¿Cómo funciona un motor con escobillas? Componentes principales, principio de funcionamiento y usos

Aprieta el gatillo de un destornillador inalámbrico y el zumbido que escuchas proviene de un motor de CC con escobillas que hace algo elegantemente simple: convertir la corriente de la batería en rotación utilizando bloques de carbón con resorte y un anillo de cobre segmentado. La respuesta corta a cómo funciona es esta. La corriente fluye desde una fuente de energía estacionaria, a través de escobillas que se deslizan contra un conmutador giratorio, hacia los devanados de alambre montados en la armadura. Los devanados energizados se convierten en electroimanes que empujan contra imanes permanentes fijos, y el conmutador invierte la dirección de la corriente en cada devanado cada media vuelta para que la fuerza de empuje siga girando el eje en una dirección.

Esa acción de conmutación mecánica es la característica definitoria del diseño. Explica por qué los motores con escobillas siguen siendo económicos, fáciles de controlar y predecibles, y también explica su única limitación: la interfaz de contacto se desgasta. Para cualquiera que especifique componentes para productos de gran volumen, comprender este mecanismo explica casi todos los rasgos prácticos del tipo de motor, desde su bajo costo unitario hasta su presupuesto de vida útil.

Las cuatro partes que hacen posible la rotación

Cada motor de CC con escobillas, desde una pequeña unidad de juguete hasta un modelo industrial de la serie RS, se construye alrededor de cuatro partes esenciales.

El estator es la fuente de campo fija. En los motores de CC pequeños y medianos casi siempre hay un par de imanes permanentes, generalmente de ferrita o neodimio, montados dentro de la carcasa de acero. El estator nunca se mueve; Proporciona un campo magnético constante a través del rotor.

El rotor, también llamado armadura, es la parte giratoria. Está construido con láminas de acero laminadas apiladas con ranuras que sujetan los devanados de cobre aislados. Cuando la corriente fluye a través de esos devanados, la armadura se convierte en un electroimán con sus propios polos norte y sur.

El conmutador es un anillo de segmentos de cobre montados en el eje y aislados entre sí, normalmente con mica. Gira con la armadura y sirve como interruptor mecánico del motor.

Las escobillas son bloques accionados por resorte de carbono o grafito, o en motores muy pequeños de metal precioso, que presionan contra el conmutador. Forman el único puente físico entre los terminales de energía estacionarios y la armadura giratoria. Los cojinetes, las campanas de los extremos y el eje completan el conjunto, pero estos cuatro elementos hacen el trabajo real de convertir la electricidad en movimiento.

Paso a paso: de la rotación actual a la continua

La secuencia que produce la rotación se repite continuamente mientras el motor está en marcha:

1. La corriente entra por los terminales del motor y llega a las escobillas, que la transfieren al segmento del conmutador que esté en contacto con ellas en ese instante.
2. Desde el conmutador, la corriente fluye hacia los devanados del inducido. Un conductor que transporta corriente genera un campo magnético, por lo que cada devanado energizado actúa como un electroimán.
3. Los polos del electroimán interactúan con el campo fijo del estator. Los polos opuestos se atraen y los polos iguales se repelen, y este empujar y tirar produce un par que hace girar la armadura.
4. A medida que gira la armadura, los segmentos del conmutador se deslizan debajo de las escobillas. Cuando un devanado pasa por el punto de alineación, el espacio del segmento cruza la escobilla y la corriente a través de ese devanado se invierte.
5. La inversión intercambia los polos magnéticos del devanado exactamente en el momento geométrico correcto, por lo que en lugar de bloquearse en su lugar, la armadura sigue siendo tirada y empujada en la misma dirección.

Un pequeño motor que funciona a 10.000 rpm realiza esta inversión de corriente aproximadamente 330 veces por segundo y no interviene ningún componente electrónico. La geometría del conmutador y la presión del resorte de las escobillas manejan toda la sincronización automáticamente. Ésta es la diferencia fundamental con los diseños sin escobillas, en los que un controlador externo realiza la misma conmutación electrónicamente utilizando la retroalimentación de la posición del rotor.

