El motor DC, también llamado motor de corriente continua, pertenece a la clase de los electromotores y sirve principalmente para transformar la energía eléctrica en energía mecánica. La mayoría de las formas de construcción del motor DC se basa en fuerzas magnéticas y dispone de mecanismos internos de tipo electrónico o electromecánico. También característico de los motores de corriente continua convencionales es el acumulador, que cambia periódicamente la dirección del flujo de corriente dentro del motor. Una modificación del motor DC clásico que resulta más potente en numerosos ámbitos de aplicación es el motor DC sin escobillas, que prescinde de contactos de roce y ofrece así, entre otras cosas, una vida útil más larga.
A pesar de la creciente utilización de motores AC y de la gran rivalidad con ellos, que, como motores trifásicos, también se consideran electromotores, los motores DC todavía tienen una importancia enorme a día de hoy. Gracias a sus características, (especialmente la regulabilidad de revoluciones y par motor, que es precisa y extremadamente variable), se utilizan en diversas aplicaciones industriales. Ejemplo de ello son los servoaccionamientos de la serie PMA de Harmonic Drive AG, compuestos por un motor de corriente continua altamente dinámico con codificador incremental y la caja de reductor PMG. Son ideales para aplicaciones de la industria de semiconductores, la técnica de la medicina y para ser utilizados en máquinas de medición y de control.
Estructura y modo de funcionamiento del motor DC
La estructura del motor DC clásico sigue un modo de construcción sobrio y emplea pocos componentes. Los elementos principales son el estator y el rotor. Como componente fijo, inmóvil, el estator suele estar compuesto de un electroimán o, (sobre todo en máquinas pequeñas), de un imán permanente. En el interior del estator, con el rotor, también denominado ancla, se encuentra un componente giratorio que en los motores DC convencionales también está hecho con un electroimán. Los motores de corriente continua con la asignación descrita de estator y rotor se denominan de rotor interior o central, mientras que la estructura contraria se corresponde al denominado motor de rotor exterior o inducido exterior.
Las bobinas del rotor se conectan mediante un conmutador. Este sirve como alternador de polos y alberga contactos de roce que adquieren una forma tipo cepillo y están fabricados con un material eléctricamente conductor. Los materiales más apreciados son grafito y, dependiendo de la aplicación específica del motor, materiales enriquecidos con metal. En servicio, los contactos de roce son determinados para el funcionamiento del motor DC convencional. Puesto que, cuando fluye corriente continua a través de la bobina del rotor o a través del rotor, este se convierte en un electroimán y genera, gracias a las características del estator, fuerzas magnéticas. Debido a que los polos del mismo signo se rechazan y los polos diferentes se atraen, el resultado es un movimiento giratorio del rotor, movimiento este que principalmente terminaría en un ámbito neutral. Para garantizar una rotación continua debe producirse una reversión periódica de la dirección de la corriente. Mediante la intervención de las escobillas, el acumulador del motor de corriente continua realiza estas inversiones de polos periódicas.
En lo que respecta a la construcción, la diferencia de motores DC con escobillas también se puede profundizar según el tipo de conmutación de ancla y de bobina de estator. En la máquina de conexión principal, también conocida como máquina de conexión en serie, el inductor (bobina del agente) y la bobina del rotor están conectados en serie, esto es, uno después de otro, lo cual crea la base de la alimentación de corriente alterna. La pieza contrapuesta o contraparte es la máquina de conexión paralela, en la que ambas bobinas se conectan paralelamente. Una combinación de máquina de conexión en serie y máquina de conexión paralela se encuentra en el motor combinado o compuesto (compound). Dependiendo de la configuración da soporte a un modo de funcionamiento diferente y se beneficia de las ventajas de ambos tipos de construcción.
Conmutación en los motores DC sin escobillas
En concurrencia con el motor DC con escobillas se encuentra el motor DC sin escobillas (en inglés «Brushless DC Motor», abreviado: BLDC). Conforme a su nombre, esta forma de construcción se diferencia de la construcción clásica en un aspecto esencial: no se utilizan contactos de roce mecánicos como las escobillas. El lugar de la conmutación mecánica lo ocupa una conmutación de potencia electrónica que hace un seguimiento de la posición del rotor mediante un sistema sensor y que, de esta forma, permite una conmutación electrónica. Mediante la integración de, por ejemplo, algoritmos de regulación en muchos ámbitos de aplicación se puede realizar también una conmutación sin sensores. La estructura de un motor DC sin escobilla se puede comparar, por tanto, con la estructura de un motor síncrono sin amortiguación, donde hay dadas variadas posibilidades de control y, gracias al sistema electrónico de conversión, es posible una alimentación con tensión continua. Frecuentemente se ejecutan de forma trifásica motores DC sin escobillas o bobinas magnéticas del estator integrado.
