¿Qué es un motor sin escobillas ?
Un motor de CC sin escobillas es un producto mecatrónico que consta de un cuerpo de motor y un controlador.
A diferencia de los motores síncronos que requieren un devanado de arranque en el rotor para arrancar bajo carga pesada con regulación de velocidad de frecuencia variable, el motor de CC sin escobillas funciona en modo de autocontrol. No produce oscilaciones ni desfases cuando hay cambios bruscos de carga.
La mayoría de los motores de CC sin escobillas pequeños y medianos utilizan imanes de tierras raras, neodimio, hierro y boro (Nd-Fe-B) debido a su alto nivel de energía magnética.
Como resultado, el motor sin escobillas de imanes permanentes de tierras raras tiene un tamaño de carcasa más pequeño que un motor asíncrono trifásico de la misma capacidad.
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Un motor de cepillo es un motor giratorio que utiliza un dispositivo de cepillo para convertir energía eléctrica en energía mecánica (como un motor) o energía mecánica en energía eléctrica (como un generador). A diferencia de los motores sin escobillas, se utiliza un dispositivo de escobillas para introducir o extraer voltaje y corriente.
El motor de cepillo es la base de todos los motores y tiene varias características ventajosas, como arranque rápido, frenado oportuno, regulación suave de la velocidad en un amplio rango y un circuito de control relativamente simple.
Diferencia entre motor sin escobillas y motor con escobillas en el principio de funcionamiento
1. Principio de funcionamiento del motor del cepillo
El motor de escobillas es el primer tipo de motor con el que entramos en contacto y, a menudo, se utiliza como modelo para ilustrar motores en las clases de física de la escuela secundaria.
Los componentes principales de un motor con escobillas son el estator, el rotor y las escobillas.
El par giratorio se genera a través de un campo magnético giratorio, que permite la salida de energía cinética.
Las escobillas y el conmutador están en constante contacto y fricción y realizan importantes funciones de conducción y conmutación durante la rotación.
El motor de escobillas utiliza conmutación mecánica, donde los polos magnéticos permanecen estacionarios mientras la bobina gira.
Durante el funcionamiento, la bobina y el conmutador giran, mientras que el acero magnético y la escobilla de carbón permanecen estacionarios. El conmutador y el cepillo que giran con el motor permiten completar el cambio alterno de la dirección de la corriente de la bobina.
En un motor con escobillas, este proceso implica disponer los dos terminales de entrada de energía de cada grupo de bobinas en un anillo. Los terminales de entrada de energía están separados entre sí por materiales aislantes y forman un cilindro conectado al eje del motor.
Para pasar la fuente de alimentación se utiliza una pequeña columna compuesta por dos elementos de carbón (escobillas de carbón). La escobilla de carbón se mueve desde dos posiciones fijas específicas bajo la acción de la presión del resorte. La energización de un grupo de bobinas se logra presionando los dos puntos en el cilindro del anillo de entrada de energía de la bobina superior.
A medida que el motor gira, diferentes bobinas o diferentes polos de la misma bobina se energizan en diferentes momentos. Esto crea una diferencia angular adecuada entre el polo NS del campo magnético generado por la bobina y el polo NS del estator de imán permanente más cercano. El campo magnético se atrae y se repele, generando fuerza y haciendo girar el motor.
La escobilla de carbón se desliza sobre el conector de la bobina, similar a una escobilla sobre la superficie de un objeto, de ahí el término “escobilla” de carbón. Sin embargo, el deslizamiento entre ellos provoca fricción y pérdida, lo que hace necesario el reemplazo regular de la escobilla de carbón.
Además, el encendido y apagado entre la escobilla de carbón y el conector de la bobina genera chispas eléctricas, produce perturbaciones electromagnéticas e interfiere con los equipos electrónicos.
