¿Cuál es la diferencia entre un motor con escobillas y sin escobillas?

¿Cuál es la diferencia entre un motor con escobillas y sin escobillas?

Figura 1: Diferencia entre un motor con escobillas y sin escobillas

Motores Brushed vs Brushless, ¿cuáles son las diferencias?

Los motores de CC con y sin escobillas son dos tipos distintos de motores eléctricos. En términos simples, la diferencia es que los motores con escobillas tienen escobillas de contacto eléctrico, que hacen que el motor gire. Por otro lado, los motores sin escobillas dependen de la electrónica en lugar de las escobillas para hacer girar el motor. Otra forma de describirlo es que los motores sin escobillas tienen imanes giratorios en el centro, mientras que los motores con escobillas tienen imanes estacionarios en el exterior.

La Figura 1 muestra la diferencia visual entre los dos, sin embargo el funcionamiento de cada uno también es completamente diferente. La principal diferencia entre ellos es el tipo de conmutación que utilizan:

1. Método de conmutación:
   • Los motores con escobillas utilizan escobillas mecánicas y un conmutador para cambiar la dirección de la corriente en los devanados, lo que a su vez genera un campo magnético para producir par y hacer girar el motor.
   • Los motores sin escobillas, por otro lado, utilizan control electrónico y sensores magnéticos (por ejemplo, sensores de efecto Hall) para cambiar la dirección de la corriente en los devanados sin ningún contacto mecánico. Este control electrónico suele tener la forma de un controlador externo o un controlador de velocidad electrónico integrado (ESC).
2. Eficiencia:
   • Los motores sin escobillas son generalmente más eficientes que los motores con escobillas porque no tienen la fricción ni las pérdidas de energía asociadas con las escobillas y los conmutadores. Esto conduce a un mejor rendimiento, tiempos de ejecución más prolongados y un menor consumo de energía.
3. Mantenimiento y vida útil:
   • Los motores con escobillas requieren más mantenimiento debido al desgaste de las escobillas y los conmutadores, lo que eventualmente puede provocar una disminución en el rendimiento y fallas del motor. Es necesario reemplazar los cepillos periódicamente para mantener un rendimiento óptimo.
   • Los motores sin escobillas tienen menos piezas móviles y no tienen contactos mecánicos, lo que da como resultado una vida útil más larga y menores requisitos de mantenimiento.
4. Ruido y vibración:
   • Los motores sin escobillas suelen producir menos ruido y vibración en comparación con los motores con escobillas porque no tienen escobillas ni conmutadores que puedan causar ruido mecánico.
5. Costo y complejidad:
   • Los motores sin escobillas son generalmente más caros y complejos debido a la necesidad de sistemas de control electrónicos para la conmutación. Sin embargo, sus ventajas en términos de eficiencia, vida útil y mantenimiento a menudo superan la diferencia de costo inicial.

Diagrama del motor sin escobillas

En el rotor de un motor sin escobillas hay imanes permanentes, mientras que el estator alberga los devanados. Esta disposición es opuesta a las ubicaciones del estator y el rotor en un motor de CC con escobillas. Los motores de CC con escobillas inician la rotación cuando se suministra corriente a los devanados a través del conmutador y las escobillas. A medida que el motor gira, los pares subsiguientes de conmutador y escobillas se energizan, dirigiendo el flujo de corriente hacia diferentes devanados y manteniendo la rotación. Los motores sin escobillas logran la conmutación sin depender de escobillas o conmutadores. En su lugar, utilizan sensores de polos magnéticos (como elementos Hall o circuitos integrados de efecto Hall) para identificar las posiciones de los polos magnéticos de los imanes permanentes. Además, se requieren controladores para guiar el flujo de corriente a través de los devanados de acuerdo con las posiciones de los polos magnéticos detectadas.

Principios del motor sin escobillas

Para describir los principios de rotación de los motores sin escobillas, consideremos un modelo trifásico de 2 polos simplificado como se muestra en la Figura 2.

