Motores con escobillas y sin escobillas: ¿Cuál es su diferencia?

El motor de herramientas eléctricas está diseñado para convertir la energía eléctrica en movimiento mecánico. El mercado está rebosado de una gran variedad de motores que pueden manejar diferentes aplicaciones y requerimientos de potencia. Los dos tipos más comunes de motores son los sin escobillas y los con escobillas. Aunque se basan en los mismos principios físicos, su estructura, rendimiento y control difieren significativamente

El motor sin escobillas (conocido también Brushless), cada vez más popular entre los usuarios profesionales y de bricolaje, no es nuevo en el mercado. Para entender su origen, es importante remontarse a los inventos del Sr. Ernst Werner von Siemens en 1856. Aunque parezcan rudimentarios, los inventos se han mejoras en diversas ocasiones a lo largo de las décadas, una de las cuales fue un reóstato para controlar con precisión la velocidad de rotación del eje.

El camino del citado motor hacia la prominencia comenzó a principios de la década de 1960 con la llegada de un regulador de potencia capaz de convertir la corriente alterna (CA) en corriente continua (CC). En 1962, T. G. Wilson y P. H. Trickey publicaron un artículo que describía un motor Brushless a base de corriente continua. Las unidades estaban dotadas de una tecnología que aprovechaba el magnetismo y se oponía sucesivamente a un dispositivo eléctrico. La mayor revelación del concepto del motor Brushless fue la ausencia de un interruptor físico para transmitir la corriente.

Sin embargo, antes de la década de 1980 el motor Brushless empezó a funcionar extraordinariamente La mayor disponibilidad de imanes permanentes combinada con transistores de alto voltaje ha permitido que este tipo de motor genere tanta potencia como los motores con escobillas. El desarrollo del motor Brushless no ha cesado en las últimas tres décadas, dando lugar a transformación de la forma en que los fabricantes de taladros producen herramientas de perforación eficientes. A su vez, los clientes están aprovechando las ventajas clave asociadas a la variedad y a la reducción de los requisitos de mantenimiento.

¿Cómo funciona un motor de taladro?

🔴 La principal diferencia entre los taladros cono motores con escobillas y Brushless, es que las primeras variantes están fabricadas de carbono, mientras que las segundas utilizan imanes para generar energía. Así que los motores Brushless se adaptan mejor, no generan fricción, producen menos calentamiento y ofrecen un mayor rendimiento. Además, reducen considerablemente el mantenimiento, que se reduce a la limpieza del polvo y no es necesario sustituir las escobillas desgastadas.

En un motor Brushless, la conmutación de los devanados no es mecánica, sino que se acciona electrónicamente mediante un dispositivo conocido como controlador. Esta pieza transforma la corriente continua en una corriente trifásica de frecuencia variable y alimenta sucesivamente las bobinas del motor para crear el campo giratorio. Es comprensible que, con este principio de alimentación, las bobinas estén fijas en el motor y no giren como en los motores con escobillas.

¿Qué son las escobillas?

Las escobillas de carbón sirven para el funcionamiento adecuado de las herramientas con motor de escobillas, como taladros, martillos neumáticos, cepilladoras, cortasetos y amoladoras. Las escobillas de carbón se eligen en función de la marca y el tipo de herramienta. Se instalan en la parte fija de un motor para garantizar una transmisión óptima de la potencia al rotor (la parte giratoria). Proporcionan la conmutación libre de chispa.

Al trabajar en parejas, estos componentes son piezas de desgaste y están sujetos a la fricción. Las escobillas de carbón están en contacto permanente con los anillos rozantes. Fabricados en grafito, estos componentes son de diferentes tipos. Pueden estar equipados con un muelle, un conector (un cable con enchufe) o sin portaescobillas. Las escobillas tienen diferentes tamaños y formas (cuadradas y principalmente rectangulares) y pueden disponer de ranuras para mejorar el guiado.

🔴 La velocidad de la broca se especifica como parte del par de apriete, que depende de la fuerza del campo magnético. Las escobillas de carbón con muelle se fijan a un muelle que está equipado con una placa para garantizar el paso suave de la potencia. En algunos casos, las escobillas están montadas en un portaescobillas que incorpora un muelle diseñado para potenciar el empuje.

Por otro lado, las escobillas rompedoras se utilizan para detener el funcionamiento del motor y, en última instancia, del taladro antes del desgaste completo del material de grafito. El objetivo es mantener un rendimiento óptimo.