Por qué la velocidad y el par se comportan de forma tan predecible

Debido a que el campo del estator es fijo y el cableado es simple, el comportamiento de un motor con escobillas sigue reglas que son fáciles de diseñar:

• La velocidad sigue al voltaje. En un motor con escobillas de imán permanente, la velocidad sin carga aumenta casi linealmente con el voltaje aplicado, razón por la cual un cambio de voltaje básico o una señal PWM es suficiente para controlarlo.
• El par sigue a la corriente. El par de salida es aproximadamente proporcional a la corriente del inducido, por lo que una carga más dura hace que el motor consuma más corriente por sí solo.
• Back-EMF se autorregula. A medida que los devanados giran dentro del campo del estator, generan un voltaje que se opone al suministro. En reposo no hay ninguno, por lo que la corriente de arranque es alta; A medida que aumenta la velocidad, la contraEMF aumenta y la corriente cae hasta que el motor alcanza el equilibrio, sin sensores involucrados.
• La inversión sólo necesita un cambio de polaridad. Al invertir los terminales de suministro se invierte la rotación, lo que simplifica el diseño del actuador para cerraduras de puertas de automóviles, reguladores de ventanas y cortinas motorizadas.

La misma simplicidad produce la conocida compensación: en el arranque, cuando la fuerza contraelectromotriz es cero, la corriente puede aumentar muy por encima de los niveles de funcionamiento, por lo que los productos que funcionan con baterías deben tolerar o limitar esa irrupción.

Las escobillas y los conmutadores son piezas de desgaste

El contacto deslizante que posibilita la conmutación mecánica es también su principal debilidad. Las escobillas presionan contra el conmutador bajo la fuerza del resorte y ambas superficies se desgastan con cada revolución. El carbón se erosiona gradualmente por la fricción y por los pequeños arcos que se forman cuando los segmentos pasan por debajo del borde del cepillo y, finalmente, el material del cepillo se consume. La vida útil de los motores pequeños con escobillas suele oscilar entre una y cinco mil horas de funcionamiento, aunque la diferencia es amplia, ya que las cargas pesadas sostenidas, las altas velocidades y las condiciones de humedad la acortan.

El conmutador también envejece. Su superficie de cobre puede picarse, ranurarse o desarrollar una película de carbono resistiva, y los arcos de cada evento de conmutación generan interferencias electromagnéticas que los dispositivos electrónicos cercanos generalmente suprimen con pequeños capacitores en los terminales del motor.

Nada de esto es decadencia incontrolada. Los grados de los materiales de las escobillas, la presión del resorte y el acabado del conmutador se adaptan a la aplicación, y la construcción sellada mantiene los contaminantes fuera y contiene las partículas que desprenden las escobillas. Para un comprador, la pregunta práctica no es si las escobillas se desgastan, sino si el ciclo de trabajo del producto se ajusta cómodamente dentro del presupuesto de desgaste del motor.

Cepillado versus sin escobillas: lo que decide el mecanismo

Los motores sin escobillas se desarrollaron para eliminar por completo la interfaz de desgaste. Mueven los devanados a la carcasa estacionaria, colocan los imanes en el rotor y reemplazan las escobillas y el conmutador con un controlador electrónico que conmuta la corriente según la posición del rotor. Casi todas las diferencias entre los dos tipos se derivan de ese único cambio.

La tendencia en algunas categorías favorece claramente los modelos sin escobillas, en particular los drones y las herramientas eléctricas de primera calidad. Sin embargo, los diseños con escobillas aún ocupan una gran proporción de aplicaciones de gran volumen donde el costo unitario, la simplicidad de dos cables y el torque comprobado a baja velocidad superan la vida útil máxima. Nuestra visión general de Por qué los motores de CC con escobillas siguen siendo la piedra angular de los equipos de grado industrial examina ese equilibrio con más detalle.

