Principio de funcionamiento del motor de corriente continua con escobillas

La estructura principal de un motor de CC con escobillas es estator + rotor + escobilla, que obtiene par mediante un campo magnético giratorio y emite energía cinética. La escobilla está en contacto y fricción constantes con el conmutador, que se encarga de conducir la electricidad y conmutar las fases durante la rotación.

Los motores de CC con escobillas utilizan conmutación mecánica, los polos magnéticos no se mueven y las bobinas giran. Cuando el motor está en funcionamiento, las bobinas y el conmutador giran, los imanes y las escobillas de carbón no giran, y el cambio alterno del sentido de la corriente de la bobina se completa con el conmutador y las escobillas que giran con el motor.

En un motor de corriente continua con escobillas, el proceso consiste en disponer los dos terminales de entrada de potencia de cada grupo de bobinas en un anillo en secuencia, separados por materiales aislantes, para formar algo parecido a un cilindro, que se conecta al eje del motor en su conjunto. La potencia pasa a través de dos pequeños pilares hechos de elementos de carbono (escobillas de carbón). Bajo la acción de la presión del muelle, presiona sobre dos puntos del cilindro del anillo de entrada de potencia de la bobina superior desde dos posiciones fijas específicas para dar energía a un grupo de bobinas.

A medida que el motor gira, diferentes bobinas o diferentes polos de la misma bobina se energizan en diferentes momentos, de modo que el polo NS de la bobina que genera el campo magnético tiene una diferencia de ángulo adecuada con el polo NS del estator de imán permanente más cercano. Los polos opuestos del campo magnético se atraen y los polos semejantes se repelen, generando una fuerza que impulsa al motor a girar. El electrodo de carbono se desliza sobre el terminal de la bobina, como un cepillo que roza la superficie de un objeto, por lo que se denomina "escobilla" de carbono.

Al deslizarse unas contra otras, las escobillas de carbón rozarán entre sí y provocarán desgaste, lo que requiere la sustitución periódica de las escobillas de carbón. Cuando las escobillas de carbón y los terminales de la bobina se conectan y desconectan alternativamente, se producirán chispas eléctricas, generando daños electromagnéticos e interferencias en los equipos electrónicos.

Principio de funcionamiento del motor de corriente continua sin escobillas

En un motor de corriente continua sin escobillas, el trabajo de conmutación lo realiza el circuito de control en el controlador (normalmente un sensor Hall + controlador, una tecnología más avanzada es un codificador magnético).

Los motores de corriente continua sin escobillas utilizan conmutación electrónica, la bobina no se mueve y los polos magnéticos giran. Los motores de CC sin escobillas utilizan un conjunto de dispositivos electrónicos para percibir la posición de los polos del imán permanente a través del interruptor Hall SS2712 . Basándose en esta percepción, se utilizan circuitos electrónicos para conmutar la dirección de la corriente en la bobina de forma oportuna para garantizar que se genera la fuerza magnética en la dirección correcta para accionar el motor. Se eliminan así las deficiencias de los motores de corriente continua con escobillas.

Estos circuitos son controladores de motor. El controlador del motor de corriente continua sin escobillas también puede realizar algunas funciones que el motor de corriente continua con escobillas no puede realizar, como ajustar el ángulo de conmutación de potencia, frenar el motor, invertir la marcha del motor, bloquear el motor y utilizar la señal de freno para detener la alimentación eléctrica del motor. La cerradura electrónica de alarma del coche de batería actual hace pleno uso de estas funciones.

El motor de corriente continua sin escobillas consta de un cuerpo de motor y un excitador, y es un producto mecatrónico típico. Dado que el motor de CC sin escobillas funciona de forma automática, no requiere un devanado de arranque adicional en el rotor como un motor síncrono que arranca con carga pesada bajo regulación de velocidad de frecuencia variable, ni produce oscilación y pérdida de paso cuando la carga cambia repentinamente.

Diferencia entre la regulación de la velocidad de un motor de CC con escobillas y un motor de CC sin escobillas

De hecho, el control de ambos motores es la regulación de la tensión, pero como el de CC sin escobillas utiliza conmutación electrónica, requiere un control digital para realizarse, mientras que el de CC con escobillas se conmuta mediante escobillas de carbón y puede controlarse utilizando circuitos analógicos tradicionales como los tiristores, lo que resulta relativamente sencillo.