2. Principio de funcionamiento del motor sin escobillas.
En un motor sin escobillas, la conmutación la realiza el circuito de control dentro del controlador. Normalmente, esto implica un sensor Hall y un controlador, aunque también se puede utilizar tecnología más avanzada, como un codificador magnético.
El motor sin escobillas emplea conmutación electrónica, donde la bobina permanece estacionaria mientras el polo magnético gira.
Para detectar la posición del polo magnético del imán permanente, el motor sin escobillas utiliza un conjunto de equipos electrónicos que incorpora el elemento hall.
Según esta detección, el circuito electrónico cambia oportunamente la dirección de la corriente en la bobina para garantizar que el motor genere fuerza magnética en la dirección correcta para impulsarlo.
La desventaja del motor con escobillas se elimina en el motor sin escobillas.
Estos circuitos se conocen como controladores de motor.
El controlador del motor sin escobillas también puede realizar varias funciones que un motor con escobillas no puede, como ajustar el ángulo de conmutación de potencia, frenar, invertir, bloquear e interrumpir el suministro de energía del motor mediante la señal de frenado. La alarma electrónica de los coches que funcionan con baterías aprovecha estas funciones.
Un motor de CC sin escobillas, que comprende un cuerpo de motor y un controlador, es un producto mecatrónico estándar.
Dado que el motor CC sin escobillas funciona en modo de autocontrol, no requiere un devanado de arranque en el rotor como el motor síncrono que arranca bajo carga pesada con regulación de velocidad de frecuencia variable. Tampoco produce oscilaciones ni se desincroniza cuando hay un cambio brusco de carga.
Diferencias de rendimiento
1. El motor del cepillo tiene una estructura simple, un largo tiempo de desarrollo y una tecnología madura
Ya en el siglo XIX, cuando se desarrolló el motor por primera vez, el motor práctico no tenía escobillas. Se refiere al motor asíncrono de CA de jaula de ardilla, que se volvió ampliamente utilizado después de la generación de CA.
Sin embargo, el motor asíncrono tiene muchos defectos insuperables, lo que dificulta el desarrollo de la tecnología de motores. En particular, el motor DC sin escobillas no estuvo disponible comercialmente durante mucho tiempo. Sólo en los últimos años, con el rápido avance de la tecnología electrónica, estuvo disponible para su operación comercial.
Sin embargo, el motor de CC sin escobillas todavía pertenece a la categoría de motor de CA.
Poco después de la invención del motor sin escobillas, se desarrolló el motor de CC sin escobillas. El motor CC sin escobillas es popular debido a su mecanismo simple, fácil producción y procesamiento, mantenimiento conveniente y fácil control.
El motor de CC también tiene características como respuesta rápida, gran par de arranque y capacidad para entregar par nominal desde velocidad cero hasta velocidad nominal. Como resultado, se volvió ampliamente utilizado tan pronto como se introdujo.
2. El motor CC sin escobillas tiene una velocidad de respuesta rápida y un gran par de arranque.
El motor de escobillas de CC tiene varias ventajas, incluida una respuesta de arranque rápida, un par de arranque significativo, un cambio de velocidad estable, una vibración mínima de cero a la velocidad máxima y la capacidad de impulsar cargas más pesadas durante el arranque.
Por otro lado, el motor sin escobillas tiene algunas desventajas, como una alta resistencia de arranque (reactancia inductiva), lo que resulta en un factor de potencia bajo y un par de arranque relativamente pequeño. También produce un zumbido durante el arranque y fuertes vibraciones, y solo puede impulsar cargas menores durante el arranque.
3. El motor del cepillo DC funciona de manera estable y tiene un buen efecto de arranque y frenado.
El motor del cepillo está regulado por voltaje, lo que garantiza un arranque y frenado estables y un funcionamiento a velocidad constante.
Por otro lado, los motores sin escobillas suelen controlarse mediante conversión de frecuencia digital. Este proceso implica convertir CA a CC y luego nuevamente a CA, y utilizar cambios de frecuencia para controlar la velocidad.