Los fabricantes de herramientas eléctricas portátiles, incluidos los taladros, suelen vender escobillas compatibles con sus máquinas. Las dimensiones se expresan en milímetros o pulgadas, que representan el grosor, la profundidad y la anchura. Sin embargo, estas especificaciones pueden variar de un fabricante a otro.

Desventajas de los motores con escobillas

Aunque los motores con escobillas son baratos, fiables y con una elevada relación de par o inercia, también presentan una serie de desventajas. Estos componentes se desgastan con el paso de tiempo produciendo polvo. Este tipo de motor requiere un mantenimiento regular para limpiar o sustituir las escobillas. También tienen una baja capacidad de disipación del calor debido a las limitaciones del rotor, una alta inercia del rotor, una baja velocidad máxima e interferencias electromagnéticas (EMI) debido a la formación de arcos en las escobillas.

🔴 El principio de funcionamiento de los motores Brushless es el mismo que el de los motores con escobillas (control de conmutación mediante la retroalimentación de la posición del eje interno), sin embargo, su diseño general es diferente. El diseño de las unidades sin carbón minimiza la resistencia interna y contribuye a disipar el calor generado en las bobinas del estator. La eficiencia es, por tanto, mejor, ya que el calor de las bobinas puede disiparse de forma más eficiente gracias a la carcasa estacionaria del motor, mucho más grande.

A diferencia del motor con escobillas, el imán permanente de la unidad sin carbón está montado en el rotor. El estator es de acero laminado ranurado y contiene los devanados de la bobina. Por otro lado, las unidades con escobillas requieren pocos o ningún componente externo y, por tanto, funcionan bien en condiciones restrictivas.

¿Qué es un motor de taladro sin escobillas (brushless)?

Para entender qué significa “sin escobillas”, es fundamental tener en cuenta el diseño básico de estos motores. Los devanados del estator pueden estar dispuestos en estrella (o en Y) o en triángulo. El bobinado puede realizarse con o sin ranuras. Un motor de perforación sin ranuras tiene una inductancia menor. Por lo tanto, puede funcionar más rápido y causar menos ondulaciones a velocidades más bajas. Su mayor desventaja es el mayor coste, ya que es necesario multiplicar los devanados para compensar un mayor espacio aéreo.

El número de polos del rotor puede variar en función de la aplicación. Un mayor número de polos aumenta el par, pero reduce la velocidad máxima. El material utilizado para fabricar los imanes permanentes también tiene consecuencias en el par máximo, que aumenta con la densidad de flujo.

Dado que la conmutación debe realizarse electrónicamente, el control de un motor sin escobillas es mucho más complejo que el de los esquemas sencillos asociados a las unidades con escobillas. Se utilizan métodos de control tanto analógicos como digitales. El bloque de control básico es similar al de los motores con escobillas, pero es obligatorio un control en bucle cerrado.

En los motores sin escobillas se utilizan tres tipos principales de algoritmos de control: conmutación trapezoidal, conmutación sinusoidal y control vectorial (u orientado al campo). Cada algoritmo de control puede implementarse de diferentes maneras, dependiendo de la codificación del software y del diseño del hardware. Cada uno ofrece ventajas y desventajas específicas.

🔴 La conmutación trapezoidal requiere los circuitos y el software de control más sencillos, lo que la convierte en una solución ideal para aplicaciones básicas. Utiliza un proceso de seis pasos mediante la retroalimentación de la posición del rotor. La conmutación trapezoidal controla eficazmente la velocidad y la potencia del motor, pero sufre una ondulación del par durante la conmutación, especialmente a bajas velocidades.

La conmutación sin sensores (que estima la posición del rotor midiendo la FEM trasera del motor) ofrece un rendimiento impresionante a costa de una mayor complejidad del algoritmo. Al eliminar los sensores de efecto Hall y sus circuitos de interfaz, esta conmutación sin sensores reduce los costes de los componentes y la instalación y simplifica el diseño del sistema. Esto ayuda a responder a la pregunta: ¿qué es un motor Brushless?

Ventajas de un motor sin escobillas (brushless)

La tecnología de motores Brushless no sólo mejora la potencia de sus herramientas eléctricas sin cable, sino que también prolonga su vida útil. Con este tipo de motores, prácticamente no tendrás que preocuparse por el mantenimiento.

