Control electrónico de pequeños motores eléctricos

Las fotografías y los textos de este artículo están extraídos de la revista ELEKTOR.

En los últimos años la potencia de los pequeños motores eléctricos, con respecto a su peso, ha aumentado mucho. Esto ha hecho posible la fabricación de aviones y helicópteros de radiomodelismo eléctricos. En las competiciones de aviones de aeromodelismo F5B se utilizan motores de 300 gramos de peso y hasta 4 Kw de potencia. Estos motores giran a gran velocidad, hasta unas 50.000 r.p.m.

Interesa que los bobinados sean lo más compactos posible, para que la mayor cantidad de cobre se mueva dentro del flujo magnético.

En la fotografía anterior se pueden ver imanes de los estatores de diversos motores. En la actualidad se han sustitutido los imanes de ferrita por los de neodimio (A la derecha), lo que permite aumentar el par motor y reducir la velocidad. Los imanes de neodimio pueden conseguir valores de remanencia de hasta 1.300 militeslas (mT). Por desgracia estos imanes son más sensibles a la temperatura. Los imanes de cobalto-samario son más estables frente a las altas temperaturas, pero tienen una remencia de tan solo 1.000 mT.

De estos pequeños motores eléctricos se pueden encontrar cuatro tipos. El clásico tiene un rotor bobinado sobre un nucleo de chapas de hierro y un colector sobre el que rozan las escobillas, para alimentar eléctricamente las bobinas del rotor. El núcleo de hierro del bobinado es el responsable de gran parte del peso del motor y de pérdidas por histéresis y corrientes de fugas, que también dependen de la velocidad de giro. Para evitar estos inconvenientes se utilizan núcleos de aceros dulces y separados en láminas, aisladas las unas de las otras con una capa de barniz, lo que corta el camino a las corrientes de fugas (También llamadas corrientes de Foucault). También se consiguen mejoras con bobinados de muchos hilos de cobre finos, bobinados en paralelo o trenzados.

En la fotografía anterior se pueden ver las escobillas y el colector de un pequeño motor eléctrico. Estos mecanismos de conmutación, aunque muy perfeccionados en la actualidad, son elementos sometidos a desgaste y necesitados de un mantenimiento. Las escobillas también ejercen de freno sobre el eje del rotor.

Otra opción para reducir el peso y las perdidas causadas por las corrientes de Foucault consiste en utilizar bobinados sin núcleo magnético, aunque estos motores tienen un reducido par motor. En el caso del dibujo anterior se trata de un motor de escobillas, sin hierro y con rotor bobinado exterior. La bobina se monta sobre un núcleo de fibra de vidrio. Con estos motores se alcanzan eficiencias de hasta el 90%. Los motores de núcleo sin hierro se alimentan generalmente a través de una fina escobilla de metales preciosos.

Este motor utiliza un rotor de imanes permanentes y un estator de bobinas con núcleo de hierro. De esta forma se consigue eliminar las escobillas. Para hacer funcionar un motor sin escobillas se necesita un controlador electrónico que haga esa conmutación. Estos controladores electrónicos están formados por puentes de transistores FETs de potencia.

Para conseguir aumentar el par motor en motores sin escobillas se puede incrementar el número de polos, con lo que se consigue a la vez reducir la velocidad de giro.

En la fotografía anterior se pueden observar fácilmente los rotores bobinados con colector (A la izquierda) y los rotores de imanes permanentes (A la derecha).

En el dibujo anterior se pueden ver estos puentes de transistores FETs utilizados en los controladores electrónicos. Para conseguir una rotación continua del motor es necesario invertir la polaridad de las bobinas en el momento en el que dos polos opuestos (De rotor y estator) alcanzan el punto de máxima aproximación. Para poder saber en que posición se encuentra el rotor, respecto del estator, y proceder a la conmutación electrónica se utilizan sensores de efecto Hall, que actúan como pequeños interruptores. En algunos diseños se eliminan estos sensores de efecto Hall, utilizando la fuerza electromotriz de retorno, detectada en las bobinas que no están conectadas a la corriente, para determinar la posición del rotor y efectuar la conmutación. En estos controladores sin sensores de efecto Hall se efectúa el arranque en modo de lazo abierto, lo que no proporciona un arranque muy suve.

Sección de un motor de dos polos con bobinado de hueco de aire.

Sección de un motor de cuatro polos de bobinado por sectores.

Motor Tango de la empresa Kontronic, casi libre de hierro, con un rotor de seis polos. La bobina sin hierro está alojada en una carcasa de hierro de paredes delgadas, que cierra el circuito magnético. Se consigue un importante par motor.

En la fotografía anterior se pueden ver tres rotores de imanes permanentes de diferentes medidas.

El motor representado en el dibujo anterior tiene un estator con bobinas sobre núcleo de hierro y un rotor exterior con imanes permanentes.

Motor sin escobillas con rotor exterior diseñado para su uso en modelismo.