Soluciones de movimiento de próxima generación: Mecanismos y beneficios de los motores BLDC
Un motor de corriente continua sin escobillas (BLDC, por sus siglas en inglés) logra la conmutación mediante un controlador electrónico y está diseñado sin colector (escobillas de carbono y anillos deslizantes). Este último es una parte de los motores tradicionales con escobillas. Este tipo de motor es conocido por su eficiencia energética, bajo mantenimiento y excelentes prestaciones generales. No es sorprendente que sea ampliamente utilizado en herramientas eléctricas, drones, vehículos eléctricos y en hogares comunes.
Una característica destacada de los motores sin escobillas y los motores tradicionales con escobillas es la diferencia entre ellos. En el caso de los motores con escobillas, un imán estacionario genera un campo magnético permanente. Al mismo tiempo, la corriente alterna que fluye a través de las bobinas del rotor genera un campo magnético perpendicular al campo magnético del imán. Este campo magnético aplica una fuerza cada vez que el rotor gira. Finalmente, el colector y las escobillas son responsables de invertir la dirección de la corriente.
Tenga en cuenta que el desgaste de las escobillas reduce la vida útil del motor y también puede generar una chispa que no es completamente segura para el usuario. En los motores sin escobillas, los imanes del campo se colocan en el estator, y hay bobinas controladas por un gestor electrónico que genera un campo magnético secuencial para mover el rotor. Estas bobinas son las que hacen innecesaria la conmutación mecánica. La ausencia de estos componentes no solo prolonga la vida útil del motor, sino que también lo hace más eficiente y confiable.
| Característica | Motor con escobillas | Motor sin escobillas |
|---|---|---|
| Método de conmutación | Mecánico (escobillas) | Electrónico |
| Durabilidad | Más corta (desgaste de las escobillas) | Más larga (sin desgaste mecánico) |
| Eficiencia | Baja (alta pérdida de energía) | Alta (baja pérdida) |
| Ruido | Mayor | Menor |
| Costo de mantenimiento | Mayor (requiere reemplazo de escobillas) | Menor (casi sin mantenimiento) |
| Aplicaciones típicas | Pequeños electrodomésticos | Drones, herramientas eléctricas |
Estructura de un motor de corriente continua sin escobillas
Un motor BLDC está compuesto por dos partes principales: el estator y el rotor. Estos trabajan en conjunto con un controlador electrónico de velocidad (ESC, por sus siglas en inglés) para lograr un funcionamiento eficiente y continuo. El estator, al enrollarse alrededor de la máquina, crea un circuito que gira, lo que permite que los imanes permanentes instalados en el rotor roten, eliminando así la necesidad de un colector en los motores tradicionales con escobillas. La forma en que funciona hace que los campos enrollados sean mucho más duraderos y efectivos, convirtiéndolos en la mejor opción para herramientas eléctricas, drones y electrodomésticos. Aunque parece complejo, sus características contribuyen a un mejor rendimiento y durabilidad.
Construcción del estator y el rotor:
Estator: Cuando se conecta mediante un hilo de cobre aislado en el estator, el mecanismo electromagnético que recibe su energía de los devanados genera un campo magnético. Las partes esenciales del estator son la laminación de acero silicio, el hilo aislado, los cojinetes y los soportes.
Rotor: El rotor es la parte que se carga y está fabricado, por ejemplo, con materiales de imán permanente. Alrededor de él hay un eje, imanes y otras piezas necesarias. El rendimiento está directamente relacionado con el número de polos magnéticos: más polos generan un mayor par a costa de una menor velocidad, y viceversa.
Funciones de los componentes clave:
Imanes: Los imanes suelen estar hechos de imanes de neodimio, que son conocidos como imanes NdFeB (Neodimio-Iron-Boro). Estos imanes están compuestos por neodimio (Nd), hierro (Fe) y boro (B), y definen una familia de imanes permanentes. Poseen cualidades magnéticas extraordinarias y son entre los imanes más fuertes conocidos. La estructura eléctrica especial del átomo de neodimio genera un campo magnético intenso, lo que hace que los imanes de neodimio sean mucho más fuertes que muchos otros imanes de masa comparable. Estos imanes establecen la potencia, velocidad y par del motor. Los imanes de alto rendimiento hacen que el motor no solo sea más fuerte, sino también más eficiente en el consumo de energía.
