Por: Jeremy Cook
Ventajas y usos de los motores de CC sin escobilla (BLDC)
Los motoresBLDC, o motores de CC sin escobilla, tienen una serie de ventajas sobre sus homólogos tradicionales "con escobilla". Los motores sin escobilla se utilizan en drones, herramientas eléctricas, bienes de consumo, equipos de envasado, electrodomésticos y aplicaciones médicas, entre otros. En este artículo analizaremos las ventajas y desventajas relativas de los motores BLDC en comparación con otras tecnologías de motores. También aprenderemos dónde verlos en acción y cómo puede ponerlos en práctica.
¿Qué es un motor BLDC?
Los motores de CC sin escobilla activan secuencialmente un conjunto de bobinas electromagnéticas en el estator del motor (sección estacionaria) para producir una fuerza en los imanes permanentes dispuestos en el rotor del motor (sección giratoria). Las bobinas del estator deben recibir energía de un conductor especializado siguiendo un patrón específico con direcciones eléctricas y, por tanto, magnéticas variables. Los motores BLDC funcionan de forma mucho más eficiente que los motores de CC con escobilla, dadas las mismas cargas y velocidades.
Para ejecutar este patrón, el conductor debe conocer la posición del rotor en cada momento. Los motores BLDC disponen de un control de bucle cerrado, normalmente a través de un sensor de efecto Hall o mediante la detección de contrafuerza electromagnética. El rendimiento rotacional puede controlarse con un alto grado de precisión variando la velocidad de la secuencia de bobinas. Los motores BLDC comparten algunas similitudes con los motores de pasos, pero los BLDC están optimizados para alta velocidad, mientras que los de pasos, que utilizan una configuración de bucle abierto, están optimizados para un posicionamiento preciso.
Tipos de motor BLDC
Existen dos estilos principales de motor BLDC: inrunner y outrunner.
- Los BLDC outrunner tienen imanes permanentes en la sección exterior que se mueve al girar el eje de salida. Los BLDC suelen tener más torque para un tamaño determinado que los motores inrunner y funcionan a menor velocidad. Los electroimanes están dispuestos en la sección interior del estator. No se enfrían tan bien como sus homólogos inrunner, y la carcasa no proporciona tanta protección contra los elementos.
- Los BLDC inrunner disponen los electroimanes dentro de una carcasa exterior fija, mientras que los imanes permanentes están en el rotor interno. Los motores inrunner suelen girar más rápido que los motores outrunner, produciendo un torque menor con un tamaño determinado. Los motores inrunner tienen la ventaja de estar mejor protegidos de la intemperie y mejor refrigerados, ya que las bobinas de los electroimanes están unidas directamente a la carcasa exterior.
Las secciones electromagnéticas tanto del motor de inrunner como del de outrunner permanecen fijas mientras los imanes giran. Esto es diferente a lo que ocurre en un motor de CC tradicional, en el que los imanes permanecen inmóviles (fijados a la carcasa) mientras que la sección electromagnética gira. La otra diferencia fundamental es que, en lugar de temporizar la energización de la bobina basándose en un sensor de efecto Hall o en la fuerza electromagnética de retroceso, los motores de CC con escobillas utilizan escobillas físicas para transmitir la electricidad en una secuencia "programada mecánicamente".
La gran ventaja de los motores de CC con escobillas frente a los motores de CC sin escobilla es que son baratos y fáciles de usar; basta con conectarlos a la corriente continua a la tensión adecuada. Las desventajas, sin embargo, incluyen una menor eficiencia, escobillas que se desgastan debido a la fricción y chispas. Los motores de CC con escobillas también tienen menos control de salida que los motores BLDC. No tienen retroalimentación incorporada, y variar la tensión de entrada es el único método para modificar las RPM y el torque de salida.
¿Un motor BLDC es un motor de pasos, un motor de CA o algo único?
Los motores de CC sin escobilla giran en pasos secuenciales rápidos, por lo que resulta tentador incluir este dispositivo de rotación en la categoría de motores de pasos. Como ya se ha señalado, la diferencia práctica es que los BLDC suelen estar diseñados para funcionar a alta velocidad, mientras que los motores de pasos están pensados para el posicionamiento de precisión. Si necesita un motor que gire a varios miles de RPM, un BLDC es la elección adecuada frente a uno de pasos.
