Guía de motores de CC con escobillas: cómo funciona, especificaciones clave y cuándo usar uno

Un motor de CC con escobillas es uno de los diseños de motores eléctricos más antiguos y sencillos que todavía se utilizan ampliamente en la actualidad. Convierte la energía eléctrica de corriente continua en rotación mecánica utilizando una combinación de un campo magnético estacionario y un devanado de armadura giratorio. Lo que lo distingue de un motor sin escobillas es el sistema de conmutación mecánico: un par de escobillas de carbón que presionan contra un anillo conmutador de cobre segmentado montado en el eje del rotor. A medida que el rotor gira, las escobillas hacen y rompen contacto con sucesivos segmentos del conmutador, cambiando automáticamente la dirección de la corriente en los devanados del inducido para mantener una rotación continua en una dirección.

El principio de funcionamiento es sencillo: la corriente fluye desde la fuente de alimentación a través de una escobilla, hacia el conmutador, a través de los devanados del inducido, sale a través del conmutador hasta la segunda escobilla y regresa a la fuente. Los conductores portadores de corriente en la armadura se encuentran dentro de un campo magnético producido por imanes permanentes o por bobinas de campo enrolladas. La interacción entre este campo magnético y la corriente en los conductores de la armadura produce una fuerza, descrita por la ley de fuerza de Lorentz, que hace girar la armadura. El conmutador garantiza que a medida que gira la armadura, la dirección de la corriente en cada devanado cambie en el momento adecuado para mantener el par actuando continuamente en la misma dirección de rotación.

Este diseño de conmutación automática significa que un motor de CC con escobillas requiere solo un suministro de CC y ningún sistema electrónico externo para funcionar. Aplica voltaje y gira. Invierte la polaridad y gira en sentido contrario. Esta simplicidad ha mantenido la relevancia de los motores con escobillas durante más de un siglo, incluso cuando las tecnologías de motores sin escobillas y de CA han madurado.

Principales tipos de motores de CC con escobillas

Los motores de CC con escobillas no son un solo producto: son una familia de diseños con características de velocidad-par significativamente diferentes dependiendo de cómo se genera el campo magnético y cómo se conectan el campo y los circuitos de armadura.

Motor de CC con escobillas de imán permanente (PMDC)

El motor de CC de imán permanente, el tipo más común en aplicaciones de potencia pequeña y mediana, utiliza imanes fijos (normalmente ferrita o neodimio de tierras raras) para crear el campo del estator en lugar de bobinas enrolladas. Debido a que no hay un devanado de campo separado para alimentar o controlar, los motores PMDC son compactos, eficientes y tienen una relación lineal de velocidad-par: la velocidad cae proporcionalmente a medida que aumenta el par, lo que los hace fáciles de modelar y controlar. Son la opción estándar para herramientas alimentadas por batería, actuadores automotrices, pequeños electrodomésticos y aplicaciones de hobby en el rango de 3 V a 48 V. La principal limitación es que la intensidad del campo magnético está fijada por los imanes y no se puede ajustar, por lo que el control de la velocidad debe lograrse mediante voltaje de armadura o PWM en lugar de debilitar el campo.

Motor CC con escobillas enrolladas en serie

En un motor de CC bobinado en serie, el devanado de campo está conectado en serie con la armadura, por lo que la misma corriente fluye a través de ambos. Esto produce un par de arranque extremadamente alto (el campo es más fuerte cuando la corriente de armadura es más alta, lo que ocurre a baja velocidad y calado), lo que hace que los motores en serie sean ideales para aplicaciones con cargas de arranque pesadas, como grúas eléctricas, transmisiones de tracción y motores de arranque en motores de combustión interna. El inconveniente es la regulación inestable de la velocidad: a medida que disminuye la carga, la corriente cae, el campo se debilita y la velocidad aumenta bruscamente. Un motor en serie ligeramente cargado o descargado puede sobreacelerar peligrosamente. Por esta razón, los motores de CC con escobillas bobinados en serie casi nunca se utilizan en aplicaciones donde la carga se puede eliminar por completo durante el funcionamiento.