Donde los motores con escobillas todavía encajan mejor

Las fortalezas del mecanismo se relacionan directamente con las categorías de productos. Los motores con escobillas dominan los dispositivos que necesitan un bajo costo por unidad en volúmenes de producción, control simple, fuerte par de arranque y tamaño compacto: electrodomésticos de cocina, productos de cuidado personal, equipos de limpieza, actuadores automotrices, herramientas eléctricas y juguetes.

Ejemplos concretos muestran cómo la construcción se adapta a sus necesidades. El motor de un destornillador pasa su vida oscilando entre calado y máxima velocidad en condiciones de polvo, por lo que proteger las partes internas es más importante que ahorrar gramos; El RS735, desarrollado con un proceso de sellado para destornilladores eléctricos, está diseñado exactamente en torno a ese requisito.

Motor CC con escobillas RS-735 de 42 mm para electrodomésticos Un motor CC de imán permanente con escobillas de 42 mm que alcanza hasta 25000 RPM, con construcción compacta y salida de cable montada en el borde. Se adapta a los ciclos de trabajo sellados y expuestos al polvo que se analizan para destornilladores eléctricos y otros accionamientos para herramientas eléctricas y domésticas. Ver producto →

Los motores de los electrodomésticos se juzgan por su suavidad y sonido. Una máquina de café ya hace ruido durante el molido y la preparación, por lo que el motor de accionamiento no debería añadir vibraciones por sí solo, por lo que se especifican variantes de funcionamiento suave para esa aplicación.

Motor CC con cepillo de bajo ruido RS-550SL para trituradoras de papel Este motor de CC con escobillas de 65 mm ofrece un par estable, un funcionamiento suave a baja velocidad y una estabilidad térmica mejorada en comparación con las versiones RS550 estándar. Cumple con el requisito de funcionamiento silencioso y sin vibraciones en máquinas de café y aparatos similares de funcionamiento continuo. Ver producto →

Los productos de succión se encuentran en el extremo opuesto: el motor de una aspiradora funciona continuamente a alta velocidad, con un estator de imán permanente que ofrece una alta densidad de potencia en un marco compacto.

Los secadores de pelo, los batidores de huevos, las cortinas motorizadas, las bombas de aire para automóviles y los pulverizadores de jardín utilizan la misma física sintonizada en diferentes direcciones. Revisando un completo Gama de motores CC con escobillas por aplicación suele ser más rápido que partir de especificaciones genéricas.

Notas prácticas de selección antes de especificar

Cuatro preguntas realizan la mayor parte del trabajo de selección al evaluar un motor con escobillas para un nuevo producto:

• Ciclo de trabajo: el funcionamiento continuo consume la vida útil del cepillo mucho más rápido que los ciclos cortos intermitentes, por lo que una máquina de café y la cerradura de la puerta de un automóvil tienen presupuestos de desgaste muy diferentes incluso con niveles de potencia similares.
• Perfil de carga: las paradas frecuentes o las altas demandas de par de arranque empujan la corriente, y la corriente es lo que erosiona las escobillas y perfora los conmutadores.
• Medio ambiente: el polvo, la humedad y las vibraciones determinan si es apropiada una construcción abierta, sellada o con tubos de acero.
• Objetivos de ruido y EMI: los productos con componentes electrónicos sensibles o requisitos de sonido estrictos necesitan componentes de supresión y grados de cepillo más silenciosos que se tengan en cuenta desde el principio, no que se actualicen.

Al final, un motor de escobillas es una máquina deliberadamente simple: un campo magnético fijo, un electroimán giratorio y un interruptor mecánico que ha funcionado de manera confiable durante más de un siglo. Hacer coincidir los detalles de construcción con la aplicación es lo que separa un motor que simplemente gira de uno que dura toda la vida útil del producto.