de los componentes y mejorar el rendimiento y la fiabilidad del sistema. Algunas de las normas y especificaciones clave que hay que tener en cuenta son:
Tamaño y configuración: Los tamaños y las variedades disponibles en la construcción de estos ventiladores de refrigeración BLDC incluyen sopladores, ventiladores centrífugos y ventiladores axiales. En función de las necesidades de calor y las especificaciones de espacio, las dimensiones y el tipo de montaje deben ser los adecuados.
Potencia nominal: Existen distintos ventiladores con diferentes potencias. Por ejemplo, un ventilador de refrigeración BLDC puede estar disponible en 12V, 24V o incluso 48V. Estos ventiladores deben elegirse en función de las especificaciones de la fuente de alimentación que necesite el sistema.
Eficiencia: el rendimiento de refrigeración de este ventilador depende en gran medida de la velocidad y el caudal de aire que posea. Para ello, hay que elegir un ventilador con la velocidad adecuada, rotación medida en RPM, y caudal de aire nominal en CFM o m³/h, según la capacidad de disipación de calor del sistema.
Sonido: Para facilitar las referencias y especificaciones, el rendimiento de un ventilador de refrigeración BLDC puede cuantificarse en términos de cuántos decibelios (dB) de ruido genera. El índice de ruido del ventilador debe tenerse en cuenta especialmente en los casos en los que debe mantenerse un bajo nivel de ruido, por ejemplo, en aplicaciones médicas u oficinas.
Aspectos medioambientales: un ventilador de refrigeración BLDC puede verse afectado por diferentes características ambientales como la temperatura, la humedad, el polvo y las vibraciones. Merece la pena elegir un ventilador diseñado para soportar las peculiares condiciones ambientales de una aplicación.
Con estas normas y especificaciones en mente, los ingenieros y diseñadores son capaces de elegir el mejor tipo de ventilador de refrigeración BLDC para su aplicación concreta y, de este modo, conseguir un buen rendimiento, fiabilidad y compatibilidad con todo el sistema.
Conclusión
El motor sin escobillas, también conocido como motor de corriente continua sin escobillas (BLDC) o motor de conmutación electrónica, se ha convertido en una herramienta útil en diversas industrias, ya que es más avanzado, más eficiente y más fiable que los motores con escobillas. La ausencia de escobillas y el uso de la conmutación electrónica en los motores sin escobillas proporciona varias ventajas, entre ellas, menor desgaste mecánico, mayor eficiencia, control de precisión y tamaño de volumen reducido. Lo anterior significa que prácticamente no hay contacto de alimentación en los motores BLDC, por lo que su mantenimiento es mínimo.
Los motores sin escobillas se utilizan en varios sectores, como la automoción, la robótica, los aparatos electrónicos y los sistemas de refrigeración. Son fundamentales en los modernos diseños de vehículos eléctricos, que requieren motores de tracción compactos y eficientes y sistemas de refrigeración de baterías. En los nuevos ventiladores de refrigeración, los motores de ventilador BLDC son más eficientes que los ventiladores de refrigeración tradicionales y, por tanto, más fáciles de integrar en diversos dispositivos y sistemas electrónicos.
Con la continua evolución tecnológica que se avecina, se espera que se desarrollen aún más aplicaciones para el compresor, los motores BLDC y el ventilador sin escobillas de CC, que ahora impulsarán más innovaciones en diferentes campos. El uso de la tecnología de motores sin escobillas conducirá a la creación de sistemas altamente fiables, eficientes y eficaces, al tiempo que impulsará el avance en los campos de la movilidad eléctrica, la automatización y las soluciones de refrigeración.
Preguntas frecuentes:
¿Cómo elegir el motor sin escobillas adecuado para mi proyecto?
Para seleccionar un motor sin escobillas con los límites físicos adecuados para el proyecto hay que evaluar varios criterios:
Requisitos de par: Identifique el par que será necesario para accionar su aplicación. En función de los requisitos de carga, aceleración y velocidad, determine el par que necesitará dicho sistema.
Gama de velocidades: Evalúe el rango de velocidad dentro del cual debe funcionar el motor. Los motores sin escobillas permiten altas velocidades, pero el diseño del motor y los requisitos de una aplicación concreta dictarán el rango específico.
Potencia necesaria: Utilice la velocidad y el par necesarios en el cálculo de la potencia de salida para su aplicación. Obtenga un motor sin escobillas con al menos la potencia calculada anteriormente.
Tensión y corriente nominales: Utilice un motor sin escobillas cuya tensión y corriente sean compatibles con la fuente de alimentación utilizada. Tenga en cuenta el consumo máximo de tensión y corriente del motor bajo carga.
Consideraciones de espacio y peso: Identifique el espacio disponible y el peso máximo tolerable en su aplicación. Seleccione un motor sin escobillas con factores de tamaño y peso que se ajusten cómodamente a los límites impuestos por su diseño.
Condiciones ambientales: Evalúe las condiciones de trabajo de su motor, incluidas la temperatura, la humedad y las vibraciones. Utilice un motor sin escobillas con las características ambientales y de protección adecuadas.
¿Cuáles son las ventajas de utilizar un motor sin escobillas en comparación con los motores tradicionales?