1. El proceso de regulación de velocidad del motor de escobillas consiste en ajustar la tensión de la fuente de alimentación del motor. El voltaje y la corriente ajustados se convierten a través del conmutador y las escobillas para cambiar la fuerza del campo magnético generado por el electrodo para lograr el propósito de cambiar la velocidad. Este proceso se denomina regulación de velocidad de tensión variable.

2. El proceso de regulación de la velocidad del motor sin escobillas consiste en cambiar la velocidad modificando la señal de control del regulador eléctrico mientras se mantiene invariable la tensión de la fuente de alimentación del motor y, a continuación, cambiar la frecuencia de conmutación del tubo MOS de alta potencia a través del microprocesador. Este proceso se denomina regulación de velocidad de frecuencia variable.

Diferencias de rendimiento

1. Los motores de escobillas tienen una estructura sencilla, un largo tiempo de desarrollo y una tecnología madura.

Ya en el siglo XIX, cuando nació el motor, el motor práctico que se producía era del tipo sin escobillas, es decir, el motor asíncrono de jaula de ardilla de corriente alterna, que se utilizó ampliamente tras la generación de la corriente alterna.

Sin embargo, los motores asíncronos tienen muchos defectos insalvables, lo que ha provocado un lento desarrollo de la tecnología de motores en el pasado. En particular, los motores de corriente continua sin escobillas no se han puesto en funcionamiento comercial hasta los últimos años, ya que la tecnología electrónica ha ido cambiando con el paso de los días. En esencia, siguen perteneciendo a la categoría de los motores de corriente alterna.

Poco después de que se inventara el motor sin escobillas, se inventó el motor de escobillas de CC. Dado que el motor de escobillas de CC tiene una estructura simple, es fácil de producir y procesar, es fácil de mantener, y es fácil de controlar; el motor de CC también tiene las características de respuesta rápida, gran par de arranque, y la capacidad de proporcionar par nominal de velocidad cero a velocidad nominal, ha sido ampliamente utilizado desde su introducción.

2. El motor de corriente continua con escobillas tiene una velocidad de respuesta rápida y un gran par de arranque.

El motor DC con escobillas tiene una velocidad de respuesta de arranque rápida, un gran par de arranque, un cambio de velocidad suave y casi ninguna vibración desde cero hasta la velocidad máxima. Puede accionar una carga mayor al arrancar. El motor sin escobillas tiene una gran resistencia de arranque (reactancia inductiva), por lo que el factor de potencia es pequeño, el par de arranque es relativamente pequeño, hay un zumbido al arrancar, acompañado de fuertes vibraciones, y la carga accionada al arrancar es pequeña.

3. El motor de escobillas de CC funciona suavemente y tiene buenos efectos de arranque y frenado.

Los motores con escobillas ajustan la velocidad mediante la regulación de la tensión, por lo que el arranque y el frenado son suaves, y también lo son cuando funcionan a velocidad constante. Los motores sin escobillas suelen estar controlados por conversión digital de frecuencia, que primero convierte la CA en CC y luego la CC en CA, y controla la velocidad cambiando la frecuencia. Por lo tanto, los motores de CC sin escobillas no funcionan suavemente al arrancar y frenar, y tienen grandes vibraciones. Sólo son estables cuando la velocidad es constante.

4. Alta precisión de control del motor de CC con escobillas

Los motores de corriente continua con escobillas suelen utilizarse con reductores y codificadores para aumentar la potencia de salida del motor y la precisión de control. La precisión de control puede alcanzar los 0,01 mm, lo que permite que las piezas móviles se detengan prácticamente donde se desee. Todas las máquinas herramienta de precisión utilizan motores de CC de precisión de control. Los motores de CC sin escobillas no son estables durante el arranque y el frenado, por lo que las piezas móviles se detendrán en posiciones diferentes cada vez, y deben detenerse en la posición deseada mediante pasadores de posicionamiento o limitadores.

5. El motor de escobillas de CC es de bajo coste y fácil mantenimiento

Dado que los motores de CC con escobillas tienen una estructura sencilla, un bajo coste de producción, muchos fabricantes y una tecnología relativamente madura, su uso está muy extendido, por ejemplo en fábricas, máquinas herramienta de procesamiento, instrumentos de precisión, etc. Si el motor falla, sólo hay que cambiar la escobilla de carbón, y cada escobilla de carbón sólo cuesta unos pocos yuanes, lo cual es muy barato. La tecnología de los motores DC sin escobillas es inmadura, el precio es alto, y el rango de aplicación es limitado. Debe utilizarse principalmente en equipos de velocidad constante, como aires acondicionados de frecuencia variable, frigoríficos, etc. Los motores de CC sin escobillas sólo pueden sustituirse si están dañados.

