Durante varios años, hemos visto cómo los motores sin escobillas dominan el mercado de las herramientas inalámbricas en la industria profesional. Esto es genial, pero ¿qué tiene de especial? ¿Es realmente importante mientras pueda atornillar ese tornillo para madera? Pues sí. Existen diferencias y efectos significativos entre los motores con escobillas y los motores sin escobillas.
Antes de profundizar en los motores de dos pies con escobillas y sin escobillas, comprendamos los conceptos básicos del principio de funcionamiento de los motores de CC. En lo que respecta al accionamiento de motores, todo se relaciona con los imanes. Los imanes con cargas opuestas se atraen. La idea básica de un motor de CC es mantener la carga eléctrica opuesta de la parte giratoria (rotor) atraída por el imán inmóvil (estator) que se encuentra frente a él, impulsando así continuamente hacia adelante. Es como poner una dona de mantequilla Boston en un palo delante de mí mientras corro: ¡intentará agarrarla sin parar!
La pregunta es cómo mantener las donas en movimiento. No hay una manera fácil de hacerlo. Comienza con un conjunto de imanes permanentes (imanes permanentes). Un conjunto de electroimanes cambia de carga (invirtiendo la polaridad) al girar, por lo que siempre hay un imán permanente con la carga opuesta que puede moverse. Además, la carga similar que experimenta la bobina electromagnética al cambiar la empuja. En motores con escobillas y sin escobillas, la clave está en cómo cambia la polaridad del electroimán.
En un motor con escobillas, hay cuatro componentes básicos: imanes permanentes, armaduras, anillos de conmutación y escobillas. El imán permanente constituye el exterior del mecanismo y no se mueve (estator). Uno tiene carga positiva y el otro, negativa, lo que crea un campo magnético permanente.
La armadura es una bobina o una serie de bobinas que se convierten en un electroimán al activarse. También es la parte giratoria (rotor), generalmente de cobre, aunque también puede ser de aluminio.
El anillo del conmutador se fija a la bobina del inducido en dos (configuración bipolar), cuatro (configuración tetrapolar) o más componentes. Estos giran con el inducido. Finalmente, las escobillas de carbón permanecen en su lugar y transfieren la carga a cada conmutador.
Una vez energizada la armadura, la bobina cargada será atraída hacia el imán permanente de carga opuesta. Cuando el anillo del conmutador, situado encima, también gira, se desplaza de la conexión de una escobilla de carbón a la siguiente. Al llegar a la siguiente escobilla, experimenta una inversión de polaridad y es atraída por otro imán permanente, a la vez que es repelida por el mismo tipo de carga eléctrica. De forma tangible, cuando el conmutador llega a la escobilla negativa, es atraído por el imán permanente positivo. El conmutador llega a tiempo para conectar con la escobilla del electrodo positivo y seguir hasta el imán permanente negativo. Las escobillas están en pares, por lo que la bobina positiva atraerá al imán negativo, y la bobina negativa atraerá al imán positivo simultáneamente.
Es como si fuera una bobina de armadura persiguiendo una dona de mantequilla Boston. Estuve cerca, pero luego cambié de opinión y busqué un batido más saludable (mi polaridad o deseo cambió). Después de todo, las donas son ricas en calorías y grasas. Ahora estoy persiguiendo batidos mientras me alejan de la crema Boston. Cuando llegué allí, me di cuenta de que las donas son mucho mejores que los batidos. Mientras apriete el gatillo, cada vez que llegue al siguiente cepillo, cambiaré de opinión y al mismo tiempo perseguiré los objetos que me gustan en un círculo frenético. Es la aplicación definitiva para el TDAH. Además, somos dos allí, así que las donas de mantequilla Boston y los batidos siempre son perseguidos con entusiasmo por uno de nosotros, pero indeciso.
En un motor sin escobillas, se eliminan el conmutador y las escobillas, y se incorpora un controlador electrónico. El imán permanente actúa ahora como rotor y gira en su interior, mientras que el estator se compone de una bobina electromagnética fija externa. El controlador suministra energía a cada bobina en función de la carga necesaria para atraer el imán permanente.
Además de mover cargas electrónicamente, el controlador también puede proporcionar cargas similares para contrarrestar los imanes permanentes. Dado que las cargas del mismo tipo son opuestas, esto empuja el imán permanente. Ahora, el rotor se mueve debido a las fuerzas de atracción y empuje.
En este caso, los imanes permanentes se mueven, así que ahora somos mi compañero de carrera y yo. Ya no cambiamos la idea de lo que queremos. En cambio, sabíamos que yo quería donas de mantequilla Boston y mi compañero batidos.
Los controladores electrónicos permiten que nuestros respectivos placeres del desayuno se muevan frente a nosotros, y hemos estado buscando lo mismo todo el tiempo. El controlador también coloca cosas que no queremos atrás para darnos un empujón.
Los motores de CC con escobillas son relativamente sencillos y económicos de fabricar (aunque el cobre no se ha abaratado). Dado que un motor sin escobillas requiere un comunicador electrónico, se está empezando a construir una computadora en una herramienta inalámbrica. Esta es la razón del aumento del coste de los motores sin escobillas.