Motor de CC con escobillas y bobinado en derivación

Un motor bobinado en derivación conecta el devanado de campo en paralelo (en derivación) con la armadura a través del voltaje de suministro. Debido a que la corriente de campo depende sólo del voltaje de suministro, no de la corriente de carga, el campo permanece casi constante independientemente de la carga de la armadura. Esto proporciona a los motores de derivación una excelente regulación de la velocidad: la velocidad se mantiene relativamente estable a medida que aumenta la carga, y normalmente varía sólo entre un 5 % y un 15 % desde sin carga hasta con carga completa. Los motores de CC con escobillas y bobinado en derivación se utilizan en máquinas herramienta, imprentas y accionamientos industriales donde es importante una velocidad constante bajo cargas variables. También permiten el debilitamiento del campo para operaciones de velocidad superior a la base al reducir la corriente de campo, ampliando el rango de velocidad utilizable.

Motor CC cepillado con bobinado compuesto

Los motores de bobinado compuesto combinan devanados de campo en serie y en derivación. La configuración compuesta acumulativa, donde ambos devanados producen campos en la misma dirección, ofrece un compromiso entre el alto par de arranque de un motor en serie y la regulación de velocidad estable de un motor en derivación. Esto hace que los motores compuestos sean muy adecuados para aplicaciones con picos de carga grandes e intermitentes, como prensas, elevadores y compresores, donde el motor debe manejar cargas pesadas repentinas sin una caída excesiva de velocidad. El devanado compuesto diferencial (direcciones de campo opuestas) rara vez se utiliza en la práctica debido a sus características operativas inestables.

Motor CC con escobillas sin núcleo

Los motores de CC sin núcleo eliminan el núcleo de hierro del rotor y lo reemplazan con un devanado cilíndrico autoportante que gira dentro del campo magnético del estator. La eliminación del núcleo de hierro elimina las pérdidas de hierro (histéresis y pérdidas por corrientes parásitas) y reduce drásticamente la inercia del rotor. El resultado es una respuesta eléctrica y mecánica extremadamente rápida (los motores de CC sin núcleo y con escobillas pueden acelerar a máxima velocidad en milisegundos en lugar de decenas de milisegundos) junto con una rotación muy suave y sin engranajes a bajas velocidades. Estas propiedades hacen que los motores sin núcleo sean la opción preferida para aplicaciones de precisión: dispositivos médicos, actuadores aeroespaciales, unidades de lentes de cámaras, trazadores de bolígrafos y piezas de mano dentales de alta velocidad. Por lo general, son de tamaño pequeño y funcionan en el rango de 3 V a 24 V, con potencias de salida que rara vez superan unos pocos cientos de vatios.

Especificaciones clave explicadas

Leer con confianza la hoja de datos de un motor de CC con escobillas requiere comprender lo que cada parámetro significa realmente en la práctica y qué sucede cuando se opera fuera de sus límites.

La curva velocidad-par es la herramienta más útil para comprender la envolvente operativa de un motor de CC con escobillas. Para un motor con escobillas de imán permanente, esta curva es una línea recta desde la velocidad sin carga (velocidad máxima, par cero) hasta la parada (velocidad cero, par máximo). El punto de funcionamiento continuo nominal del motor se encuentra en algún lugar a lo largo de esta línea, limitado por límites térmicos. Cualquier punto de funcionamiento más allá de la línea de clasificación continua se permite solo de forma intermitente, durante períodos lo suficientemente cortos como para que la temperatura del devanado no exceda el límite de la clase de aislamiento (generalmente 130 °C para aislamiento Clase B y 155 °C para Clase F).

Motor de CC con escobillas versus motor de CC sin escobillas: cuándo usar cada uno

La elección entre con y sin escobillas es una de las decisiones más habituales a la hora de elegir un motor. Cada tecnología tiene un hogar genuino: ninguna es universalmente superior.

Elija un motor de CC con escobillas cuando el costo inicial y la simplicidad del control superen las preocupaciones de mantenimiento a largo plazo, por ejemplo, en electrodomésticos con una vida útil definida, robots aficionados, automatización de bajo volumen o cualquier aplicación donde el reemplazo de las escobillas sea una tarea de mantenimiento programada aceptable. Elija sin escobillas cuando el motor funcionará continuamente durante años, cuando la eficiencia afecte directamente el costo operativo o la vida útil de la batería, cuando se deba minimizar la EMI o cuando la aplicación no pueda tolerar el tiempo de inactividad por mantenimiento, como en dispositivos médicos, automatización industrial o equipos sellados.

Métodos de control de velocidad para motores de CC con escobillas

Una de las ventajas más prácticas de los motores de CC con escobillas es la gama de técnicas de control de velocidad económicas y bien establecidas disponibles para el diseñador.