6. Sin cepillo, baja interferencia

El motor de corriente continua sin escobillas ha eliminado las escobillas. El cambio más directo es que no se generan chispas cuando el motor con escobillas está en marcha, lo que reduce en gran medida la interferencia de las chispas en los equipos de radiocontrol remoto.

7. Bajo nivel de ruido y funcionamiento suave

El motor de corriente continua sin escobillas no tiene escobillas, por lo que la fricción se reduce en gran medida durante el funcionamiento, funcionando suavemente y con mucho menos ruido. Esta ventaja es un gran apoyo para la estabilidad del funcionamiento del modelo.

8. Larga vida útil y bajo coste de mantenimiento

Sin escobillas, el desgaste del motor de corriente continua sin escobillas se produce principalmente en los cojinetes. Desde un punto de vista mecánico, el motor de CC sin escobillas es casi un motor sin mantenimiento. Cuando es necesario, sólo se requiere un poco de mantenimiento para eliminar el polvo.

Principio de control de motores de corriente continua sin escobillas

El control del accionamiento del motor consiste en controlar la rotación o parada del motor, así como la velocidad de rotación. La parte de control de accionamiento del motor también se llama controlador electrónico de velocidad, o ESC para abreviar . Los ESC se dividen en ESC sin escobillas y ESC sin escobillas en función de los motores utilizados.

El imán permanente de un motor de CC con escobillas es fijo, y la bobina se enrolla alrededor del rotor. Una escobilla está intermitentemente en contacto con el conmutador para cambiar la dirección del campo magnético y mantener el rotor girando continuamente. Como su nombre indica, un motor de corriente continua sin escobillas no tiene escobillas ni conmutadores. Su rotor es un imán permanente, y la bobina está fija y conectada directamente a una fuente de alimentación externa. La cuestión es cómo cambiar la dirección del campo magnético de la bobina. De hecho, un motor de corriente continua sin escobillas también requiere un regulador electrónico de velocidad en el exterior. En pocas palabras, este regulador de velocidad es un accionamiento del motor. Cambia la dirección de la corriente dentro de la bobina fija en cualquier momento para asegurar que la fuerza entre ella y el imán permanente sea mutuamente repulsiva, de modo que la rotación continua pueda continuar.

Los motores con escobillas pueden funcionar sin ESC, y pueden funcionar suministrando electricidad directamente al motor, pero la velocidad del motor no puede controlarse de esta forma. Los motores de CC sin escobillas deben tener ESC para funcionar, de lo contrario no pueden girar. El ESC sin escobillas debe convertir la corriente continua en corriente alterna trifásica y, a continuación, transmitirla al motor de corriente continua sin escobillas para que gire.

Los primeros ESC no eran como los actuales. Todos eran ESC con escobillas. Te preguntarás qué es un ESC con escobillas y cuál es la diferencia con los actuales ESC sin escobillas. De hecho, la diferencia es enorme. Tanto los ESC con escobillas como los ESC sin escobillas se basan en motores. El rotor del motor actual, es decir, la parte giratoria, es todo imanes, y la bobina es el estator que no gira, porque no hay escobilla de carbón en medio. Se trata de un motor de corriente continua sin escobillas.

En cuanto a los motores con escobillas, como su nombre indica, tienen escobillas de carbón, por lo que son motores de CC con escobillas. Por ejemplo, los motores utilizados en los coches teledirigidos con los que suelen jugar los niños por 10 o 20 yuanes son motores de CC con escobillas. Los ESC reciben el nombre de estos dos tipos de motores, es decir, ESC con escobillas y ESC sin escobillas. Desde un punto de vista profesional, los ESC con escobillas emiten corriente continua, mientras que los ESC sin escobillas emiten corriente alterna trifásica. La corriente continua es la electricidad almacenada en nuestras baterías, que tiene polos positivos y negativos. La corriente alterna es la corriente de 220 V de la red eléctrica doméstica y la de los cargadores de teléfonos móviles y ordenadores.