Las ventajas de la tecnología Brushless son numerosas. La ausencia de escobillas elimina los problemas asociados al sobrecalentamiento y las averías. Por lo tanto, la vida útil del motor sin carbón está relacionada únicamente con los rodamientos. El referido motor es más compacto y dos o tres veces más ligero que las unidades con escobillas. Esto mejora la portabilidad, además de reducir las vibraciones y el ruido.

Las conmutaciones electrónicas permiten un posicionamiento preciso. El motor alcanza velocidades de hasta 50.000 rpm con rotores óptimamente equilibrados. El módulo electrónico proporciona una mayor flexibilidad con un rango de variación más amplio y, especialmente, el mantenimiento del par desde el inicio.

🔴 Al no haber fricción entre el rotor y el estator, la eficiencia mejora considerablemente. El calor y la fricción se reducen mientras se optimiza la energía de la batería. Esto aumenta la potencia y la autonomía hasta un 25 por ciento con respecto a las baterías convencionales. Según los fabricantes, las últimas generaciones de baterías de iones de litio proporcionan hasta un 50 o incluso un 60 por ciento de mayor autonomía.

La ausencia de fricción permite que el motor funcione sin producir chispas incluso durante aplicaciones intensivas. La tecnología Brushless no tiene zona de contacto, lo que reduce considerablemente el desgaste y el mantenimiento. Esto ofrece varias ventajas: el motor es más eficiente desde el punto de vista energético, evita el sobrecalentamiento, elimina la necesidad de sustituir las escobillas y los usuarios disfrutan de una mayor duración de la batería; comprobará que el mejor taladro sin cable funciona con un motor Brushless.

Motores con escobillas o sin escobillas: ¿Por qué el coste adicional?

En un motor eléctrico convencional, el rotor (parte giratoria de la máquina) se mueve dentro del estator (parte fija). Ambos están unidos por una conexión eléctrica: el colector o conmutador, que está en contacto con pequeñas escobillas de carbón.

🔴 En la tecnología Brushless, el rotor está formado por imanes y el estator por bobinas que se cargan alternativamente de forma positiva o negativa. Así, los polos se atraen y repelen permitiendo que el motor gire. La ventaja es que no hay contacto físico entre el rotor y el estator. La energía pasa de uno a otro a través del magnetismo entre electroimanes.

Alimentado por una corriente continua, el motor funciona con una corriente alterna producida por una tarjeta electrónica que transforma la corriente continua en trifásica de frecuencia variable. Así, las bobinas se alimentan alternativamente para crear un campo giratorio y, por tanto, la rotación. El módulo electrónico, integrado en el motor o en una carcasa, regula continuamente la corriente para que el motor funcione con la máxima eficacia. Esto mejora el rendimiento general y, por tanto, ofrece una verdadera relación calidad-precio.

Preguntas Frecuentes (FAQ)

¿Qué diferencias tienen los motores con escobillas y sin escobillas?
La principal diferencia entre los motores con escobillas y sin escobillas (brusshed / brushless) radica en su estructura. El funcionamiento de los sin escobillas depende de la fuerza de su campo magnético.

¿Cuáles son las ventajas de un motor sin escobillas?
Las ventajas primordiales que ofrecen los motores sin escobillas son su alta eficiencia, menos calor y ruido del dispositivo, larga vida útil y la mejor relación entre potencia de salida y tamaño.

¿Qué desventajas ofrecen motores con escobillas en comparación con los brushless?
Son los más pesados. Requieren mantenimiento y limpieza regulares. Ofrecen menor rango de velocidad y una vida útil más corta.

Conclusión

En resumen, técnicamente hablando los motores sin escobillas son mejores que las unidades con escobillas. Los usuarios pueden beneficiarse de un menor mantenimiento, una mayor eficiencia y una reducción del calor y el ruido. Los motores sin escobillas son unidades síncronas con uno o más imanes permanentes.
Las herramientas eléctricas con motor sin escobillas se consideran ahora productos de alta gama. Un motor de corriente continua consta de dos partes eléctricas: el estator y el rotor. Al alimentar el motor, se crea una interacción magnética que pone el motor en movimiento. Cuando se invierte el sentido de la tensión que alimenta el motor, éste gira en sentido contrario.
Con todo, si se desea realizar tareas de bricolaje, más sencillas o con menos frecuencia, o si se busca una aparato con un precio más económico, se puede comprar máquinas dotados de motores con escobillas.

Reference: Cordlessdrillzone

Ronix

21 November 2021