Dos enfriadores de aire salen de la misma fábrica con la misma aspa, la misma carcasa y la misma clasificación de flujo de aire. Uno consume 42 W; el otro consume 34 W. Sobre el papel la diferencia es el motor, pero en la práctica es el motor, la electrónica de accionamiento y el punto exacto de la curva donde el aparato sujeta el motor mientras funciona.
La primera conclusión: la eficiencia de un motor de corriente continua sin escobillas se decide por tres cosas que usted realmente puede diseñar y verificar: el presupuesto de pérdidas dentro del motor, el presupuesto de pérdidas en los componentes electrónicos que lo activan y el punto de operación en el que la aplicación lo obliga a funcionar. Un pico de hoja de datos es un punto en una curva. Lo que un cliente paga durante más de diez años es un promedio ponderado de los ciclos de trabajo reales, la temperatura ambiente y la resistencia al flujo de aire.
Si alinea esos tres, un pequeño motor BLDC normalmente reducirá la energía de entrada entre un cuarto y un tercio en comparación con un motor de inducción monofásico básico o de polo sombreado de tamaño similar en una aplicación de ventilador. Si se equivocan: sobredimensione el motor, ignore al controlador, déjelo funcionar con una carga del 15%, y un motor de "alta eficiencia" se comportará silenciosamente como uno común y corriente.
La eficiencia es una curva, no un número
La eficiencia se cita como una cifra única porque las cifras individuales son fáciles de comparar. En un electrodoméstico se comporta como una curva con una parte superior ancha pero finita. En los pequeños motores sin escobillas utilizados en refrigeradores de aire, ventiladores de refrigeración y campanas extractoras, la eficiencia máxima suele caer en la banda del 80-90% cuando la potencia del eje se mide con el propio controlador del motor incluido. El mismo motor empujado al 15-20% del par nominal a menudo cae al rango del 50-60%, porque la pérdida de hierro, la resistencia al viento y la pérdida por conmutación no se contraen cuando la carga lo hace. Un motor de polos sombreados de tamaño comparable suele cotizarse entre el 20% y el 40%, por lo que vale la pena realizar el cambio.
La parte superior de la curva generalmente se ubica en la mitad superior del rango de velocidad, aproximadamente entre el 60% y el 85% del torque nominal, y se mantiene más plana en la mitad del rango de lo que la mayoría de los compradores esperan. Esa planitud es la parte útil: un motor dimensionado para el punto de trabajo real, no para un arranque en el peor de los casos, pasa la mayor parte de su vida cerca de la cima en lugar de en la pendiente.
Vale la pena exigir cuatro cosas a un proveedor antes de que la conversación pase al precio:
- Un mapa de eficiencia, o al menos tres puntos (carga baja, media y nominal) en lugar de una cifra máxima.
- Potencia de entrada medida en el punto de diseño del aparato, con el impulsor y la carcasa de producción, no en un eje desnudo.
- Una declaración clara de si el conductor y sus pérdidas se encuentran dentro o fuera del número citado.
- Temperatura del devanado y del imán después del estado térmico estable: dos horas, no dos minutos.
Si la terminología aún se está asentando, nuestro puntos de conocimiento básico sobre motores es un lugar razonable para comprobar las definiciones antes de comparar cotizaciones de diferentes proveedores.
Una cifra máxima medida a 24 V en un eje abierto con un controlador de laboratorio no es comparable con una medida a 12 V a través de una placa de producción dentro de una carcasa sellada. Dos proveedores que citan "88% de eficiencia" pueden estar describiendo dos máquinas diferentes.
Adónde van realmente las pérdidas
Los motores sin escobillas ganan en eficiencia por una razón específica: al quitar las escobillas se eliminan dos rutas de pérdida a la vez. El contacto de las escobillas crea fricción y también crea una caída de voltaje aproximadamente constante, que se convierte en una proporción mayor de la potencia de entrada cuanto menor es el voltaje de suministro. En un motor con escobillas de 12 V, la interfaz de las escobillas por sí sola puede consumir varios porcentajes de la energía de entrada antes de que se considere el resto de la máquina.