Debido a razones de diseño, los motores sin escobillas tienen muchas ventajas sobre los motores con escobillas. La mayoría de ellas se relacionan con la pérdida de escobillas y conmutadores. Dado que la escobilla necesita estar en contacto con el conmutador para transferir la carga, también causa fricción. La fricción reduce la velocidad alcanzable y, al mismo tiempo, genera calor. Es como andar en bicicleta con frenos suaves. Si las piernas usan la misma fuerza, la velocidad disminuirá. Por el contrario, si desea mantener la velocidad, necesita obtener más energía de las piernas. También calentará las llantas debido al calor por fricción. Esto significa que, en comparación con los motores con escobillas, los motores sin escobillas funcionan a una temperatura más baja. Esto les otorga una mayor eficiencia, por lo que convierten más energía eléctrica en energía eléctrica.
Las escobillas de carbón también se desgastan con el tiempo. Esto provoca chispas en algunas herramientas. Para que la herramienta siga funcionando, es necesario cambiar la escobilla periódicamente. Los motores sin escobillas no requieren este tipo de mantenimiento.
Aunque los motores sin escobillas requieren controladores electrónicos, la combinación rotor/estator es más compacta. Esto permite lograr un peso más ligero y un tamaño más compacto. Por eso vemos muchas herramientas como el atornillador de impacto Makita XDT16, con un diseño ultracompacto y gran potencia.
Parece haber un malentendido sobre los motores sin escobillas y el par motor. El diseño de un motor con o sin escobillas no indica realmente la magnitud del par motor. Por ejemplo, el par motor real del primer taladro percutor Milwaukee M18 era menor que el del modelo anterior con escobillas.
Sin embargo, al final, el fabricante se dio cuenta de algunos aspectos cruciales: la electrónica utilizada en los motores sin escobillas puede proporcionarles más potencia cuando es necesario.
Dado que los motores sin escobillas ahora utilizan un control electrónico avanzado, pueden detectar cuándo empiezan a desacelerar bajo carga. Siempre que la batería y el motor se encuentren dentro del rango de temperatura especificado, la electrónica del motor sin escobillas puede solicitar y recibir más corriente de la batería. Esto permite que herramientas como taladros y sierras sin escobillas mantengan velocidades más altas bajo carga. Esto las hace más rápidas. Normalmente, son mucho más rápidas. Algunos ejemplos incluyen Milwaukee RedLink Plus, Makita LXT Advantage y DeWalt Perform and Protect.
Estas tecnologías integran perfectamente los motores, las baterías y la electrónica de la herramienta en un sistema cohesivo para lograr un rendimiento y un tiempo de funcionamiento óptimos.
Conmutación: cambiar la polaridad de la carga, arrancar el motor sin escobillas y mantenerlo en rotación. A continuación, es necesario controlar la velocidad y el par. La velocidad se puede controlar modificando el voltaje del estator del motor BLDC. Modular el voltaje a una frecuencia más alta permite controlar mejor la velocidad del motor.
Para controlar el par, cuando la carga de par del motor supera cierto nivel, se puede reducir la tensión del estator. Esto implica requisitos clave: monitorización del motor y sensores.
Los sensores de efecto Hall ofrecen una forma económica de detectar la posición del rotor. También pueden detectar la velocidad mediante el tiempo y la frecuencia de conmutación del sensor de sincronización.
Nota del editor: Consulte nuestro artículo ¿Qué es un motor sin escobillas sin sensores? para conocer cómo la tecnología avanzada del motor BLDC cambia las herramientas eléctricas.
La combinación de estas ventajas tiene otro efecto: una mayor vida útil. Si bien la garantía para motores (y herramientas) con y sin escobillas de la misma marca suele ser la misma, se puede esperar una mayor vida útil para los modelos sin escobillas. Esta suele ser varios años mayor que la del período de garantía.
¿Recuerdan cuando dije que los controladores electrónicos básicamente integran computadoras en sus herramientas? Los motores sin escobillas también son un punto de inflexión para que las herramientas inteligentes impacten la industria. Sin la dependencia de los motores sin escobillas de la comunicación electrónica, la tecnología de un solo botón de Milwaukee no funcionaría.
Durante su jornada laboral, Kenny explora a fondo las limitaciones prácticas de diversas herramientas y compara las diferencias. Al salir del trabajo, su fe y amor por su familia son su máxima prioridad. Normalmente estará en la cocina, montando en bicicleta (él es triatlón) o llevando a la gente a pescar a la Bahía de Tampa.
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Gracias por la explicación. Es algo que me he estado preguntando durante mucho tiempo, ya que la mayoría de la gente está a favor de los motores sin escobillas (al menos como argumento para herramientas eléctricas y drones más caros).
Quiero saber: ¿El controlador también detecta la velocidad? ¿No es necesario hacerlo para sincronizar? ¿Tiene elementos Hall que detectan (giran) los imanes?
No todos los motores sin escobillas son mejores que los motores con escobillas. Quiero comparar la duración de la batería del Gen 5X con la de su predecesor, el X4, con cargas moderadas a pesadas. En cualquier caso, las escobillas casi nunca limitan la vida útil. La velocidad original del motor de las herramientas inalámbricas es de aproximadamente 20 000 a 25 000 rpm. Gracias al juego de engranajes planetarios lubricados, la reducción es de aproximadamente 12:1 en la marcha alta y de aproximadamente 48:1 en la baja. El mecanismo de disparo y los cojinetes del rotor del motor, que soportan el rotor de 25 000 rpm en la corriente de aire polvoriento, suelen ser puntos débiles.
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Hora de publicación: 31 de agosto de 2021