En comparación con los motores con escobillas tradicionales, los motores sin escobillas presentan las siguientes ventajas:
Las pérdidas pueden minimizarse: En un motor sin escobillas no hay pérdidas en las escobillas ni en el colector, por lo que su eficiencia es mayor. Se pueden alcanzar niveles de eficiencia de hasta 95%, lo que hace que el motor sin escobillas sea energéticamente eficiente y que las aplicaciones portátiles requieran un menor uso de la batería.
Se amplía la vida útil: Un motor sin escobillas es sin escobillas que significa que sus motores no ponen su corazón en sus músculos y aumentar la vida útil de los motores y reducir el mantenimiento en general.
Alta precisión: Los motores sin escobillas tienen una alta eficiencia inercial y precisión de par mediante la integración con diversas técnicas de control avanzadas, como la modulación por ancho de pulsos o el control orientado al campo. Esto proporciona un funcionamiento suave, un posicionamiento preciso y niveles máximos de rendimiento en una amplia gama de aplicaciones.
Alta velocidad y par motor: Los motores sin escobillas generan más par y permiten más velocidad que un motor con escobillas que tenga el mismo tamaño porque se ve que los motores con escobillas están limitados mecánicamente para lo que pueden hacer. Pero con los motores sin escobillas reventar a través de sus limitaciones con sus diseños de diamante incluido, cepillado no es un problema.
Menor ruido y EMI: Los motores sin escobillas funcionan con un ruido eléctrico y unas interferencias electromagnéticas (EMI) casi más silenciosos que los motores con escobillas. Esto los hace idóneos para su uso en entornos electrónicos delicados y en aplicaciones que requieren un bajo nivel de ruido.
Tamaño compacto y alta densidad de potencia: Los motores sin escobillas pueden alcanzar fácilmente una alta densidad de potencia, lo que permite diseños compactos y ligeros. Esto resulta muy útil en aplicaciones con limitaciones de espacio, como drones, robótica y dispositivos portátiles.
Menor mantenimiento: El uso de motores sin escobillas elimina las responsabilidades de mantenimiento periódico asociadas al desgaste de las escobillas. En consecuencia, los costes de mantenimiento se abaratan y mejora la fiabilidad.
Amplia gama de velocidades: Los motores sin escobillas son capaces de trabajar en un amplio rango de velocidades, desde bajas a altas, manteniendo un par constante. Esta característica los hace ideales para diversas aplicaciones con distintos requisitos de velocidad.
Aunque los motores sin escobillas tienen un coste inicial más elevado que los de escobillas, el ahorro de costes a largo plazo, así como un mayor rendimiento y durabilidad, compensan con creces este desembolso. Las ventajas reales de emplear un motor sin escobillas dependerán de los requisitos cualitativos y cuantitativos de la tarea aplicada y de las características estructurales del motor.
¿Cuáles son los problemas más comunes de mantenimiento y resolución de problemas de los motores sin escobillas?
Aunque los motores sin escobillas tienen menos requisitos de mantenimiento, todavía se pueden encontrar algunos esfuerzos de mantenimiento, así como algunos problemas de solución de problemas con los motores sin escobillas:
Desgaste de los rodamientos: No cabe duda de que los motores sin escobillas están equipados con cojinetes que se desgastan con el tiempo. Esto conllevaría niveles adicionales de ruido y vibración junto con los niveles de ruido que ya están presentes en el motor. Estos factores en su conjunto pueden ayudar a decidir si es necesario llevar a cabo reparaciones o la sustitución de los rodamientos es una mejor opción.
Por otra parte, también pueden producirse daños en los sistemas de aislamiento, especialmente en el caso de bobinados de estator que se encuentran en numerosas condiciones de alta humedad o alto calor. Este problema puede agravarse aún más si se rompe el aislamiento, ya que pueden producirse cortocircuitos. Este problema puede evitarse controlando regularmente la resistencia de los bobinados y cambiando los motorreductores cuando sea necesario.
Todos los tipos de motor, y los motores sin escobillas no son una excepción, funcionan dentro de unos parámetros predefinidos y esto depende normalmente del uso de sensores de efecto Hall o de tipo codificador para proporcionar una retroalimentación de posicionamiento adecuada. Estos sensores son vitales para el correcto funcionamiento del motor y si fallaran, todo el motor podría funcionar incorrectamente o no funcionar en absoluto. En la mayoría de los casos, para resolver diversos problemas relacionados con los sensores, hay que realizar varios pasos que pueden incluir: comprobar el cableado, las conexiones de los sensores y, en algunas raras situaciones, sustituir los propios sensores.
Sobrecalentamiento: Un motor sin escobillas puede sobrecalentarse cuando se opera por encima de sus especificaciones nominales o si hay falta de refrigeración. El bobinado, los imanes u otros dispositivos pueden resultar dañados por el sobrecalentamiento. Para evitar el sobrecalentamiento, es aconsejable proporcionar suficiente ventilación, utilizar técnicas de refrigeración adecuadas y limitar el funcionamiento del motor dentro de sus parámetros nominales.
Unas prácticas de uso adecuadas de los motores sin escobillas, junto con las inspecciones y reparaciones oportunas, pueden ayudar a evitar y reconocer cualquier problema potencial que pueda causar la desaparición del motor. Si los procedimientos de localización de averías no resuelven el problema, el siguiente paso consiste en ponerse en contacto con el fabricante o con técnicos de servicio cualificados.
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