Lo que sustituye a las escobillas es un inversor, y no es gratuito. Un puente trifásico con seis MOSFET añade pérdida de conducción y pérdida de conmutación, y un controlador mal adaptado puede representar entre el 10 y el 20 % de las pérdidas totales. La conmutación de seis pasos es barata y perfectamente adecuada para un ventilador de velocidad fija; El control orientado al campo puede recuperar algunos puntos donde el motor pasa tiempo con carga parcial, a costa de un microcontrolador más rápido y más tiempo de ingeniería.
| Mecanismo de pérdida | Proporción típica de pérdidas totales | Palanca de diseño primario |
|---|---|---|
| Cobre del estator (resistivo) | 30-45% | Factor de llenado de cobre, densidad de corriente, camino térmico a la carcasa. |
| Hierro (histéresis y corrientes parásitas) | 15-25% | Grado y espesor de laminación, densidad de flujo, geometría de ranura. |
| Electrónica de accionamiento (conducción y conmutación) | 10-20% | Resistencia de MOSFET, frecuencia de conmutación, esquema de modulación |
| Cojinetes, resistencia al viento y resistencia del rotor. | 5-15% | Tipo de rodamiento y precarga, alineación del eje, equilibrio del impulsor |
| Pérdidas parásitas y armónicas. | 3-10% | Combinación ranura-polo, inclinación, tolerancias de fabricación. |
Dos detalles importan más de lo que sugieren la mayoría de las hojas de especificaciones. El grado de laminación es el primero: pasar a un acero más delgado y de mayor resistividad reduce la parte de la pérdida de hierro por corrientes parásitas, que es la parte más fácil de influir. La combinación de polos ranurados y la inclinación son la segunda: dan forma a las pérdidas parásitas y armónicas y, lo que es igualmente importante, al ruido que hace el aparato en su configuración de velocidad más silenciosa.
Un motor que mide ocho puntos más alto en un banco puede perder esa ventaja en el momento en que se atornilla a una carcasa con un impulsor diferente y un conducto más largo.
Cómo la carga y la temperatura mueven el punto de operación
Las cargas de ventiladores y sopladores siguen dos reglas aproximadas: el par aumenta con el cuadrado de la velocidad y la potencia del eje con el cubo. Reducir a la mitad la velocidad reduce el flujo de aire a aproximadamente la mitad y reduce la potencia del eje a aproximadamente un octavo. Ese es el argumento más fuerte a favor de la velocidad variable en campanas extractoras y enfriadores de aire, porque la mayor parte de la energía se gasta en la parte superior del rango de velocidad, mientras que la mayor parte del tiempo de funcionamiento se gasta muy por debajo de él.
Lo contrario también es cierto. En un electrodoméstico, la eficiencia no es propiedad exclusiva del motor; es una propiedad del motor más el recorrido del aire. Un filtro obstruido, un conducto torcido o una rejilla ligeramente más pequeña aumentan la presión estática, aumentan el par que exige el impulsor a la misma velocidad y deslizan el motor por el lado derecho de su curva. Un motor con un pico generoso aún puede terminar su vida con una eficiencia del 60% porque la ruta del aire nunca se adaptó a él.
La temperatura también cambia los números. La resistencia del devanado de cobre aumenta aproximadamente un 0,39% por grado Celsius, por lo que un devanado que se calienta de 25 a 90 grados añade aproximadamente una cuarta parte a su pérdida resistiva con la misma corriente. Los imanes permanentes pierden flujo a medida que se calientan (NdFeB sinterizado alrededor de 0,11-0,12% por grado Celsius), por lo que el par disponible a 100 grados es considerablemente menor que el par de catálogo medido a temperatura ambiente. Elegir un grado de imán más pesado o una mejor ruta térmica hacia la carcasa es una decisión de costos, no técnica.
Cada motor tiene un límite mínimo de pérdidas fijo: resistencia al rodamiento, resistencia al viento y pérdida por conmutación que nunca desaparecen con cargas bajas. Ésta es la razón por la que la eficiencia cae hacia cero cuando la velocidad se aproxima a cero, y por la que "la eficiencia a muy baja velocidad" es una pregunta engañosa. La pregunta útil es la energía total consumida a lo largo del ciclo de trabajo.
Los enfriadores de aire ilustran bien el problema. Funcionan durante horas en condiciones que varían con el clima, por lo que el motor debe mantener una eficiencia razonable en una banda ancha en lugar de en un punto favorable. Ése es el objetivo con el que diseñamos los motores de enfriadores de aire.