Modulación de ancho de pulso (PWM) a través de H-Bridge

PWM es el método dominante para controlar motores de CC con escobillas en aplicaciones modernas. Un controlador de motor IC, configurado como un puente H, enciende y apaga el voltaje de suministro al motor a una frecuencia fija, generalmente de 10 a 20 kHz. El voltaje promedio entregado al motor y, por lo tanto, su velocidad, está determinado por el ciclo de trabajo: un ciclo de trabajo del 75% a 12 V entrega aproximadamente el equivalente a 9 V. La configuración del puente H utiliza cuatro transistores de conmutación dispuestos de manera que el motor pueda accionarse en ambas direcciones invirtiendo el par activo, lo que permite el funcionamiento bidireccional con un único chip controlador. Los circuitos integrados de puente H comunes incluyen el L298N (hasta 2 A por canal), el TB6612FNG (1,2 A continuo, preferido para proyectos de microcontroladores debido a su compatibilidad de nivel lógico) y el DRV8833 (1,5 A, tamaño compacto, limitación de corriente incorporada). Para motores con escobillas de mayor potencia, se encuentran disponibles puentes H MOSFET discretos o módulos de controlador de motor dedicados con capacidad de 10 A, 20 A o más.

Control de circuito cerrado con retroalimentación de codificador o tacómetro

El control PWM de bucle abierto establece la velocidad del motor configurando el ciclo de trabajo, pero la velocidad real del eje varía con la carga; a medida que la carga aumenta, la velocidad disminuye. Para aplicaciones que requieren una velocidad precisa y constante independientemente de la variación de la carga, un sensor de retroalimentación cierra el circuito de control. Un codificador de cuadratura montado en el eje o la salida del motor proporciona datos de posición y velocidad a un controlador PID que se ejecuta en un microcontrolador o controlador de movimiento dedicado. El algoritmo PID compara la velocidad medida con el punto de ajuste y ajusta el ciclo de trabajo en tiempo real para compensar. Este enfoque es estándar en máquinas CNC, juntas robóticas y cualquier sistema donde la precisión de la posición y la velocidad sea importante. Los codificadores magnéticos se prefieren en entornos polvorientos o propensos a vibraciones; Los codificadores ópticos ofrecen una mayor resolución en entornos limpios.

Control de corriente de campo (motores de campo bobinado)

Para motores CC con escobillas y bobinado compuesto, la velocidad también se puede ajustar variando la corriente de campo independientemente del voltaje de la armadura. La reducción de la corriente de campo debilita el campo magnético, lo que reduce la contraEMF y permite que el motor gire más rápido para un voltaje de armadura determinado, una técnica llamada debilitamiento de campo. Esto amplía el rango de velocidad utilizable del motor por encima de la velocidad base establecida por el voltaje nominal del inducido, a costa de un par reducido disponible. El debilitamiento de campo se utiliza comúnmente en variadores industriales de velocidad variable para máquinas herramienta, máquinas bobinadoras y laminadores donde se requiere un amplio rango de velocidades.

Frenado dinámico y regenerativo

Los motores DC con escobillas se pueden frenar activamente sin frenos de fricción mecánicos. El frenado dinámico provoca un cortocircuito en los terminales del motor a través de una resistencia cuando se elimina la señal de accionamiento: el motor actúa como un generador, convierte la energía cinética en calor en la resistencia y desacelera rápidamente. El frenado regenerativo va más allá: en lugar de disipar la energía en forma de calor, un accionamiento regenerativo devuelve la energía de frenado a la fuente de alimentación o a la batería. Este es el método de frenado estándar en vehículos eléctricos, montacargas y accionamientos industriales regenerativos, donde la recuperación de energía amplía significativamente el alcance o reduce los costos operativos.

Aplicaciones del mundo real de los motores de CC con escobillas

A pesar de la competencia de las tecnologías de motores paso a paso y sin escobillas, los motores de CC con escobillas siguen siendo la opción dominante en una amplia gama de aplicaciones donde su costo, simplicidad y controlabilidad brindan una ventaja decisiva.

