¿Cómo funciona un motor de CC con escobillas? Guía de ingeniería para motores con microcepilladas

Principio de funcionamiento del motor de CC con escobillas: la respuesta corta

Presione el gatillo de un destornillador inalámbrico y un pequeño motor eléctrico de CC con escobillas desarrolla un par casi instantáneamente. Esa respuesta rápida, combinada con un bajo costo y un control de velocidad simple, es la razón por la cual los motores con escobillas todavía aparecen en tantos productos cotidianos.

El principio de funcionamiento cabe en un párrafo. La corriente eléctrica ingresa a través de dos escobillas de carbón que se deslizan sobre un conmutador de cobre segmentado montado en el eje. El conmutador alimenta la corriente a las bobinas enrolladas en el rotor. Esas bobinas generan un campo magnético que interactúa con el campo magnético permanente del estator, creando rotación. Justo antes de que el rotor se alinee con el campo del estator, los segmentos del conmutador cambian de contacto con las escobillas e invierten la dirección de la corriente en las bobinas. Esa inversión, llamada conmutación, empuja el rotor más allá del punto muerto y lo mantiene girando en la misma dirección.

Todos los motores de CC con microescobillas, desde la serie compacta 300 hasta la serie 900 más grande fabricada en Yuyao Hongyang Micromotor, funcionan según este mismo principio electromecánico.

Componentees principales de un motor de CC con microcepilladas

Un motor eléctrico de CC con escobillas tiene cuatro partes funcionales. La siguiente tabla resume cada parte y su función; Las dos subsecciones que siguen explican los detalles que importan cuando se comparan motores de diferentes proveedores.

Estator y rotor: de dónde proviene el par

En un motor de escobillas de imán permanente, el estator utiliza imanes curvos para crear un campo fijo a través del entrehierro. El rotor se encuentra dentro de ese campo. Cuando la corriente fluye a través de los devanados del rotor, cada bobina se comporta como un electroimán. La atracción y repulsión entre el campo del rotor y el campo del estator producen un par en el eje.

Conmutador y escobillas: el interruptor mecánico

El conmutador es lo que distingue a un motor con escobillas de cualquier otro tipo de motor de CC. A medida que gira el rotor, diferentes segmentos del conmutador entran en contacto con las escobillas estacionarias. La conmutación ocurre en la posición angular donde la bobina es coplanar con el campo del estator, que es el punto donde de otro modo el par caería a cero. Por lo tanto, el par cepillo-conmutador actúa como un interruptor giratorio sincronizado con la posición del rotor, sin ningún sensor externo o circuito controlador.

Paso a paso: cómo gira un motor CC con escobillas

Para ver la secuencia con claridad, imaginemos un motor bipolar sencillo. La secuencia se repite dos veces por revolución, porque cada par de bobinas se conmuta cada media vuelta.

1. Se aplica voltaje CC a los dos terminales, que están conectados a las escobillas.
2. La escobilla positiva hace contacto con un segmento del conmutador y la corriente fluye hacia el devanado del rotor; el cepillo negativo completa el circuito.
3. La corriente en el devanado crea un eje magnético en el rotor. Debido a que los imanes del estator están fijos, las fuerzas magnéticas hacen girar el rotor hacia la alineación con el campo del estator.
4. En el punto de alineación, los segmentos del conmutador pasan por debajo de las escobillas y la dirección de la corriente en el devanado se invierte. La polaridad magnética del rotor cambia, por lo que en lugar de detenerse, el rotor es empujado más allá del punto muerto y continúa girando.
5. La secuencia se repite, produciendo una rotación continua mientras se suministre energía CC.

De este diseño se derivan dos consecuencias. En primer lugar, no se necesita ningún controlador electrónico para conmutar el motor; los cepillos lo hacen mecánicamente. En segundo lugar, los devanados giratorios generan una fuerza electromotriz inversa que se opone al voltaje de suministro. La fuerza electromagnética trasera crece con la velocidad, razón por la cual un motor que gira libremente consume poca corriente, mientras que un motor parado consume la máxima corriente.

Torque, velocidad y condición de calado

La mayoría de los ingenieros que contactan a un fabricante de micromotores quieren lo mismo: un motor que se ajuste al espacio disponible y proporcione el torque correcto a la velocidad correcta sin sobrecalentarse.

Dos relaciones definen el comportamiento del motor de CC con escobillas. El par es proporcional a la corriente del inducido y al flujo magnético del estator. La velocidad es proporcional al voltaje aplicado a la armadura menos la caída de voltaje a través de la resistencia del devanado. En lenguaje sencillo, cargue el eje y el motor se desacelera y consume más corriente; aumenta el voltaje y el motor acelera, mientras que el par permanece aproximadamente lineal con la corriente.