AC o BLDC: combinación del motor con el electrodoméstico
Sin escobillas no es automáticamente la elección correcta. Un motor monofásico accionado por condensador no tiene componentes electrónicos, ni detección de posición del rotor, ni firmware y tiene muy pocas piezas. En un electrodoméstico de velocidad fija con un ciclo de trabajo diario corto, es posible que la energía ahorrada por un BLDC no pague el costo adicional dentro de la vida útil del producto. Ese cálculo cambia tan pronto como la carga varía, el ciclo de trabajo se prolonga o se espera que el aparato esté silencioso a baja velocidad.
Cuando la alternativa AC sigue ganando
La operación de velocidad fija, los objetivos de costos agresivos, el suministro de red sucio o inestable y un ciclo de trabajo corto favorecen un motor asíncrono monofásico. Si el aparato sólo necesita un flujo de aire y funciona veinte minutos al día, la respuesta honesta de ingeniería suele ser la máquina más sencilla.
Las campanas extractoras se encuentran al otro lado de esa línea. La demanda de succión aumenta y disminuye con lo que hay en la placa, y la brecha entre una cocción a fuego lento y una sartén caliente es un factor de varios en el flujo de aire. Un motor de CC más control permite que la campana siga la carga en lugar de cambiar entre tres grifos, y ahí es donde se origina la mayor parte del ahorro de energía, no del motor de forma aislada. Analizamos la comparación con más detalle en un artículo sobre Cómo los motores de CC de las campanas extractoras mejoran la eficiencia energética en comparación con los motores de CA tradicionales .
Qué verificar antes de aprobar un motor
La verificación es más barata que la reelaboración. Una prueba de banco en el punto de diseño lleva medio día y responde preguntas que una hoja de datos no puede responder.
- Mida la potencia de entrada al voltaje de suministro normal del aparato, con el controlador de producción, en el punto de servicio de diseño en lugar del punto nominal del motor.
- Mida el par y la velocidad del eje al mismo tiempo. La eficiencia es el par multiplicado por la velocidad angular dividido por la potencia eléctrica de entrada; estimar el par a partir de la corriente solo es aceptable como primer paso.
- Ejecute al menos 90 minutos antes de registrar datos, para que los devanados y los imanes alcancen el estado térmico estable.
- Repita en los extremos bajo y alto del rango de control y en el peor de los casos la temperatura ambiente.
- Compare el sorteo actual con la muestra aprobada, utilizando una banda de tolerancia que esté dispuesto a aplicar; más o menos un 10% en corriente y un 5% en velocidad cubre la producción normal en motores pequeños.
Una hora de prueba en el punto de servicio real suele costar menos que un solo lote devuelto al campo. Si una eficiencia cotizada no puede reproducirse en su propia vivienda, tampoco aparecerá en la factura de la luz del usuario final.
Construimos líneas de motores de CA y CC para estas aplicaciones (motores de aire frío, motores de calefacción, motores de humos de aceite encapsulados en plástico y la gama de CC) y desarrollamos dibujos o muestras para los clientes donde una serie estándar no encaja.
La capacidad diaria superior a 80.000 unidades importa aquí en un sentido diferente: la muestra que usted aprueba tiene que ser reproducible en volumen, y la coherencia en todo un envío vale más que una cifra máxima que sólo el prototipo puede alcanzar.
La eficiencia del motor de CC sin escobillas es una propiedad del sistema. El motor contribuye con una pérdida, el conductor con otra, y el impulsor, el conducto y la temperatura ambiente deciden en qué parte de la curva se encuentra realmente el aparato. Nada de eso puede resolverse comparando las cifras máximas en dos citas. La orden de trabajo es sencilla: definir el punto de trabajo real, solicitar eficiencia en ese punto con el motor de producción, probarlo en caliente y dentro de la carcasa real, y tratar la brecha entre la eficiencia máxima y operativa como el número que aparece en el medidor.
Si ninguna serie estándar se adapta a ese punto de funcionamiento, el motor generalmente se puede desarrollar para ese punto, que es como la mayoría de los motores para electrodomésticos pequeños del mercado llegaron a su forma actual.
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