Al mismo tiempo, si necesita un motor que gire con precisión fracciones de revolución, hacia delante y hacia atrás, una y otra vez, los motores de pasos pueden funcionar muy bien. Tenga en cuenta que las fresadoras CNC y las impresoras 3D suelen funcionar con control de pasos durante horas mientras cada paso se mantiene perfectamente sincronizado. Los servomotores, que utilizan la retroalimentación de los sensores para determinar la distancia que recorre un motor, también pueden ser una buena opción para un posicionamiento preciso.
Dado que los motores BLDC combinan elementos de funcionamiento de pasos y servo, se puede considerar con razón que los BLDC son un sistema totalmente único. Con un excelente rendimiento y eficiencia de velocidad, realimentación integrada y bajos costos de mantenimiento, los motores BLDC son una opción atractiva para una gran variedad de proyectos de automatización.
BLDC frente a PMSM para entrada de alimentación de CA
Los motores BLDC son dispositivos de corriente continua, pero un análogo de corriente alterna se denomina motor síncrono de imanes permanentes (PMSM). En lugar de un suministro controlado de CC a cada bobina, este tipo de motor utiliza una fuente de entrada de CA con un variador de frecuencia para controlar las velocidades del motor. Los PMSM suelen ser más eficientes y producir más torque que los motores BLDC, y se emplean a menudo en vehículos eléctricos. Aunque no son lo mismo que un motor BLDC, los PMSM son una buena alternativa en muchas situaciones.
Métodos de control BLCD
Con la información rotacional proporcionada por sensores específicos o por EMF posterior, el control BLDC puede implementarse mediante uno de estos tres métodos: control trapezoidal, sinusoidal y orientado al campo (FOC).
Elcontrol trapezoidal es el método más sencillo para alimentar un BLDC, energizando cada fase en secuencia. Las bobinas se activan en estado alto o bajo, o pueden dejarse flotando. Aunque es ampliamente aplicable, a menudo no es tan eficaz como el uso de técnicas más avanzadas y puede producir ruidos audibles.
Elcontrol sinusoidal energiza cada bobina BLDC utilizando técnicas PWM de ciclo de trabajo variable para simular salidas analógicas. Esto permite una transición mucho más suave entre estados, utilizando una tabla de búsqueda para determinar la señal correcta. A menudo, las bobinas se energizan siguiendo un patrón en forma de silla de montar, en lugar de una salida sinusoidal pura.
Elcontrol orientado al campo (FOC) funciona de forma similar al control sinusoidal de salida variable, pero también tiene en cuenta las corrientes de bobinado cambiantes del motor al calcular las entradas de tensión. El FOC puede producir pares y velocidades constantes con un bajo nivel de ruido acústico y es la forma más eficaz de accionar un motor BLDC.
Aplicaciones de los motores BLDC
Las tecnologías de motores BLDC se utilizan hoy en día de forma destacada en sistemas de drones, donde coordinar cuatro o más rotores capaces de alcanzar altas velocidades, eficiencia y bajo mantenimiento es de suma importancia. También los vemos cada vez más integrados en herramientas eléctricas, aunque los modelos BLDC suelen tener un precio considerablemente superior al de sus homólogos con escobillas. Electrodomésticos como lavadoras y secadoras incluyen motores BLDC, así como algunos ventiladores y bombas.
Otras aplicaciones son los pequeños ventiladores de refrigeración de los PC, que suelen funcionar con motores BLDC. Los soportes magnéticos/ópticos que giran con precisión (discos duros y reproductores de CD/DVD/Blu-ray) también emplean esta tecnología. En términos generales, otras aplicaciones son los vehículos eléctricos (incluidas las bicicletas eléctricas), los equipos de embalaje y los dispositivos médicos.
Introducción a los motores de CC sin escobilla
Dadas sus importantes ventajas, es probable que veamos un mayor uso de la tecnología de motores BLDC en un futuro inmediato. Se espera un mayor uso de las metodologías FOC más avanzadas para mejorar la eficiencia y la potencia del motor, así como la disponibilidad de controladores cada vez más potentes.
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