Un motor eléctrico de corriente continua con escobillas convierte la energía eléctrica en energía mecánica mediante la ley de Lorentz, que establece que « un conductor por el que circula corriente, al ser colocado en un campo magnético, experimentará una fuerza». Esta fuerza puede utilizarse de diversas maneras, como en un actuador lineal para convertir el movimiento rotacional en movimiento lineal.
Progressive Automations ofrece una variedad de actuadores lineales con motores de CC con o sin núcleo. ¿Qué tipo debería elegir y por qué? Analizamos las diferencias entre ambos tipos de motores, examinando su construcción, ventajas y desventajas. Además, estudiamos el funcionamiento, los protocolos de comunicación y la retroalimentación de los distintos motores para que pueda tomar una decisión informada.
Motores de CC con núcleo frente a motores sin núcleo: tabla comparativa.
Al seleccionar un motor de CC, es fundamental comprender las diferencias entre los diseños con y sin núcleo. Una comparación clara de motores de CC ayuda a ingenieros y diseñadores a equilibrar el rendimiento, la eficiencia, el costo y los requisitos de la aplicación. Si bien la eficiencia, la precisión y la capacidad de respuesta de los motores sin núcleo son ventajas importantes, las ventajas de los motores con núcleo, como el par motor, la durabilidad y la asequibilidad, también son aspectos prácticos a considerar. La siguiente tabla destaca las diferencias clave para ayudarle a elegir el tipo de motor más adecuado para su aplicación.
Característica | Motor de CC con núcleo | Motor de CC sin núcleo |
Eficiencia | Menor eficiencia eléctrica (aproximadamente un 50%) | Altamente eficiente (aproximadamente 90%) |
Par de arranque | Mayor par de arranque | Par de arranque más bajo |
Disipación de calor | Enfriamiento más lento debido a que el núcleo de hierro absorbe calor. | Disipación de calor más rápida en los devanados expuestos. |
Ruido y vibración | Mayor vibración debida a la interacción del núcleo de hierro | Funcionamiento con bajo nivel de ruido y vibraciones. |
Aceleración / Tiempo de respuesta | Respuesta más lenta debido a una mayor inercia del rotor. | Altas tasas de aceleración y desaceleración |
Peso y tamaño | Construcción más pesada y robusta | Diseño pequeño, ligero y compacto |
Costo | Menor coste y sencilla integración | Operaciones más costosas y complejas |
Aplicaciones típicas | Fabricación industrial, automatización de alta resistencia, sistemas sensibles al costo. | Robótica, dispositivos médicos, automatización de precisión, aplicaciones de alta velocidad |
Motor de CC con núcleo
El motor de corriente continua con núcleo y escobillas es el tipo más popular debido a su bajo costo de fabricación y producción en grandes volúmenes. Un motor con núcleo consta de un rotor (giratorio), un estator (estacionario), un conmutador (generalmente con escobillas) e imanes permanentes. Además, los devanados del inducido se enrollan alrededor del núcleo de hierro y se conectan al conmutador.
Las escobillas, que hacen contacto con el conmutador, están fabricadas de grafito/carbono, lo que permite el paso de la corriente eléctrica a través de los devanados del inducido. Esta corriente genera un campo magnético que interactúa con los imanes fijos y produce una fuerza que hace girar el núcleo de hierro, haciendo a su vez girar el eje del motor.
Estos motores son ideales para aplicaciones exigentes gracias a su alto par de arranque y su núcleo de hierro rígido. Su tendencia al sobrecalentamiento se debe a que el núcleo de hierro actúa como disipador de calor. Entre sus aplicaciones a gran escala se incluyen coches eléctricos, ascensores y bombas. En aplicaciones a pequeña escala se encuentran trenes eléctricos, cepillos de dientes eléctricos y otros juguetes.
Ventajas
- Más rentable.
- Alto par de arranque.
- Control de velocidad en un amplio rango de voltajes.
- Arranque, parada y marcha atrás rápidos.
- Libre de armónicos.
Desventajas
- Menor eficiencia eléctrica (aproximadamente un 50%).
- Requiere mucho mantenimiento debido al desgaste de los cepillos.
Motor de CC sin núcleo
¿Qué es un motor sin núcleo? Es similar a un motor de CC con núcleo, ya que cuenta con escobillas y conmutador. También existen versiones sin escobillas. Sin embargo, la diferencia radica en que los devanados del rotor están enrollados de forma asimétrica (o en panal) para formar un cilindro hueco autoportante, que generalmente se recubre con resina epoxi para mayor estabilidad.
El estator, ubicado dentro del cilindro hueco, está hecho de un imán de tierras raras, como neodimio, AlNiCo (aluminio-níquel-cobalto) o SmCo (samario-cobalto). Las escobillas en un motor sin núcleo pueden ser de metal precioso (por ejemplo, plata, oro o platino) o grafito. El cilindro de alambre distribuye el campo magnético por toda la estructura cuando se aplica una corriente eléctrica a los conductores conectados a las escobillas y al conmutador, lo que interactúa con el imán de tierras raras para producir una fuerza y hacer girar el eje.
Los motores sin núcleo ofrecen una amplia variedad de posibilidades para su uso en robótica. Algunas aplicaciones incluyen su uso extensivo en prótesis, bombas de insulina, equipos de laboratorio y máquinas de rayos X, todos ellos sistemas que requieren un posicionamiento de alta precisión.
Ventajas
- Diseño pequeño, ligero y compacto.