Los imanes del rotor constan de polos norte y sur, cada uno con un ángulo de polo magnético de 180°. Los sensores de polo magnético Ha, Hb y Hc están colocados a 120° de distancia y detectan el polo norte de los imanes del rotor y generan posteriormente una señal.

Con respecto al estator, la bobina de fase U, la bobina de fase V y la bobina de fase W también están colocadas a 120° de distancia y están desplazadas de los sensores de polo magnético en 60°.

Cuando la corriente fluye desde el circuito de accionamiento al motor para cada devanado de fase del estator, se crea un polo sur en el lado del diámetro interior del estator. Por el contrario, cuando la corriente fluye en la dirección opuesta, se genera un polo norte en el lado del diámetro interior del estator. La Figura 3 ilustra la condición cuando la corriente fluye de la fase U a la fase V.

 Figura 3: Principio simplificado del motor sin escobillas

Método de control de un motor Brushless

Un motor sin escobillas está controlado por un controlador electrónico que regula la potencia suministrada al motor. Los siguientes son los pasos básicos para controlar un motor de CC sin escobillas:

1. Sensores de efecto Hall: los motores sin escobillas utilizan sensores de efecto Hall para determinar la posición del rotor y proporcionar retroalimentación al controlador.
2. Conmutación electrónica: el controlador electrónico utiliza la información de los sensores de efecto Hall para determinar la secuencia adecuada de corriente que se suministrará a los devanados del estator.
3. MOSFET o IGBT de potencia: el controlador utiliza MOSFET o IGBT de potencia para conmutar la corriente suministrada a los devanados del estator.
4. Señales PWM: el controlador utiliza señales de modulación de ancho de pulso (PWM) para regular la velocidad y el par del motor ajustando el ciclo de trabajo de las señales PWM.
5. Señales de entrada: el controlador recibe señales de entrada de una fuente de control, como un microcontrolador, para establecer la velocidad y dirección deseadas del motor.

El método preciso para controlar un motor sin escobillas depende del motor y controlador específicos utilizados, pero estos pasos brindan una descripción general del proceso.

¿Cómo se controla la velocidad de un sin escobillas motor

La velocidad de un motor de CC sin escobillas se controla ajustando la frecuencia de la energía eléctrica suministrada al motor. Los siguientes son los pasos básicos para controlar la velocidad de un motor sin escobillas:

1. Controlador electrónico: Se utiliza un controlador electrónico para regular la potencia suministrada al motor.
2. Señales PWM: el controlador utiliza señales de modulación de ancho de pulso (PWM) para ajustar la frecuencia de la energía suministrada al motor. Al cambiar el ciclo de trabajo de las señales PWM, se puede variar el voltaje promedio aplicado al motor, lo que a su vez afecta su velocidad.
3. Señales de entrada: el controlador recibe señales de entrada de una fuente de control, como un microcontrolador, para establecer la velocidad deseada del motor.
4. Retroalimentación del motor: en algunos casos, se puede usar un mecanismo de retroalimentación, como un tacómetro o codificador, para monitorear la velocidad del motor y proporcionar retroalimentación al controlador, que luego puede ajustar las señales PWM para mantener una velocidad constante.

Controlar la velocidad de un motor de CC sin escobillas implica ajustar la frecuencia de la energía eléctrica suministrada al motor mediante señales PWM y control electrónico.

¿Qué tipo de controlador necesitas para un motor sin escobillas?