La corriente alterna tiene una frecuencia determinada. En términos sencillos, es una línea que intercambia positivo y negativo, positivo y negativo de un lado a otro; la corriente continua es una línea que tiene polos positivos y polos negativos. Ahora que ya sabemos qué es la corriente alterna y la corriente continua, ¿qué es la "electricidad trifásica"? En teoría, la corriente alterna trifásica es una forma de transmisión de electricidad, denominada electricidad trifásica. Es una fuente de energía compuesta por tres potenciales alternos con la misma frecuencia, igual amplitud y una diferencia de fase de 120 grados. En términos sencillos, es la corriente alterna trifásica que utilizamos en casa. Excepto la tensión, la frecuencia y el ángulo de transmisión, todo lo demás es igual. Ahora ya conoces la electricidad trifásica y la corriente continua.

El ESC sin escobillas introduce corriente continua, que se estabiliza mediante un condensador de filtro. A continuación, se divide en dos vías. Un camino es utilizado por el BEC del ESC . El BEC se utiliza para alimentar el receptor y el propio microcontrolador del ESC. La salida de la línea de alimentación al receptor son las líneas roja y negra de la línea de señal. El otro camino es utilizado por el tubo MOS. Aquí, cuando se enciende el ESC, el microcontrolador se pone en marcha, haciendo que el tubo MOS vibre, haciendo que el motor emita un sonido de goteo.

Tras el arranque, estará listo para funcionar. Algunos ESC tienen una función de calibración del acelerador. Antes de entrar en el modo de espera, controlará si la posición del acelerador es alta, baja o intermedia. Si es alta, entrará en la calibración de carrera del variador. Si está en el medio, comenzará a enviar una señal de alarma y el motor emitirá un pitido. Si está bajo, entrará en el estado normal de funcionamiento. Después de que todo esté listo, el MCU en el ESC determinará el voltaje de salida y la frecuencia de acuerdo con la señal en la línea de señal PWM, así como la dirección de conducción y el ángulo de sincronización para conducir la velocidad del motor y la dirección. Este es el principio de los ESC sin escobillas. Cuando se acciona el motor, hay 3 grupos de tubos MOS trabajando en el ESC, cada uno con 2 polos, uno para controlar la salida positiva y el otro para controlar la salida negativa. Cuando la salida positiva sale, la salida negativa no sale, y cuando la salida negativa sale, la salida positiva no sale, de modo que se forma CA. Del mismo modo, los tres grupos funcionan de esta manera, y su frecuencia es 8000HZ . Hablando de esto, ESC sin escobillas es equivalente a un convertidor de frecuencia o regulador de velocidad utilizado en los motores en una fábrica.

La entrada del ESC es CC, normalmente alimentada por una batería de litio. La salida es CA trifásica, que puede accionar directamente el motor. Además, el controlador electrónico de velocidad sin escobillas para aeromodelismo tiene tres líneas de entrada de señal, que introducen señales PWM para controlar la velocidad del motor. Para aeromodelos, especialmente cuadricópteros, debido a su particularidad, se requieren ESC especiales para aeromodelos.

¿Por qué los cuadricópteros necesitan ESC especiales? ¿Qué tienen de especial? Un cuadricóptero tiene cuatro hélices dispuestas en cruz. Las hélices pueden girar hacia delante y hacia atrás, lo que puede compensar el problema de giro causado por la rotación de una sola hélice. El diámetro de cada hélice es muy pequeño, y la fuerza centrífuga de las cuatro hélices se dispersa cuando giran. A diferencia de las hélices de un helicóptero, sólo una puede generar una fuerza centrífuga concentrada para formar una fuerza centrífuga inercial giroscópica, que evita que el fuselaje vuelque rápidamente. Por ello, la frecuencia de actualización de la señal de servocontrol utilizada habitualmente es muy baja.

Para que el cuadricóptero reaccione rápidamente a la deriva causada por los cambios de actitud, se necesita un ESC de alta velocidad de respuesta. La velocidad de actualización de los ESC PPM convencionales es sólo de unos 50 Hz, lo que no puede satisfacer la velocidad necesaria para este control. Además, el PPM ESC MCU tiene incorporado el control de velocidad PID, que puede proporcionar características de cambio de velocidad suave para los modelos de aviones convencionales, pero no es adecuado para quadcopters, que necesitan cambios de velocidad del motor de respuesta rápida. El uso de un ESC dedicado de alta velocidad y la interfaz de bus IIC para transmitir señales de control puede lograr cientos o miles de cambios de velocidad del motor por segundo, de modo que la actitud puede mantenerse estable en todo momento durante el vuelo del quadcopter. Incluso si recibe un impacto repentino de fuerzas externas, sigue estando sano y salvo.