• Sistemas automotrices: Los elevalunas eléctricos, ajustadores de asientos, accionamientos de techo corredizo, motores de ventiladores de HVAC, motores de limpiaparabrisas y actuadores de espejos son casi universalmente motores de CC con escobillas de 12 V. El voltaje bien definido del entorno automotriz (12 V nominales), los ciclos de trabajo moderados y las presiones de costos hacen que los motores con escobillas sean prácticamente predeterminados para estas funciones. Un vehículo de pasajeros típico contiene entre 20 y 40 pequeños motores de CC con escobillas.
• Herramientas eléctricas: Los taladros eléctricos con cable, las sierras circulares, las amoladoras angulares y las sierras de calar utilizaban históricamente motores de CC con escobillas de imán permanente o bobinados en serie por su alta densidad de potencia y características simples de velocidad-par. Si bien las herramientas inalámbricas están cambiando rápidamente a motores sin escobillas para un mayor tiempo de funcionamiento, las herramientas con cable todavía utilizan ampliamente motores con escobillas debido a su menor costo con una potencia de salida equivalente.
• Electrónica y electrodomésticos de consumo: Los cepillos de dientes eléctricos, los secadores de pelo, las licuadoras, los procesadores de alimentos y los pequeños ventiladores utilizan pequeños motores de cepillado con imanes permanentes. Su costo unitario muy bajo y su vida útil aceptable para productos de consumo (generalmente de 3 a 7 años) los convierten en los predeterminados para aplicaciones de electrodomésticos de gran volumen.
• Proyectos de robótica y hobby: Los robots controlados por Arduino, los coches RC, la animatrónica y las plataformas de robótica educativa casi universalmente comienzan con motores de CC con escobillas porque pueden accionarse directamente desde módulos de puente H ampliamente disponibles con un conocimiento mínimo de electrónica. El extenso ecosistema de circuitos integrados de controladores compatibles y la curva velocidad-par lineal y predecible simplifican la creación de prototipos en las primeras etapas.
• Actuadores y transportadores industriales: Los accionamientos de cintas transportadoras, actuadores de válvulas, accionamientos de compuertas y equipos de manipulación de materiales de uso liviano en el extremo inferior del rango de potencia continúan utilizando motores en derivación y con escobillas de bobinado compuesto, particularmente en aplicaciones con infraestructura de CC existente o donde se prefiere la simplicidad de un accionamiento de CC controlado por tiristores a un sistema inversor de CA.
• Instrumentos médicos y de precisión: Sin núcleo motores de corriente continua con escobillas accionan herramientas quirúrgicas, bombas de infusión, instrumentos oftalmológicos y sistemas de dispensación de precisión donde la rotación suave y sin engranajes a baja velocidad y la respuesta dinámica rápida son más importantes que la vida útil sin mantenimiento, y donde la capacidad de inspeccionar y reemplazar los cepillos es una compensación aceptable.

Comprender el desgaste y el mantenimiento de las escobillas

Las escobillas de carbón y el conmutador son los principales componentes de desgaste en un motor de CC con escobillas, y administrarlos correctamente es la clave para maximizar la vida útil y evitar fallas no planificadas.

Cómo se desgastan los cepillos

Las escobillas de carbón se desgastan debido a una combinación de abrasión mecánica contra la superficie giratoria del conmutador y erosión electroquímica por el arco que se produce cada vez que una escobilla pasa entre los segmentos del conmutador. Una fina película de óxido de cobre y grafito, llamada pátina o película, se acumula en la superficie del conmutador durante el funcionamiento normal y, de hecho, reduce la fricción y la tasa de desgaste. Alterar esta película mediante el uso de cepillos incorrectos, operar en condiciones excesivamente secas o húmedas o hacer funcionar el motor con chispas significativas acelera el desgaste. La vida útil típica de las escobillas para un motor de CC con escobillas en servicio continuo oscila entre 500 horas para un motor de consumo de construcción liviana y 3000 horas o más para un motor de grado industrial con escobillas de grafito de alta calidad y mantenimiento adecuado de la superficie del conmutador.

Señales de que es necesario reemplazar los cepillos

• Aumento de chispas visibles en la interfaz del conmutador de escobillas durante la operación, visible como un brillo blanco azulado en un ambiente oscuro
• Aumento del ruido eléctrico o EMI que afecta a los dispositivos electrónicos cercanos, causado por un contacto irregular a medida que las escobillas se desgastan de manera desigual
• Par motor o velocidad reducidos con el mismo voltaje de suministro, lo que indica una mayor resistencia de contacto de las escobillas a medida que la superficie de las escobillas se degrada
• Longitud del cepillo igual o inferior a la marca mínima del fabricante, normalmente indicada por una ranura de desgaste o una dimensión mínima impresa en el cuerpo del cepillo.
• Acumulación de polvo de carbón negro dentro de la carcasa del motor, lo que indica un desgaste acelerado de las escobillas debido a chispas o condiciones secas del conmutador.