Un motor de CC sin escobillas requiere un controlador electrónico, a menudo denominado controlador electrónico de velocidad (ESC), para regular la potencia suministrada al motor. El CES es responsable de las siguientes tareas:

1. Monitoreo de la posición del rotor: los motores sin escobillas utilizan sensores de efecto Hall para determinar la posición del rotor y proporcionar retroalimentación al controlador.
2. Conmutación: el controlador utiliza la información de los sensores de efecto Hall para determinar la secuencia adecuada de corriente que se suministrará a los devanados del estator.
3. Conmutación de energía: el controlador utiliza MOSFET o IGBT de potencia para conmutar la corriente suministrada a los devanados del estator.
4. Control de velocidad: el controlador utiliza señales de modulación de ancho de pulso (PWM) para regular la velocidad y el par del motor ajustando el ciclo de trabajo de las señales PWM.
5. Señales de entrada: el controlador recibe señales de entrada de una fuente de control, como un microcontrolador, para establecer la velocidad y dirección deseadas del motor.

Diagrama del motor cepillado

Figura 6: estructura del motor con escobillas

Un motor con escobillas es un tipo de motor eléctrico de CC que consta de varios componentes clave que trabajan juntos para convertir la energía eléctrica en energía mecánica. Los componentes principales de un motor con escobillas son el rotor, el estator, el conmutador y las escobillas, como se muestra en la Fig. 6. A continuación se muestra una descripción de cada componente y cómo contribuyen a la estructura del motor:

1. Rotor (Armadura): El rotor, también conocido como armadura, es la parte giratoria del motor con escobillas. Consiste en bobinas de alambre enrolladas alrededor de un núcleo de hierro, que crea un electroimán cuando la corriente pasa a través de él. El campo magnético del rotor interactúa con el campo magnético del estator, generando torque y haciendo que el rotor gire, impulsando el eje del motor.
2. Estator: El estator es la parte estacionaria del motor con escobillas. Alberga imanes permanentes, normalmente montados en la superficie interior, que proporcionan un campo magnético fijo. El campo magnético del estator interactúa con el campo magnético del rotor, creando el par necesario para la rotación.
3. Conmutador: El conmutador es un componente crucial de un motor con escobillas, responsable de cambiar la dirección de la corriente en los devanados del rotor. Es un cilindro metálico segmentado unido al rotor, con cada segmento conectado a un extremo de los devanados del rotor. A medida que el rotor gira, el conmutador gira junto con él, haciendo contacto con las escobillas.
4. Escobillas: Las escobillas son componentes conductores fijos que mantienen contacto eléctrico con el conmutador giratorio. Por lo general, están hechos de carbono o grafito, lo que garantiza una baja fricción y desgaste. Las escobillas proporcionan la conexión eléctrica entre la fuente de energía y los devanados del rotor a través del conmutador. A medida que el conmutador gira, las escobillas se deslizan sobre su superficie, energizando sucesivamente diferentes devanados del rotor, lo que a su vez hace que el campo magnético del rotor cambie y mantenga la rotación.

Un motor con escobillas consta de un rotor con bobinas enrolladas, un estator con imanes permanentes, un conmutador y escobillas. La interacción entre los campos magnéticos del rotor y del estator genera par, mientras que el conmutador y las escobillas trabajan juntos para cambiar la corriente en los devanados del rotor, asegurando una rotación continua.

Principios detrás de un motor Brushed

Los motores de CC emplean devanados de alambre en espiral para generar un campo magnético. En un motor con escobillas, estos devanados están unidos al rotor, que puede girar libremente y acciona un eje. A menudo, las bobinas están envueltas alrededor de un núcleo de hierro, aunque algunos motores con escobillas son "sin núcleo", con devanados autoportantes. La parte estacionaria del motor, conocida como "estator", utiliza imanes permanentes para establecer un campo magnético fijo. Estos imanes generalmente están situados en la superficie interna del estator, rodeando el rotor. La figura 7 muestra mayor detalle.

Para crear torque y hacer que el rotor gire, el campo magnético del rotor debe girar continuamente, interactuando con el campo fijo del estator a través de atracción y repulsión. Un interruptor eléctrico deslizante facilita este campo giratorio. Este interruptor comprende un conmutador, normalmente un contacto segmentado montado en el rotor y escobillas fijas montadas en el estator.