Estas relaciones también muestran dónde están los riesgos. Un motor que funciona por debajo de su capacidad de carga es seguro. Un motor funcionando por encima de su clasificación, o parado, puede sobrecalentar el aislamiento del devanado, dañar el conmutador y desmagnetizar los imanes del estator. El par nominal y la corriente nominal correspondiente son más importantes que la velocidad sin carga al seleccionar un motor.

Los productos que mueven aire ilustran esta compensación. Un impulsor de ventilador presenta una carga que aumenta con la velocidad; Si el motor carece de margen de torsión en el punto de operación, el impulsor se desacelera y la corriente aumenta. el Motor CC con escobillas de alto par RS360 para ventiladores es un ejemplo de un motor bobinado y magnetizado deliberadamente para ese patrón de carga, dando al impulsor suficiente margen sin empujar la corriente del devanado hacia la zona de peligro.

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Cepillado versus sin cepillo: lo que significa la comparación

Cualquiera que compre motores micro CC verá alternativas sin escobillas y la elección no siempre es obvia. La siguiente tabla compara los factores que influyen en el costo, la confiabilidad y la experiencia del usuario del producto.

La conclusión es práctica, no teórica. Si su producto tiene un ciclo de trabajo intermitente, funciona con bajo voltaje y compite en costos, un motor con escobillas suele ser la mejor opción de ingeniería. Si el motor funciona durante horas todos los días y la eficiencia es un argumento de venta, el brushless se vuelve atractivo. Por eso los fabricantes mantienen ambas tecnologías en su gama y por qué la respuesta depende del perfil de carga más que de la moda.

En los electrodomésticos, donde los usuarios se sientan cerca del producto, el ruido del cepillo genera quejas rápidamente. el Motor CC con escobillas silencioso RS380SL para aplicaciones domésticas es una variante silenciosa diseñada para ese tipo de entorno, donde unos pocos decibeles de ruido del cepillo deciden si un producto se siente premium o barato.

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Selección de un motor de CC con escobillas para su producto

Debido a que un motor con microcepilladas siempre forma parte de un sistema más grande, la selección comienza con la carga, no con el catálogo de motores. Vale la pena reconocer tres patrones de aplicación.

Hacer coincidir el motor con la carga

herramientas eléctricas como destornilladores electricos necesitan un par elevado a baja velocidad y toleran sobrecargas breves; El alto par de arranque del motor con escobillas es exactamente la característica adecuada. Productos para el hogar como aspiradoras robotizadas Necesitan un tamaño compacto, una vida útil moderada y poco ruido, por lo que la calidad de las escobillas y el acabado del conmutador son tan importantes como el diseño magnético básico. Equipos automatizados como máquinas expendedoras ejecuta ciclos de trabajo largos y el consumo de corriente más la disipación de calor deciden si el motor sobrevive dentro de un gabinete sellado.

Verificación de un micromotor antes de realizar pedidos por volumen

Una vez que tenga una lista corta que se ajuste a sus necesidades mecánicas, verifique estos parámetros en las muestras antes de realizar un pedido por volumen:

• Tensión nominal y consumo de corriente con carga nominal. Una diferencia del 20 por ciento en la corriente entre muestras indica inconsistencia del devanado o del imán.
• Velocidad sin carga, velocidad nominal y par de parada. Compárelos con su curva de carga, no solo con la hoja de datos.
• Ruido acústico, expresado en dB(A). Para los electrodomésticos, esta es una especificación de primera línea; un motor que es mecánicamente perfecto pero audible no pasará la revisión del producto.
• Vida útil en horas, probada bajo el mismo ciclo de trabajo que pretende utilizar. Un motor clasificado para operación continua puede fallar rápidamente bajo una secuencia agresiva de arranque y parada.
• Cumplimiento material para su mercado objetivo. Los compradores de micromotores solicitan habitualmente el cumplimiento de las normas de fabricación ISO 9001, RoHS y REACH.
• Personalización de ejes y terminales. La parte plana del eje, el piñón, la longitud del cable y el tipo de conector a menudo marcan la diferencia entre un motor empotrado y una variante personalizada.

Las máquinas de café son un buen ejemplo de por qué es importante el diseño de un producto específico. La máquina se enciende y apaga muchas veces al día y los usuarios notan la vibración y el clic del motor. el Motor DC RS550SL liso cepillado para cafeteras apunta exactamente a ese perfil con una carrera con baja vibración y un comportamiento inicial consistente.

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En Yuyao Hongyang Micromotor, hemos fabricado motores de CC con microescobillas desde 1988 en las series 300, 500, 700, 800 y 900, con una capacidad anual de más de 10 millones de unidades. Cualquiera que sea el proveedor que evalúe, solicite datos de pruebas sobre curvas de par-velocidad, ruido acústico y resistencia. Las respuestas le dirán más sobre el proceso de fabricación que cualquier descripción promocional.