Cuidado del conmutador

La superficie del conmutador debe ser lisa, cilíndrica y de color marrón medio debido a la película de pátina sana. Las ranuras cortadas por cepillos desgastados, los puntos planos debido al desgaste desigual o las marcas negras de quemaduras debido al exceso de chispas requieren acciones correctivas. La oxidación ligera de la superficie se puede eliminar con una varilla de limpieza del conmutador (una varilla de grafito o una piedra de conmutador) aplicada al conmutador giratorio sin desmontar el motor. Las ranuras más profundas y las condiciones deformadas requieren mecanizado (girar el conmutador en un torno para restaurar la concentricidad) después de lo cual se debe socavar el aislamiento de mica entre los segmentos del conmutador para evitar que se desplace por encima de la superficie de cobre. Estos procedimientos extienden significativamente la vida útil del motor y son una práctica estándar en los programas de mantenimiento de motores industriales.

Cómo seleccionar el motor CC con escobillas adecuado para su aplicación

Los errores en la selección del motor son comunes y costosos. Este marco práctico le garantiza tener en cuenta los parámetros que realmente determinan si un motor funcionará de manera confiable en su aplicación.

• Primero defina su requisito de torsión: Calcule el par que exige su carga en el eje de salida del motor, incluida la fricción, la inercia durante la aceleración y las cargas máximas en el peor de los casos. Agregue un margen de seguridad del 25 al 30 %. Esta es su especificación de par continuo mínimo; no seleccione un motor cuyo par nominal esté por debajo de este valor.
• Determine la velocidad requerida: Establezca el rango de velocidad del eje de salida que su aplicación necesita. Recuerde que la velocidad de funcionamiento real de un motor bajo carga será entre un 10% y un 20% inferior a la cifra de velocidad sin carga en la hoja de datos. Seleccione un motor cuya velocidad al par de operación esperado cumpla con sus requisitos, no uno cuya velocidad sin carga lo haga.
• Haga coincidir el voltaje con su fuente de alimentación: Seleccione un motor clasificado para el voltaje disponible en su sistema. Hacer funcionar un motor de 12 V con un suministro de 24 V acortará drásticamente su vida útil. Si su voltaje de suministro es variable (sistemas alimentados por baterías), use el voltaje nominal de carga media como punto de diseño, no el voltaje de carga máximo o mínimo.
• Verifique que el controlador pueda manejar la corriente de pérdida: La corriente de pérdida de un motor de CC con escobillas suele ser de 5 a 10 veces la corriente sin carga. Dimensione el controlador de su motor y la fuente de alimentación para generar esta corriente durante el arranque y las condiciones de atasco, o agregue una limitación de corriente en el controlador para proteger el motor y los componentes electrónicos de eventos de bloqueo sostenidos.
• Evalúe el ciclo de trabajo y los requisitos térmicos: Si el motor funciona continuamente, seleccione un motor clasificado para servicio S1 (continuo) al par requerido. Para aplicaciones intermitentes, identifique el tiempo de encendido, apagado y el par máximo durante el período de encendido, luego verifique que el modelo térmico del motor muestre que la temperatura del devanado se mantiene dentro de los límites de la clase de aislamiento durante un ciclo de trabajo completo.
• Considere el medio ambiente: Los motores de CC con escobillas estándar son de marco abierto y no tienen protección de ingreso. Para ambientes polvorientos, húmedos o lavables, especifique motores con clasificación IP o motores cerrados con cámaras de cepillos selladas. Para atmósferas explosivas, utilice motores con clasificación ATEX. Para aplicaciones alimentarias y farmacéuticas, confirme el cumplimiento del lubricante (grasa NSF H1 para zonas de contacto incidental con alimentos).
• Tenga en cuenta las expectativas de vida útil: Si el motor debe funcionar durante 5000 horas sin mantenimiento, un motor con escobillas probablemente sea la elección equivocada; considere la posibilidad de utilizar un motor sin escobillas. Si la aplicación tiene una vida útil definida de 2 a 3 años con uso intermitente, los motores con escobillas son muy adecuados y significativamente más rentables.