Láminas de acero silicio: Estas reducen la reluctancia magnética del motor y aumentan su eficiencia mediante el diseño laminado.
Eje y rodamientos: El eje transmite la fuerza de rotación y debe ser muy resistente y duradero; los rodamientos reducen la fricción y garantizan un funcionamiento suave y duradero.
Principio de funcionamiento de los motores de corriente continua sin escobillas
El motor BLDC utiliza un controlador electrónico, y el concepto es regular la corriente para que el motor haga girar el rotor sin dañarse por el colector mecánico tradicional utilizado en los motores con escobillas. El motor BLDC genera un campo magnético rotatorio a través de los devanados del estator, lo que pone en movimiento los imanes permanentes en el rotor. Según la disposición del devanado, un motor BLDC puede ser de una fase, dos fases o tres fases, siendo el de tres fases la opción preferida para electrodomésticos, herramientas eléctricas y equipos industriales, ya que es muy eficiente y estable.
El motor BLDC de una fase generalmente utiliza solo un conjunto de devanados, los cuales son accionados por una fuente de una fase. Este tipo de circuito de control emplea principalmente un puente en H, donde las señales de retroalimentación se utilizan para detectar el cambio de signo que precede a la fuerza motriz del rotor. Este tipo de motores es fácil de fabricar y su construcción es sencilla. La mencionada ventaja es la razón principal por la cual estos motores son ampliamente utilizados en ventiladores de enfriamiento o pequeños electrodomésticos.
El motor BLDC de dos fases se caracteriza por tener dos conjuntos de devanados, los cuales suelen colocarse de manera ortogonal y son accionados por una fuente de dos fases. En cuanto a las características operativas, el diseño de dos fases es solo superado por el de tres fases, pero supera al motor de una fase en términos de eficiencia y reducción de la sensación de "tirones". Se considera poco común en algunas áreas.
El motor BLDC de tres fases tiene tres conjuntos de devanados, que generalmente están interconectados en configuración estrella (Y) o delta (Δ). Es controlado mediante un circuito puente completo de tres fases con un método de conmutación de seis pasos que cambia la dirección de la corriente según las señales de retroalimentación para mover el rotor. Los motores BLDC de múltiples fases superan ampliamente a los motores de una fase en términos de regulación de velocidad, funcionamiento silencioso y supresión de ruido. Esto ha resultado en una amplia aplicación en drones, vehículos eléctricos y equipos de automatización industrial.
| Característica | Motor BLDC de una fase | Motor BLDC de dos fases | Motor BLDC de tres fases |
|---|---|---|---|
| Número de devanados | Un solo conjunto | Dos conjuntos (dispuestos ortogonalmente) | Tres conjuntos (configuración estrella o delta) |
| Circuito de control | Puente en H (4 MOSFET) | 4 o más MOSFET | Puente completo de tres fases (6 MOSFET) |
| Eficiencia | Baja (aproximadamente del 70% al 80%) | Moderada (aproximadamente del 75% al 85%) | Alta (aproximadamente del 80% al 90%) |
| Ruido y suavidad | Promedio | Moderado | Excelente |
| Aplicaciones típicas | Ventiladores de enfriamiento, electrodomésticos pequeños | Pequeñas bombas de agua, motores de baja velocidad | Drones, vehículos eléctricos, equipos industriales |
| Costo | Menor | Moderado | Mayor |
Inicialmente, los motores BLDC utilizaban principalmente el control PWM de onda cuadrada, un método sencillo pero que también podía generar vibraciones y ruido. Actualmente, en los sistemas modernos se prefiere el control PWM sinusoidal o el control orientado al campo (FOC), ya que ambos han comenzado a dominar sobre el PWM de onda cuadrada en la conducción. El PWM sinusoidal (SPWM) y el FOC imitan formas de onda senoidales suaves, lo que conduce a una optimización de la salida de corriente.
