¿Cómo funcionan los motores eléctricos de CC con escobillas? La guia de motores de CC con microescobillas

La respuesta corta: un motor de CC con escobillas funciona alimentando corriente a través de una bobina giratoria (el rotor) a través de contactos estacionarios de carbono o metal llamados escobillas, que presionan contra un anillo segmentado giratorio llamado conmutador. A medida que el rotor gira, el conmutador invierte automáticamente la dirección de la corriente en la bobina en el momento adecuado, manteniendo la fuerza magnética empujando en la misma dirección de rotación; esta acción de conmutación automática es lo que permite que un motor con escobillas gire continuamente desde una fuente de alimentación de CC simple y no regulada. No se requieren circuitos externos para hacerlo. , que es exactamente la razón por la que los motores de CC con escobillas, incluidos Motores DC con microcepillo Tan pequeños como 4 milímetros de diámetro, siguen siendo una de las formas más utilizadas y rentables de convertir energía eléctrica en movimiento de rotación. El resto de esta guía desglosa el mecanismo en detalle, lo que hay dentro de un motor de microcepillo y qué pesar al elegir uno para un proyecto.

Los componentes principales de un motor de CC con escobillas.

cada motor eléctrico de corriente continua con escobillas , desde una unidad del tamaño de un juguete hasta un motorreductor industrial, se construye a partir de las mismas cuatro piezas esenciales.

El carbono o el grafito es el material estándar de las escobillas en lugar del metal sólido, porque el carbono es autolubricante y se desgasta preferentemente, lo que significa que la escobilla se erosiona gradualmente con el tiempo, mientras que la superficie más cara del conmutador permanece prácticamente intacta. Este patrón de desgaste facilita deliberadamente el mantenimiento: sustituir una escobilla desgastada es mucho más sencillo y económico que sustituir un conmutador dañado.

Cómo girar realmente el motor: paso a paso

El principio de funcionamiento se basa en dos conceptos físicos: la ley de inducción electromagnética de Faraday y la fuerza de Lorentz. En la práctica, el ciclo se ve así:

1. Se aplica voltaje CC a través de los dos terminales de las escobillas y la corriente fluye desde las escobillas hacia los segmentos del conmutador que están en contacto.
2. La corriente que pasa a través de la bobina del rotor lo convierte en un electroimán, generando su propio campo magnético.
3. Este campo del rotor interactúa con el campo fijo de los imanes permanentes del estator (como los polos se repelen, los polos opuestos se atraen) produciendo un par que empuja al rotor a girar.
4. A medida que el rotor se alinea con el campo del estator (aproximadamente cada 180 grados de rotación), las escobillas se deslizan hacia el siguiente segmento del conmutador, que invierte la dirección de la corriente en la bobina.
5. Invertir la corriente invierte la polaridad magnética del rotor exactamente en el instante correcto, de modo que el empuje magnético continúa en la misma dirección de rotación en lugar de detenerse.
6. Este ciclo de cambiar y empujar se repite continuamente, produciendo una rotación suave y continua mientras se aplica energía.

Hay un breve instante durante cada ciclo en el que las escobillas unen dos segmentos del conmutador y momentáneamente cortocircuitan parte del devanado; esta es la fuente de las pequeñas chispas visibles dentro de un motor con escobillas en funcionamiento, y también es el origen de la mayor parte del ruido eléctrico que generan estos motores.

¿Qué hace que un motor CC con microescobillas sea diferente?

Un motor de CC con microescobillas utiliza exactamente el mismo principio de conmutación descrito anteriormente, pero reducida. Las fuentes de la industria generalmente clasifican cualquier motor con un diámetro inferior a aproximadamente 30 mm como micromotor, y las unidades con escobillas más pequeñas disponibles comercialmente son tan pequeñas como 4 milímetros de diámetro , utilizado en aplicaciones como microdrones y mecanismos de bloqueo en miniatura.

Micromotores sin núcleo versus micromotores con núcleo de hierro

La mayoría de los motores con microcepillos utilizan un diseño de rotor sin núcleo (sin hierro) en lugar de la tradicional armadura con núcleo de hierro que se encuentra en los motores más grandes. En lugar de devanados enrollados alrededor de un núcleo de hierro, la bobina es una estructura hueca autoportante. Esto elimina las pérdidas de hierro y el dentado (la resistencia a las muescas que se siente al girar manualmente un motor con dientes de hierro), lo que proporciona micromotores sin núcleo. Inercia rotacional muy baja y aceleración rápida. – una ventaja significativa en dispositivos como pipetas, mecanismos de enfoque de cámara o bombas pequeñas donde los arranques y paradas rápidas y precisas son importantes.

Especificaciones típicas

Las especificaciones varían ampliamente según el fabricante y el uso previsto, pero la siguiente tabla muestra cifras representativas de los diámetros de micromotores comunes para ilustrar el rango.

En el extremo pequeño, algunos micromotores con escobillas sin núcleo alcanzan eficiencias de hasta 90% , aunque este pico sólo se alcanza a alta velocidad y cae a baja velocidad o con carga pesada. Muchos micromotores también se combinan con una caja de cambios para intercambiar RPM brutas por un par utilizable más alto, lo cual es común en aplicaciones como balanzas de precisión, actuadores de válvulas y pequeñas juntas robóticas.

