¿Cómo funcionan los motores con escobillas? Dentro de las escobillas, el conmutador y la curva de par
Dos bloques de carbono, un anillo de cobre segmentado y una bobina de alambre sobre un eje. Ese es todo el sistema de control de un motor con escobillas, y explica por qué el diseño es barato, un poco ruidoso y sigue funcionando en electrodomésticos décadas después de su primera aparición.
Conecte un suministro de 12 V a un pequeño motor con escobillas y el eje girará. Cambia los dos cables y gira hacia el otro lado. No hay controlador, ni sensor de posición ni firmware en ese bucle, porque la conmutación que mantiene el eje girando ocurre en un contacto deslizante dentro del propio motor. Una vez que ese contacto tiene sentido, los números en la hoja de datos de un motor con escobillas dejan de parecer una lista y comienzan a parecer un mecanismo.
La respuesta corta: la corriente de la bobina se invierte al girar
A motor cepillado Tiene dos partes magnéticas y un interruptor giratorio. El campo es estacionario y se genera mediante imanes permanentes en la carcasa o mediante un devanado de campo separado. Las bobinas de trabajo se encuentran en la armadura, enrolladas alrededor de un núcleo de hierro que está fijado al eje y libre para girar.
La corriente continua llega a esas bobinas a través de las escobillas. Cada cepillo presiona contra el conmutador, un cilindro de segmentos de cobre aislados. La corriente entra por la escobilla positiva, cruza hacia el segmento debajo de ella, viaja a través de una bobina de la armadura y sale por el segmento y la escobilla opuestos. Debido a que esa bobina ahora transporta corriente dentro de un campo magnético, cada lado de ella siente una fuerza en ángulo recto tanto con el campo como con la corriente, y las dos fuerzas actúan en lados opuestos del eje. La armadura gira.
El problema es que una bobina con corriente fija se alinearía con el campo y se detendría allí. El conmutador lo impide. A medida que la armadura gira, cada cepillo se desliza de un segmento al siguiente, invirtiendo la corriente en esa bobina cuando cruza el plano neutro. La polaridad de la bobina cambia, por lo que la fuerza sigue empujando el rotor en el mismo sentido. Para cada bobina, esa inversión ocurre dos veces por revolución, y la sincronización se establece únicamente por la geometría: ancho del segmento, ancho del cepillo y posición del cepillo.
Referencia rápida: la velocidad sin carga aumenta aproximadamente en proporción al voltaje de suministro, y el par del eje aumenta aproximadamente en proporción a la corriente. Es por eso que un motor de ventilador con escobillas puede controlarse con una simple etapa PWM o un suministro variable, sin retroalimentación de posición en ninguna parte del circuito.
Qué hace cada parte y qué síntoma apunta a ella
Cuando un motor con escobillas tiene un rendimiento inferior, la falla generalmente se ubica en uno de cinco lugares, y cada uno deja una huella digital diferente.
| parte | que hace | Síntoma típico cuando se degrada |
|---|---|---|
| Campo del estator | Mantiene el campo magnético fijo contra el que empuja la armadura. | Par bajo en cada velocidad, rendimiento débil después del sobrecalentamiento |
| Devanados de armadura | Llevar la corriente que genera torque. | Funcionamiento irregular, olor a aislamiento quemado, fallos repetidos de fusibles |
| conmutador | Interruptor giratorio que invierte la corriente de la bobina cada media vuelta. | Chispas intensas, segmentos ennegrecidos o rayados, velocidad fluctuante |
| Pinceles | Alimente corriente desde el circuito estacionario al conmutador giratorio. | Corta vida útil del cepillo, paradas intermitentes, formación de arcos visibles |
| Cojinetes y tapas de extremo | Mantenga el eje alineado para que el espacio de aire se mantenga uniforme. | Ruido, vibración, consumo de corriente que aumenta lentamente |
La superficie de contacto importa tanto como las propias piezas. Una película delgada, uniforme y oscura sobre el conmutador sigue formando un arco bajo; El cobre seco brillante generalmente significa que el grado del cepillo es demasiado abrasivo o que el motor funciona con demasiada ligereza durante períodos prolongados.
Por qué la corriente se invierte dos veces por revolución
- La corriente de suministro ingresa a través de la escobilla positiva y llega al segmento del conmutador que la toca.
- Ese segmento dirige la corriente a través de una bobina de armadura, que se convierte en un electroimán con un extremo norte y un extremo sur.