Figura 7:Principios detrás de un motor Brushed

¿Cómo se controla la velocidad de un cepillado motor

La velocidad de un motor de CC con escobillas se puede controlar ajustando el voltaje aplicado a sus terminales. Los siguientes son los pasos básicos para controlar la velocidad de un motor de CC con escobillas:

1. Fuente de alimentación: Se conecta una fuente de alimentación de CC a los terminales del motor para proporcionar la energía eléctrica necesaria para hacer girar el motor.
2. Control de velocidad: Para controlar la velocidad del motor, el voltaje aplicado al motor se puede ajustar usando una resistencia o una señal de modulación de ancho de pulso (PWM) como se muestra en la Fig. 8. Cuanto menor sea el voltaje aplicado al motor, más lento girará. Hemos escrito un artículo separado sobre Controladores de velocidad aquí
3. Señales de entrada: el voltaje aplicado al motor se puede controlar mediante señales de entrada desde una fuente de control, como un microcontrolador, para establecer la velocidad deseada.
4. Control de retroalimentación: en algunos casos, se puede usar un mecanismo de retroalimentación, como un tacómetro o codificador, para monitorear la velocidad del motor y proporcionar retroalimentación a un controlador, que luego puede ajustar el voltaje para mantener una velocidad constante.

Controlar la velocidad de un cepillado. motor de corriente continua Implica ajustar el voltaje aplicado a sus terminales, ya sea directamente o mediante el uso de un mecanismo de retroalimentación para regular su velocidad.

Figura 8: Control de la velocidad de un motor con escobillas

En resumen, un motor de CC sin escobillas requiere un controlador electrónico de velocidad (ESC) para regular la potencia suministrada al motor y controlar su velocidad y par.

¿Cómo se conecta un motor sin escobillas a un interruptor?

Una forma típica de controlar un motor con escobillas es utilizar un interruptor basculante.En la parte inferior de su interruptor verá 6 conectores, como se ve a continuación, que se alinearán con el diagrama de circuito del interruptor DPDT de arriba.Si se presiona el interruptor hacia la posición delantera, los conectores superior e intermedio se conectarán dentro del interruptor; si se presiona el interruptor a la posición trasera, se conectarán los conectores inferior y medio; y si el interruptor está en la posición media, el interruptor está abierto.

 A continuación se muestra un diagrama de cableado que muestra 2 motores con escobillas conectados a un interruptor.

A continuación se muestra un diagrama de cableado de la parte posterior de un interruptor basculante.

¿Qué es más caro, un motor con escobillas o sin escobillas?

En general, los motores de CC sin escobillas son más caros que los motores de CC con escobillas. La diferencia de costo se puede atribuir a la complejidad del sistema de motor sin escobillas, que requiere componentes adicionales como un controlador electrónico (ESC) y sensores de efecto Hall. El ESC y los sensores aumentan el costo del sistema, al igual que el proceso de fabricación más sofisticado requerido para los motores sin escobillas.

Sin embargo, a pesar de su mayor costo inicial, los motores sin escobillas a menudo ofrecen varias ventajas sobre los motores con escobillas, incluida una mayor eficiencia, una vida útil más larga y un mejor rendimiento, particularmente en aplicaciones de alta velocidad y alto torque. Como resultado, el mayor costo de los motores sin escobillas a menudo puede verse compensado por sus menores costos operativos y su mayor confiabilidad.

En conclusión, el coste de los motores con y sin escobillas varía según la aplicación y los requisitos específicos. Los motores sin escobillas suelen ser mucho más caros al principio, pero pueden ofrecer una vida útil más larga y una mayor eficiencia. Los motores con escobillas son ideales para la mayoría de las aplicaciones del día a día y para personas con poca o ninguna experiencia eléctrica. Es posible que encuentre motores sin escobillas utilizados para automóviles eléctricos y otros sistemas que requieren una vida útil muy larga (muchas décadas), pero fuera de esto, encontrará que los motores con escobillas representan el 95% del mercado de motores.

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