Como resultado, los motores sin escobillas pueden presentar un rendimiento inestable y vibraciones significativas durante el arranque y el frenado. Sólo se vuelven estables cuando funcionan a una velocidad constante.
4. Alta precisión de control del motor CC sin escobillas
Un motor de CC sin escobillas generalmente se combina con un reductor y un decodificador para aumentar la potencia de salida del motor y mejorar la precisión del control.
Con una precisión de control que puede alcanzar 0,01 mm, el motor puede detener las piezas móviles en prácticamente cualquier posición deseada.
Los motores de CC controlan todas las máquinas herramienta de precisión.
Sin embargo, el motor sin escobillas no es estable durante el arranque y el frenado, y las piezas móviles se detendrán en diferentes posiciones cada vez.
Para lograr la posición deseada se debe utilizar un pasador de posicionamiento o un tope.
5. El motor de escobillas CC tiene las ventajas de un bajo costo y un mantenimiento conveniente.
El motor de escobillas de CC se usa ampliamente debido a su estructura simple, bajo costo de producción, gran cantidad de fabricantes y tecnología madura. Se utiliza comúnmente en fábricas, procesamiento de máquinas herramienta, instrumentos de precisión y otras aplicaciones.
En caso de falla del motor, simplemente reemplace la escobilla de carbón. Cada escobilla de carbón cuesta sólo unos pocos yuanes, lo que la convierte en una solución asequible.
Por otro lado, la tecnología de los motores sin escobillas aún está inmadura, el precio es elevado y la gama de aplicaciones es limitada. Es más adecuado para equipos de velocidad constante, como refrigeradores y acondicionadores de aire de frecuencia variable. Si el motor sin escobillas está dañado, solo se puede reemplazar.
6. Sin escobillas, baja interferencia
El motor sin escobillas elimina el uso de escobillas, lo que supone un cambio significativo: no se generan chispas eléctricas durante el funcionamiento. Esto tiene un impacto directo en la reducción de las interferencias provocadas por chispas eléctricas en los equipos de radio de control remoto.
7. Bajo nivel de ruido y funcionamiento suave
Un motor sin escobillas funciona sin escobillas, lo que da como resultado una fricción significativamente reducida, un funcionamiento más suave y niveles de ruido mucho más bajos. Estos beneficios contribuyen en gran medida a la estabilidad operativa del modelo.
8. Larga vida útil y bajo coste de mantenimiento.
Dado que un motor sin escobillas funciona sin escobillas, la principal fuente de desgaste está en el rodamiento. Desde un punto de vista mecánico, los motores sin escobillas prácticamente no requieren mantenimiento. Cuando sea necesario, bastará con un simple mantenimiento para eliminar el polvo.
Diferencia del modo de regulación de velocidad.
El control de los dos motores se realiza mediante regulación de tensión. Los motores de CC sin escobillas utilizan conmutación electrónica y se pueden lograr con control digital, mientras que los circuitos analógicos tradicionales, como los tiristores, se pueden usar para la conmutación de escobillas de carbón en motores de CC con escobillas, lo que lo hace relativamente simple.
1. El proceso de regular la velocidad de un motor de cepillo implica ajustar el voltaje de suministro del motor. El voltaje y la corriente establecidos se convierten a través del conmutador y el cepillo para cambiar la fuerza del campo magnético generado por el electrodo, cambiando así la velocidad. Este proceso se conoce como regulación de velocidad de voltaje variable.
2. Por el contrario, el proceso de regulación de velocidad de un motor sin escobillas implica mantener sin cambios el voltaje de alimentación del motor mientras se cambia la señal de control de regulación eléctrica. Un microprocesador cambia la velocidad de conmutación del transistor MOS de alta potencia para cambiar la velocidad. Este proceso se llama regulación de velocidad de frecuencia variable.