- Su extremo norte es repelido por el polo norte del estator y atraído por el polo sur del estator, por lo que la armadura gira.
- En el plano neutro, la escobilla cruza el espacio aislado entre los segmentos y la corriente que llega a esa bobina se corta brevemente.
- El siguiente segmento toma el relevo y ahora se invierte la dirección de la corriente a través de la bobina.
- Los polos de la bobina se han intercambiado, por lo que la fuerza sigue empujando en la misma dirección de rotación en lugar de frenar el eje.
Un motor con escobillas es un interruptor giratorio con un imán atornillado a su alrededor. El polvo de las escobillas, la vida útil de las escobillas, el ruido de radiofrecuencia y el práctico límite máximo de velocidad provienen de ese interruptor, al igual que el bajo precio.
El cuarto paso es hacia donde va el esfuerzo de ingeniería. Durante la breve interrupción, la inductancia de la bobina intenta mantener el flujo de corriente, y esa energía tiene que ir a alguna parte: un pequeño arco en la cara de la escobilla, un poco de calor o un pico de voltaje que absorbe un condensador de supresión. El grado de las escobillas, la presión del resorte y el espaciado de los segmentos se eligen para mantener el arco lo suficientemente pequeño como para sobrevivir miles de horas.
Velocidad, par y EMF inverso: leer los números correctamente
Una bobina que gira dentro de un campo magnético también es un generador. El voltaje que produce se opone al suministro y se denomina EMF y crece con velocidad. La aritmética es fácil de ver.
Tome un motor con escobillas de 12 V con 1,2 ohmios de resistencia de armadura. En el instante en que se cierra el interruptor, el rotor está estacionario, la EMF trasera es cero y el devanado puede tirar alrededor de 10 A. Una fracción de segundo después, funcionando cerca de 3000 rpm, la EMF trasera puede haber aumentado a aproximadamente 10,5 V, dejando solo 1,5 V a través de la resistencia, o alrededor de 1,25 A. La corriente de arranque y la corriente de funcionamiento son cantidades diferentes, y un suministro del tamaño de la figura en funcionamiento solo se oscurecerá en cada arranque.
- La velocidad de marcha libre se mide sin nada sobre el eje; La velocidad indicada en una página de catálogo suele ser el valor con carga nominal, que es menor.
- Las tolerancias son reales. Una ventana de más o menos 10 por ciento en la velocidad sin carga es normal y cambia el flujo de aire, el consumo de corriente y el ruido en el electrodoméstico terminado.
- El par de calado es una cifra máxima durante unos segundos como máximo. Es útil para dimensionar un fusible, no para describir el funcionamiento continuo.
Donde los motores con escobillas siguen ganando en el diseño de electrodomésticos
La conmutación sin electrónica ofrece un conjunto específico de ventajas, y siguen siendo importantes en productos sensibles a los costos:
- Costo unitario más bajo por vatio de potencia del eje, particularmente entre 5 W y 150 W.
- Par de arranque confiable; el motor tira con fuerza desde velocidad cero sin un controlador.
- Control de velocidad con una etapa PWM, una resistencia en serie o una alimentación variable.
- Cambio de dirección intercambiando dos cables.
- Comportamiento elegante cuando cae el voltaje de la batería.
Esa combinación mantiene los motores con escobillas en ventiladores de escritorio, enfriadores de aire por evaporación, calentadores de ventilador pequeños, extractores de cocina de gama económica, bombas de agua y una larga lista de accesorios automotrices.
Los fabricantes de electrodomésticos que comparan transmisiones para el movimiento del aire generalmente evalúan ambos tipos antes de bloquear un diseño. Los refrigeradores de convección forzada y los ventiladores de escritorio, por ejemplo, ahora tienen alternativas de CC que funcionan a velocidad variable.
Desgaste de las escobillas, calor y ruido eléctrico: las compensaciones honestas
La vida útil del cepillo es lo primero que hay que cuantificar, porque establece la promesa de mantenimiento que puede hacer. Las escobillas de carbón pequeñas en motores para electrodomésticos suelen durar entre 500 y 2000 horas de funcionamiento, y el rango es amplio por una buena razón: un motor que arranca y se detiene todo el día se desgasta más rápido que uno que funciona continuamente, porque gran parte de la pérdida de las escobillas ocurre en el arco de arranque.