Aplicaciones de los motores BLDC
El motor BLDC es conocido por sus ventajas, como alta eficiencia, bajo ruido y larga vida útil. Esto ha hecho que los motores BLDC amplíen su área de aplicación a sectores como la automoción, el control industrial, la automatización, la aeroespacial y los electrodomésticos y electrónica de consumo. Tres tipos de motores BLDC, con aplicaciones típicas, se diferencian según el tipo de carga y los requisitos de control: aplicaciones con carga continua, aplicaciones con carga variable y aplicaciones de posicionamiento.
Este tipo de aplicación es ideal para demandas de velocidad moderada, pero implica funcionamiento estable, constante y a largo plazo, y generalmente utiliza control en bucle abierto para mantener la simplicidad y la rentabilidad.
1. Aplicaciones con carga continua
Las aplicaciones mencionadas generalmente se utilizan en casos donde una máquina opera con baja potencia, y el rendimiento se basa en una velocidad moderada y constante. En este modo de operación, la característica de confiabilidad es de suma importancia. En la mayoría de los casos, estos sistemas son controlados por un método de bucle abierto, lo que hace que el diseño sea sencillo y rentable; por ello, es una opción fácil y adecuada para requisitos comunes.
2. Aplicaciones con carga variable
Estos son principalmente controladores ahorradores de energía utilizados en aplicaciones de control en bucle abierto, con un diseño simple y rentable para satisfacer las necesidades básicas de la mayoría de los usuarios. Mientras tanto, estos sistemas no solo pueden variar la corriente y el voltaje, sino que también pueden usarse en bucle parcialmente cerrado o abierto según las necesidades energéticas del usuario, lo que los hace más amigables con el medio ambiente y de alta utilidad.
3. Aplicaciones de posicionamiento
Estos dispositivos, además de diseñar productos, también se centran en el control de velocidad del producto completo con la ayuda del motor. Las últimas tecnologías de control en bucle cerrado, incluyendo metodologías innovadoras como el control orientado al campo, garantizan que las tareas más difíciles y precisas puedan resolverse mediante un rendimiento significativamente mejorado, asegurado por los sistemas de control en bucle cerrado.
Características y ventajas de los motores de corriente continua sin escobillas
Los motores de corriente continua sin escobillas son reconocidos como una solución de potencia ideal para uso residencial e industrial, ya que su diseño y rendimiento excepcional superan a los de los motores tradicionales con escobillas, los motores de frecuencia variable y los motores asíncronos.
Sin conmutación mecánica
Al no tener pérdidas por excitación ni fricción causadas por escobillas de carbón, los motores BLDC logran eficiencias del 85%-90%, superando ampliamente la eficiencia del 60%-70% de los motores con escobillas. Dependiendo de las condiciones de carga, los ahorros energéticos generales pueden oscilar entre el 20% y el 60%.
Alta eficiencia y ahorro energético
Los motores BLDC pueden reemplazar sin problemas los sistemas tradicionales de control de velocidad de motores de corriente continua, combinaciones de motores de frecuencia variable con inversores, y motores asíncronos acoplados con cajas de engranajes. De manera similar, los electrodomésticos pueden actualizarse con motores BLDC para simplificar el diseño y reducir el consumo de energía.
Fuerte versatilidad y potencial de reemplazo
De tamaño compacto y ligero, los motores BLDC entregan una alta potencia de salida. Ofrecen un alto par de arranque, bajo consumo de corriente al arrancar, un amplio rango de velocidad y una fuerte capacidad de sobrecarga.
Rendimiento superior
Al permitir arranques y paradas suaves, los motores BLDC ofrecen un excelente rendimiento de frenado, con niveles de ruido tan bajos como 30-40 decibelios y mínima vibración. Esto hace que los electrodomésticos sean más silenciosos y que el equipo industrial sea más estable, prolongando su vida útil y mejorando significativamente la experiencia del usuario.
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