Comparación entre motores DC sin escobillas y con escobillas
La elección entre un motor DC sin escobillas y sin escobillas tiene consecuencias de calado y debería estar supeditada al perfil de requisitos de la aplicación en cuestión, ya que las características de rendimiento de ambas construcciones se diferencian en algunos aspectos de forma sustancial. También hay que tener en cuenta factores como los gastos de adquisición y de mantenimiento.
Los efectos y diferencias de sistemas de conmutación con escobillas y sin escobillas deben considerarse especialmente atendiendo a la vida útil del motor de corriente continua. Dado que los contactos deslizantes o las escobillas son componentes físicos, que trabajan mecánicamente, existe un desgaste continuado; esto limita la duración de su utilización. Altas revoluciones, vibraciones y factores similares suponen un desgaste adicional y pueden influenciar sobremanera la vida útil de las escobillas. La duración de utilización de motores DC sin escobillas, por su parte, solo es limitada por rodamientos de bolas y puede calcularse, en gran medida, de forma objetiva. Gracias a la ausencia de roce mecánico, aquí se evita el peligro de fuego en el cepillo, que surjan chispas en el acumulador. Los cepillos también restringen el uso bajo determinadas condiciones del entorno; por ejemplo, para aplicaciones de alto vacío solo entran en consideración motores DC sin escobillas.
En comparación directa con motores de escobillas, los motores sin escobillas presentan diversas ventajas de rendimiento. Estas pueden variar dependiendo de la aplicación y pueden manifestarse de variadas formas, pero generalmente incluyen un par de arranche mayor, un control altamente preciso - y más resistente frente a oscilaciones de carga - y también revoluciones más elevadas.
En el funcionamiento, la variante con escobillas ofrece ventajas: para poner el rotor en movimiento solamente hace falta suministrar tensión a dos conexiones. Hay pocos tipos de motores que puedan manejarse de forma tan sencilla. Por el contrario, los motores DC sin escobillas necesitan un sistema de conmutación electrónico y requieren una puesta en servicio más complicada. Este sistema electrónico y el sistema sensor frecuentemente utilizado en motores de corriente continua sin escobillas tienden, además, a conllevar mayores gastos de adquisición, de forma que también juega un papel relevante el aspecto económico.
Ámbitos de aplicación de motores DC sin escobillas y con escobillas
Debido a la variedad de configuraciones técnicas, los motores DC son parte integrante de distintas aplicaciones y se emplean en diferentes sectores. Especialmente el control relativamente sencillo de revoluciones y par motor, la regulabilidad precisa y el gran dinamismo posibilitan un amplio espectro de aplicaciones.
Como tipo de motor convencional y experimentado, los motores DC con escobillas requieren pocos componentes externos o incluso ninguno, lo cual los hace también más útiles bajo condiciones del entorno duras. Aplicaciones adecuadas serían, entre otras, máquinas giratorias y afiladoras, instalaciones transportadoras y aspiradores. Además, con motores DC con escobillas pueden accionarse compresores, máquinas de rotación y ascensores.
En casos como el del ámbito de la robótica, donde se requiere un control extremadamente preciso y un par motor reducido se utilizan motores DC con imán permanente integrado. Gracias a las ventajas de rendimiento frente a los motores DC con escobillas, los modelos sin escobillas se emplean en un espectro creciente de campos de aplicación. En numerosos sectores y áreas concretas de las más diversas ramas de la economía los motores DC sin escobillas ya han superado a su competidor.
La utilización de motores de corriente continua sin escobillas en la industria se concentra principalmente en aplicaciones de la técnica de fabricación y en la automatización industrial. Sobre todo los sistemas de control de movimiento, de accionamiento y de posicionamiento se benefician de las características de este tipo de motor. Un representante destacado de motores DC sin cepillo son los motores paso a paso, los cuales se utilizan especialmente en el control de posicionamiento de circuitos reguladores abiertos. En muchos entornos industriales, los motores paso a paso dan soporte a procesos automatizados y se utilizan, entre otros, en máquinas para procesos «pick and place».
Los motores de corriente continua sin escobillas también son muy populares en aviones en miniatura y en drones. En este contexto, en primer plano se encuentran la relación entre rendimiento y peso, así como la elección de distintos tamaños del tipo de motor, puesto que, mientras que los motores de combustión antiguos, debido a su perfil, accionan aviones en miniatura grandes y pesados, los motores DC sin escobilla hacen posibles modelos más ligeros.