Controlar la velocidad y la dirección

Una de las ventajas definitorias de los motores de CC con escobillas es lo sencillo que es controlarlos en comparación con las alternativas sin escobillas.

• La velocidad es aproximadamente proporcional al voltaje aplicado: aumente el voltaje y el motor girará más rápido, disminúyalo y el motor se desacelerará, sin necesidad de componentes electrónicos adicionales para una aplicación básica de encendido/apagado.
• La dirección se invierte simplemente intercambiando la polaridad de los dos cables de alimentación, ya que esto invierte la dirección actual entre la que cambia el conmutador.
• Para aplicaciones de velocidad variable, la modulación de ancho de pulso (PWM) es el método de control estándar: en lugar de variar continuamente el voltaje, el suministro se enciende y apaga rápidamente, y la relación entre el tiempo de encendido y apagado establece el voltaje promedio efectivo que ve el motor.
• La frecuencia PWM es importante específicamente para los micromotores: conducir a frecuencias por debajo de aproximadamente 20 kHz puede inducir una vibración ultrasónica audible en el rotor, por lo que los fabricantes recomiendan. frecuencias en el rango de 40 a 120 kHz para mantener baja la ondulación actual y proteger la vida útil del cepillo.

Este comportamiento proporcional al voltaje también es la razón por la que los motores con escobillas son una opción natural para los dispositivos que funcionan con baterías: un simple regulador lineal o un controlador PWM básico es suficiente para obtener un control de velocidad utilizable, sin la electrónica de conmutación dedicada que un motor sin escobillas requiere para girar.

Esperanza de vida y lo que realmente se desgasta

La interfaz de escobillas-conmutador es a la vez la característica que hace que los motores con escobillas sean fáciles de manejar y el componente que, en última instancia, limita su vida útil. Dos mecanismos de desgaste actúan a la vez: la fricción mecánica del cepillo que se desliza contra el conmutador y la electroerosión por las pequeñas chispas generadas cada vez que el cepillo hace puente entre los segmentos.

En comparación, Los motores de CC sin escobillas pueden alcanzar decenas de millas de horas de funcionamiento. porque no hay contacto entre las escobillas y el conmutador que se desgastan; en su lugar, su factor limitante se traslada al desgaste de los cojinetes. Esta brecha en la vida útil es la mayor desventaja a considerar al elegir entre motores con escobillas y sin escobillas: los motores con escobillas cuestan menos al principio y son más sencillos de manejar, pero necesitan un reemplazo periódico de las escobillas en aplicaciones de servicio continuo, mientras que los motores sin escobillas cuestan más inicialmente pero evitan en gran medida ese ciclo de mantenimiento.

Dónde se utilizan realmente los motores con escobillas y microcepillos

A pesar de la competencia de los diseños sin escobillas, los motores de CC con escobillas siguen siendo comunes porque su bajo costo, control simple y alto par de arranque son exactamente lo que muchas aplicaciones necesitan, especialmente cuando los ciclos de trabajo continuos o la vida útil ultralarga no son la prioridad.

• Herramientas eléctricas y pequeños electrodomésticos, donde el alto par de arranque y el bajo coste unitario importan más que la vida útil máxima.
• Juguetes, vehículos RC y drones para aficionados, donde los micromotores sin núcleo en el rango de 8 a 20 mm ofrecen altas RPM en un paquete liviano.
• Sistemas auxiliares automotrices como elevalunas, ajustadores de asientos y bombas pequeñas.
• Los instrumentos médicos y de laboratorio (pipetas, plataformas de manipulación de muestras y balanzas de precisión) utilizan con frecuencia pequeños motores de cepillo sin núcleo combinados con una caja de cambios y un codificador para un movimiento controlado y repetible.
• Robótica y automatización de fábricas para juntas o actuadores de menor costo donde el reemplazo periódico de las escobillas es un elemento de mantenimiento aceptable.

Elección de un motor CC con microescobillas: factores clave

Seleccione el motor de CC con microescobillas adecuado para un proyecto se reduce a hacer coincidir un puñado de especificaciones con las limitaciones reales de su aplicación, en lugar de simplemente elegir la opción más pequeña o más barata disponible.

1. Haga coincidir el voltaje de suministro con su fuente de energía: las clasificaciones de micromotores comunes van desde aproximadamente 1,5 V hasta 24 V, así que confirme que el voltaje nominal del motor se alinee con su batería o suministro.
2. Verifique el espacio disponible con el diámetro y la longitud del motor, ya que los micromotores compuestos están disponibles desde aproximadamente 4 mm hasta 24 mm y más.
3. Decida si la velocidad bruta o el par son más importantes: un motor sin núcleo sin caja de cambios favorece altas RPM y una aceleración rápida, mientras que agrega una caja de cambios cambia la velocidad máxima por un par utilizable significativamente mayor.
4. Calcule el ciclo de trabajo y la vida útil requerida: un dispositivo de consumo de uso intermitente puede usar cómodamente un motor con escobillas de menor costo, mientras que una aplicación de servicio continuo puede justificar el mayor costo inicial de un motor sin escobillas.
5. Considere la sensibilidad al ruido eléctrico: si el motor compartirá un circuito con componentes electrónicos sensibles, haga un presupuesto para la supresión básica de EMI, ya que la conmutación de las escobillas genera internamente ruido eléctrico que los diseños sin escobillas evitan.