El calor es el segundo problema. Aparecen pérdidas en el cobre, en el hierro y en la cara de las escobillas, y el rotor tiene el peor camino hacia el aire exterior. La clase de aislamiento del devanado, no la temperatura de la carcasa, establece el límite real del servicio continuo. El ruido eléctrico es el tercero: cada arco en la cara de la escobilla es un pequeño transmisor de banda ancha, razón por la cual los motores con escobillas a menudo se envían con condensadores de supresión o inductores ya instalados.
Señales de advertencia: una corriente creciente sin carga, un leve olor a ozono, una velocidad desigual bajo una carga constante o un polvo gris oscuro alrededor de la tapa del extremo indican que un cepillo está cerca del final de su vida útil. Una comprobación de la corriente sin carga en la línea de producción detecta la mayoría de ellos antes que el cliente.
Especificación de un motor con escobillas: una lista de verificación práctica para el comprador
Dos proveedores pueden cotizar "12 V, 3.000 rpm" y aún así entregar motores que se comportan de manera diferente en el mismo aparato, porque una cifra se cotiza sin carga y la otra con un par específico. Solicitar el punto de carga por escrito.
- Tensión nominal, más el rango que realmente verá la aplicación.
- Velocidad sin carga y corriente sin carga.
- Velocidad, par y corriente en el punto de funcionamiento previsto.
- Par de pérdida, con un límite de tiempo durante el cual se puede mantener.
- Objetivo de vida útil del cepillo en horas en su ciclo de trabajo real.
- Servicio continuo o intermitente y arranques esperados por hora.
- Clase de aislamiento y temperatura máxima del devanado.
- Componentes de supresión instalados y norma de emisiones que cumplen.
- Diámetro, longitud y tolerancia del eje, además de brida y patrón de tornillos.
- Ruido acústico en dB(A) en el punto de carga, a una distancia indicada.
- Certificaciones requeridas en el mercado de destino.
También ayuda trabajar con un pequeño proveedor de motores eléctricos eso construye según un dibujo o muestra en lugar de enviar solo artículos del catálogo, porque dos milímetros de longitud del eje o un grado de cepillo diferente es a menudo la diferencia entre un motor que encaja y uno que no. ¿Cómo conjunto de conmutador y cepillo Se comporta bajo carga real y vale la pena revisarlo antes de aprobar un dibujo.
Buena práctica: antes de aprobar una muestra, ejecútela durante 100 horas con la carga y el ciclo de trabajo que realmente verá el aparato, luego abra la tapa del extremo y mida los cepillos nuevamente. La curva de desgaste dice más que cualquier especificación.
Brushed o Brushless: elegir sin arrepentirse
La decisión generalmente se reduce al ciclo de trabajo y los requisitos de control más que al rendimiento bruto.
| Consideración | motor cepillado | Motor sin escobillas (conmutado electrónicamente) |
|---|---|---|
| Costo unitario | Bajar; no se requiere electrónica | Más alto; electrónica de accionamiento incluida |
| control de velocidad | Voltaje o PWM, bucle abierto | Bucle cerrado, rango amplio y preciso. |
| Vida útil | Limitado por el desgaste de las escobillas y del conmutador. | Limitado principalmente por los rodamientos. |
| Ruido y vibración | Fricción del cepillo y ondulación de conmutación. | Más suave y silencioso a baja velocidad |
| Ruido electrico | Generalmente se requiere supresión | Bajo, generado por el variador |
| Mejor ajuste | Servicio intermitente, presupuesto ajustado, alto par de arranque | Largas horas de funcionamiento, velocidad variable, etiquetas energéticas |
La ventilación de la cocina muestra claramente el cambio: las campanas extractoras funcionan durante períodos largos e irregulares y se juzgan según el ruido a baja velocidad, por lo que los motores de corriente continua de velocidad variable han tomado una participación cada vez mayor en ese mercado.
La conclusión
Un motor con escobillas funciona porque el conmutador invierte la corriente en cada bobina de la armadura exactamente cuando, de otro modo, esa bobina se alinearía y se detendría. Los imanes suministran el campo, las escobillas suministran la corriente y la geometría de los segmentos realiza la sincronización. La vida útil de las escobillas, la formación de arcos, el calor y el límite máximo de velocidad son consecuencias de mover ese interruptor hacia el exterior del rotor.
Para un comprador, la traducción es breve. Cite el punto de operación, no sólo la etiqueta; dimensionar el suministro para la corriente de arranque; y planifique el reemplazo de las escobillas o una actualización sin escobillas cuando aumenten las horas de funcionamiento. Haga eso y un motor con escobillas se convertirá en uno de los componentes más predecibles en la lista de materiales.
++86 13524608688