- Funcionamiento con bajo nivel de ruido y vibraciones.
- Altamente eficiente (aproximadamente 90%).
- Mayor durabilidad gracias a una menor electroerosión.
- Altas tasas de aceleración y desaceleración.
- Características lineales de velocidad/par que facilitan el control.
Desventajas
- Mucho más caro.
- No puede soportar sobrecargas térmicas, ya que no tiene un núcleo de hierro que actúe como disipador de calor para los devanados del rotor.
- Requiere componentes electrónicos adicionales (por ejemplo, decodificadores).
Protocolos de comunicación
Si opta por un motor de CC con o sin núcleo, debe tener en cuenta los protocolos de comunicación de cada uno. Los principales protocolos de comunicación son RS-485 y TTL/PWM. El protocolo que seleccione determinará el tipo de motor que puede utilizar.
Comunicación RS-485
La comunicación RS-485 es un protocolo de comunicación serie muy popular que permite la transferencia de datos a alta velocidad entre dispositivos. Se trata de un estándar de comunicación robusto y fiable, capaz de proporcionar datos de forma segura a largas distancias.
Progressive Automations ofrece el actuador lineal de alta precisión PA-12, que se puede controlar mediante un microcontrolador Arduino. Existen dos variantes: una con motor de CC con núcleo ( PA-12-T) y otra con motor de CC sin núcleo ( PA-12-R).
Si se opta por la versión sin núcleo, se debe utilizar la comunicación RS-485. Este protocolo se implementa fácilmente mediante un módulo TTL a RS-485 para comunicarse con Arduino. Como alternativa, se puede utilizar otro microcontrolador que se comunique mediante RS-485 directamente.
Comunicación TTL/PWM
El actuador lineal PA-12-T se puede controlar directamente con un microcontrolador Arduino mediante comunicación TTL/PWM, lo que reduce el coste de módulos de conversión de comunicación adicionales. El actuador lineal ofrece un control de posición preciso con una exactitud de hasta 100 µm.
Considerando las ventajas y desventajas de los motores de CC con y sin núcleo, la mejor solución dependerá de la aplicación. Ambos actuadores lineales PA-12 proporcionan un control de posición preciso, pero sus protocolos de comunicación son diferentes.
Comentario
Un factor clave para determinar qué motor de CC elegir es decidir si se debe incorporar algún tipo de retroalimentación. La retroalimentación se refiere a cualquier información que un controlador pueda usar para monitorear un proceso y realizar correcciones. Por ejemplo, en el caso de un motor de CC, los potenciómetros, los sensores de efecto Hall y los codificadores son tipos comunes de retroalimentación.
Un potenciómetro convierte un motor de CC en un servomotor, permitiendo un control preciso de la posición y la velocidad. Este tipo de retroalimentación se puede aplicar a motores de CC con o sin núcleo, pero es fundamental considerar las distintas opciones para elegir la más adecuada a la aplicación. Si se requiere alta eficiencia y precisión, se recomienda un motor de CC sin núcleo con un codificador como opción de retroalimentación fiable. Sin embargo, esta opción es bastante costosa y dependerá del presupuesto disponible.
Preguntas frecuentes: Motores de CC con núcleo vs. motores de CC sin núcleo
¿Cuál es la diferencia entre un motor de CC con núcleo y uno sin núcleo?
Un motor de CC con núcleo utiliza un núcleo de hierro envuelto con bobinados de cobre como rotor, mientras que un motor de CC sin núcleo tiene los bobinados del rotor enrollados de forma oblicua (o en forma de panal) para formar un cilindro hueco autoportante.
¿Son los motores de corriente continua sin núcleo más eficientes que los motores con núcleo?
Sí, los motores de CC sin núcleo suelen ser más eficientes. La ausencia de un núcleo de hierro reduce las pérdidas magnéticas, lo que permite una mayor eficiencia energética, una menor generación de calor y un mejor rendimiento en aplicaciones que requieren arranques y paradas frecuentes o un control preciso de la velocidad.
¿Qué motor de CC es mejor para aplicaciones de alta precisión?
Los motores de CC sin núcleo suelen ser la mejor opción para aplicaciones de alta precisión. Su baja inercia permite una aceleración y desaceleración rápidas, un movimiento más suave y un control de velocidad y posición más preciso.
¿Los motores de corriente continua sin núcleo se sobrecalientan más rápido que los motores con núcleo?
Los motores de CC sin núcleo son más propensos a sobrecalentarse y tienen menor capacidad para soportar sobrecargas térmicas, ya que no tienen un núcleo de hierro que actúe como disipador de calor para los devanados del rotor.
¿Cuándo debo elegir un motor con núcleo en lugar de un motor sin núcleo?
Un motor de CC con núcleo es la mejor opción cuando la prioridad es un mayor par de arranque, un funcionamiento sencillo y una buena relación coste-beneficio.
Conclusión
Hemos destacado las ventajas y desventajas de los motores de CC con y sin núcleo, así como los protocolos de comunicación y las opciones de retroalimentación. Progressive Automations ofrece una variedad de actuadores lineales que combinan estos actuadores, dispositivos y sensores.
La decisión depende de muchos factores, como las especificaciones del actuador lineal al que está conectado el motor de CC, el precio y el nivel de precisión requerido. La aplicación determinará el motor necesario, y este, a su vez, determinará las especificaciones del actuador lineal. Para obtener más información sobre los productos de Progressive Automations o para recibir asistencia adicional, contáctenos hoy mismo.