Máquinas de corriente continua y motores sin escobillas
Un motor de continua rinde mejor apenas cargado: el máximo rendimiento de un motor chico está en la décima parte de su corriente de bloqueo, lejos del par máximo.
01El motor más fácil de controlar
En un motor de corriente continua, los conductores del rotor llevan corriente dentro del campo del estator y reciben una fuerza. Un conmutador de delgas con escobillas invierte la corriente en cada bobina justo cuando pasa de un polo al otro, de modo que el par siempre empuja en el mismo sentido. Al girar, los mismos conductores generan una fuerza contraelectromotriz proporcional a la velocidad. Dos ecuaciones describen todo el motor:
Esa simplicidad hizo del motor de continua el preferido para control de velocidad y posición durante un siglo, y sigue en millones de aplicaciones chicas: juguetes, herramientas a batería, limpiaparabrisas.
02Formas de excitación
| Excitación | Comportamiento | Uso |
|---|---|---|
| Imán permanente | Flujo constante: velocidad casi proporcional a la tensión | Motores chicos, servos, herramientas |
| Independiente o derivación | Como el de imán, con el flujo ajustable por el campo | Máquinas herramienta antiguas, laminadores |
| Serie | El mismo bobinado lleva la corriente de campo y de armadura: par muy alto en el arranque, y la velocidad se dispara en vacío | Tracción, arranque de motores de combustión, motores universales de electrodomésticos |
| Compuesta | Combina serie y derivación | Grúas, ascensores antiguos |
03Curvas, control y rendimiento
Despejando, la velocidad baja en línea recta con el par, desde la velocidad en vacío \( V/k \) hasta cero en el par de bloqueo \( kV/R \). Cambiar la tensión desplaza la recta en paralelo: por eso se controla la velocidad con un puente H que aplica la tensión de la fuente modulada por ancho de pulso, con un valor medio proporcional al ciclo de trabajo. El rendimiento depende del punto de trabajo y tiene un máximo:
Un motor de imán permanente con R = 1,2 Ω, k = 0,05 N·m/A y un rozamiento de 5 mN·m, alimentado por un puente H. Las rectas grises son la característica a 6, 12, 18 y 24 V; la azul, a la tensión elegida. El punto es el de trabajo con el par de carga.
04Motores sin escobillas
Las escobillas se gastan, producen chispas e interferencias y limitan la velocidad. El motor sin escobillas (BLDC) da vuelta la construcción: los imanes van en el rotor y los bobinados en el estator, y la conmutación la hace un circuito electrónico que sabe la posición del rotor por sensores de efecto Hall o por la fuerza contraelectromotriz de la fase que no conduce. Con conmutación en seis pasos, el comportamiento es el de un motor de continua; con control vectorial y corrientes senoidales (motor sincrónico de imanes permanentes), el par es más suave y el rendimiento, mayor.
| Con escobillas | Sin escobillas | |
|---|---|---|
| Control | Una tensión continua o un puente H | Un inversor trifásico con realimentación de posición |
| Vida útil | Limitada por las escobillas | Limitada por los rodamientos |
| Rendimiento típico | 60 a 80 % | 85 a 95 % |
| Aplicaciones | Juguetes, herramientas económicas, autopartes | Drones, discos, ventiladores de computadora, vehículos eléctricos |
05En el laboratorio
Medir la resistencia del bobinado con el rotor bloqueado y la constante k como tensión generada dividida por la velocidad, haciendo girar el motor con otro.
Controlar un motor con un puente H y un microcontrolador, y medir la velocidad en función del ciclo de trabajo con y sin carga.
Observar con el osciloscopio las tres fases y las señales Hall de un ventilador de computadora o de un motor de dron con su controlador.
06Errores frecuentes
- Dimensionar el puente H por la corriente nominal. En el arranque circula la de bloqueo, V/R.
- Hacer funcionar un motor serie sin carga. La velocidad se dispara y puede destruirlo.
- Olvidar el diodo o la conmutación de retorno. La inductancia del bobinado genera sobretensiones al cortar.
- Frenar un motor de continua bruscamente. Actúa como generador y devuelve energía a la fuente.
07Autoevaluación
¿Qué velocidad en vacío tiene un motor con k = 0,05 V·s/rad a 12 V?
240 rad/s, unas 2290 rpm.
¿Qué par de bloqueo da el mismo motor con R = 1,2 Ω?
\( kV/R = 0{,}05 \cdot 12/1{,}2 = 0{,}5 \) N·m, con 10 A.
¿Qué rendimiento máximo tiene si la corriente en vacío es de 0,1 A?
\( (1 - \sqrt{0{,}1/10})^2 = 0{,}81 \): 81 %.
¿Cómo sabe un BLDC cuándo conmutar?
Por la posición del rotor, medida con sensores Hall o estimada con la fuerza contraelectromotriz.
08Para ampliar
- Stephen J. Chapman. Máquinas eléctricas. 5.ª ed., McGraw-Hill, 2012. Las máquinas de continua con sus distintas excitaciones y sus curvas.
- Austin Hughes y Bill Drury. Electric Motors and Drives. 5.ª ed., Newnes, 2019. Los motores vistos desde el accionamiento electrónico, con continua, inducción y sin escobillas.
- Padmaraja Yedamale. Brushless DC (BLDC) Motor Fundamentals (AN885). Microchip, 2003. La nota de aplicación clásica sobre la conmutación de motores sin escobillas.