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Principio de funcionamiento

En un motor de corriente continua con escobillas, se obtiene par motor gracias a la interacción del campo magnético inductor, estacionario, y la intensidad del arrollamiento inducido giratorio. Campo y corriente eléctrica se mantienen siempre en la misma posición relativa gracias al mecanismo de conmutación formado por el colector de delgas y las escobillas. En motores de pequeña potencia suele obtenerse la excitación mediante imanes permanentes. En este caso, solo se dispone de dos terminales para el control y la alimentación del motor. Las relaciones básicas electromecánicas son en este caso las siguientes:  

Siendo, Tm: Par motor; i: intensidad de inducido; E: tensión inducida; W: velocidad angular

El hecho de tener control directo sobre el par mediante la intensidad de inducido, y sobre la velocidad a través de la tensión, convierte a este motor en el modelo de referencia para la regulación de velocidad. No obstante, la alimentación del inducido a través de las escobillas y el colector presenta muchos inconvenientes, hasta el punto que en algunos casos se hace inviable su utilización.

El motor que nos ocupa es similar al de corriente continua con escobillas, con las siguientes salvedades: a) la conmutación se realiza de forma electrónica en lugar de mecánica; b) los imanes permanentes van alojados en el rotor en lugar de en el estator y c) las bobinas van alojadas en el estator, constituyendo un devanado monofásico o polifásico.

Su funcionamiento se basa en la alimentación secuencial de cada una de las fases del estator de forma sincronizada con el movimiento del rotor. De esta forma, los imanes permanentes siguen el movimiento del campo magnético estatórico, cuyo desplazamiento depende a su vez del giro del rotor.  

Fig. 1: Esquema de funcionamiento de un motor de corriente continua sin escobillas  

Fig. 2: Aspecto de un motor de corriente continua sin escobillas trifásico

La figura 3 muestra la configuración más empleada de la etapa de potencia. Se compone de seis transistores de potencia MOSFETs o IGBTs, dependiendo de la tensión de alimentación. Para la regulación de velocidad se emplea la técnica PWM con portadora de alta frecuencia.   

Fig. 3:Inversor trifásico en puente con IGBTs

Una primera clasificación de estos motores se realiza en base a la forma de la onda de tensión inducida y los divide en dos grupos. En el primero se encuentran aquellos cuya onda de tensión inducida es senoidal, también llamados "Motores Síncronos de Imanes Permanentes". Son motores de altas prestaciones y se emplean sobre todo en servosistemas. En un segundo grupo se incluyen los de onda trapezoidal, conocidos como “Motores de Corriente Continua sin Escobillas, o "BRUSHLESS DC”. Suelen ser motores de pequeña potencia y de prestaciones dinámicas no muy exigentes.

Control del motor de f.e.m. senoidal

Los motores de f.e.m. senoidal han de ser alimentados con un sistema de tensiones e intensidades también senoidales, y sincronizadas en todo momento con la f.e.m. inducida. El control de estos motores es complejo y se recurre a técnicas similares a las empleadas en los motores asíncronos, incluidas las técnicas de control vectorial.   

Control del motor de f.e.m. trapezoidal

La figura 4 muestra las ondas de tensión y de intensidad correspondiente a una fase para un motor de este tipo. En la figura 5 se han dibujado las tres tensiones para un motor trifásico y los transistores que intervienen en cada intervalo de funcionamiento. Hay que destacar que la conducción se realiza siempre a través de dos transistores; uno de los del grupo superior (T1, T2 o T3) y otro de los del inferior (T4, T5 o T6), de forma que siempre hay una bobina desactivada.   

Fig. 4:Formas básicas de tensión e intensidad de un motor de CC sin escobillas

   Fig. 5: Ondas de ff.ee.mm. e intervalos de conducción

La eliminación de las escobillas conlleva la necesidad de un circuito electrónico encargado de alimentar las distintas fases en función de la posición del eje y la de un sistema de sensores, tres por lo general, para detectar la posición del mismo. Estos sensores suelen ser del tipo Hall, sensibles al campo magnético, colocados en el devanado del estator y cerca de los imanes del rotor. La existencia de estos elementos presenta algunos inconvenientes, como son la menor fiabilidad y la complejidad de montaje de los sensores y de su cableado, lo que encarece la fabricación del motor. Por todo ello, en los últimos años se han desarrollados sistemas de detección “sin sensores” para aquellas aplicaciones donde no se requiere par motor a muy baja velocidad. Las técnicas se basan en determinar la posición rotórica a partir de las tensiones inducidas en los devanados del motor. Como quiera que en la fase de arranque no se dispone de tensiones generadas por el movimiento, se recurre a distintas técnicas de puesta en marcha dependiendo de la aplicación; todas ellas basadas en microcontroladores o en circuitos integrados específicos. 

 Fig. 6: Sistema de tensiones utilizadas para determinar la posición rotórica en un Motor de CC sin escobillas sin sensores de posición.

Tendencias

El auge de estos motores en los últimos años no se debe tanto al desarrollo de nuevas técnicas como al abaratamiento de los componentes electrónicos, tanto de control como de potencia. También, se han beneficiado de la reducción de precios de los imanes permanentes de altas prestaciones a base de tierras raras como el Neodimio o el Samario (Nd-Fe-B, y Sm-Co). Las características magnéticas de estos imanes permiten reducir de forma significativa el peso de los motores en comparación con los que incorporan los imanes convencionales de ferrita.