Toni Leanez tleanez@gmail.com Barcelona, 22-02-13

MOTORES Y HÉLICES III Vamos a abordar en la tercera y última parte de este trabajo los motores sin escobillas, también conocidos como “Brushless”.

Pero antes de continuar no me resisto a explicar la siguiente anécdota: Se cuenta que el más importante fabricante de todo tipo de motores eléctricos de los Estados Unidos, en su estrategia comercial para conseguir un importante contrato del gobierno, invitó a un grupo de congresistas y senadores a visitar su fábrica. Un alto directivo de la compañía hacía de guía de la comitiva y les iba explicando pormenores de las naves y cadenas de montaje que visitaban.

• Y aquí es donde fabricamos, montamos y comprobamos los motores de corriente continua de imán permanente. Su funcionamiento es muy simple. Tenemos un imán permanente situado en la periferia del motor y un electroimán en el centro que cambia de polaridad. Cuando están enfrentado los polos de la misma polaridad se rechazan y cuando ocurre lo contrario se atraen y esta propiedad física es la que genera el movimiento circular del motor.

Uno de los congresistas, bien por despiste o por no haber prestado la suficiente atención, o tal vez porque se creyó en la obligación de hacer algún comentario, dijo:

• ¿Han probado ustedes a poner el imán permanente en el centro y el que cambia de polaridad en la periferia?

No pudiendo contener la risa, el alto directivo que acompañaba a la comitiva, les dijo.

• No lo sé. Pero les dejo en manos de mi ayudante y voy a consultarlo con la oficina técnica. A la hora de la comida nos volvemos a ver y les doy una explicación.

Dicen que contuvo su risa hasta llegar a la puerta, donde, no pudiendo aguantar más, dejó escapar la más sonora de las carcajadas. Se dirigió a la oficina técnica a explicar lo sucedido, todos los que estaban allí se pusieron a reír menos uno. Al ser preguntado si no le hacía gracia la ocurrencia del congresista dijo:

• No es tan mala idea. Eliminamos las escobillas y el colector y también la fricción, aumentando el rendimiento del motor. Reducimos la masa del rotor y…

En ese momento fue interrumpido por el jefe de la oficina técnica quien muy serio le dijo:

• Tienes una semana para desarrollar un prototipo. Posiblemente no haya nada de cierto en esta historia, pero si es cierto que la diferencia entre un motor sin escobillas con uno con escobillas está en:

a) Elementos: Escobillas y colector. b) Construcción: Posición de los elementos. c) Alimentación: Tres cables.

El funcionamiento es algo diferente al que veíamos en “Motores y Hélices II”. Tenemos un imán permanente que gira con el motor y por tanto sus polos Norte y Sur van ocupando sucesivamente un punto de la circunferencia. Y un imán momentáneo que permanece fijo, pero que sus polos cambian constantemente de Norte a Sur. Hasta ahora vemos que el principio de funcionamiento salvo por la posición de los elementos es el mismo, pero, mientras que en el motor con escobillas la sincronización del cambio de polaridad del imán momentáneo es evidente y se produce por la rotación del grupo eje, bobinas y colector, nos preguntamos: ¿Cómo se produce esta sincronización en el motor sin escobillas si no tenemos ningún elemento de control? Pues ahí es donde entra el tercer cable. Si nos hemos fijado en la alimentación del motor con escobillas tenemos dos cables, positivo y negativo, mientras que en la alimentación del motor sin escobillas tenemos tres cables, que para simplificar la explicación vamos a llamar positivo, negativo y sincronismo. Dejamos la explicación aquí para ver unas imágenes de cómo está constituido el motor sin escobillas. Para la ilustración hemos desmontado el ventilador del microprocesador de un ordenador, que también es un motor sin escobillas.

En esta imagen vemos la cara anterior del ventilador. Se han extraído los cuatro tornillos que sujetan el ventilador al chasis que va sujeto mediante dos muelles de presión y mantiene a la temperatura adecuado al microprocesador. Para este cometido se requieren motores de alto rendimiento, de tamaño reducido y exento de contactos móviles que puedan ser causa de posibles interferencias que perjudiquen el normal funcionamiento de los diferentes componentes.

El ventilador visto por su parte posterior. Obsérvese la placa de características donde indica: Bajo ruido, larga vida y la tensión de alimentación así como el consumo y la potencia. También se ve claramente los tres cables; positivo y negativo de la alimentación y el cable de control o sincronismo. En letras destacadas nos dice “BALL BEARING” que significa rodamiento a bolas (cojinete).

Vemos el eje, sobre el cual se ha montado el ventilador y el imán permanente. En otras configuraciones de motor el imán permanente va montado directamente sobre el mismo eje.

Este eje sobresale de la carcasa del motor y podemos acoplar una trasmisión cardan, hélice, polea, engranaje o cualquier otro elemento que deba transmitir la potencia generada por el motor.

Aquí vemos el rodamiento a bolas (Ball Bearing), con lo cual mejora el rendimiento del motor al eliminar rozamientos.

Las imágenes anteriores nos muestran:

a) La placa de circuito impreso sobre la que van montadas las bobinas que al circular la corriente, hace que el núcleo de hierro se convierta en un imán momentáneo con sus polos correspondientes. Al invertir la polaridad de la corriente, también, invertiremos la polaridad del imán.

b) La cara de componentes de la placa de circuito impreso, donde podemos ver el

conexionado de las bobinas y la circuitería de control compuesta por un transistor (Q1), las resistencias (R1 y R2), el diodo (D1) y el circuito integrado (IC1).

Por su tamaño, el circuito integrado y el diodo van alojados en la cara de la placa de circuito impreso que contiene el núcleo y las bobinas. En esencia todo motor de corriente continua e imán permanente, tenga o no escobillas trabaja por el principio de polos del mismo nombre se repelen, de nombre contrario se atraen. Dejamos la explicación del motor sin escobillas hablando de los tres cables, positivo, negativo y sincronismo. Aclaremos una vez más que entendemos por sincronismo el circuito que hace que el imán momentáneo cambie la polaridad de sus polos para que se produzca el fenómeno de la atracción y el rechazo. Hay varios sistemas, con sensor (sensored), sin sensor (sesorless), pero lo que nos interesa saber es que el tercer cable lleva una información a nuestro regulador de velocidad que le indica en cada momento donde se encuentra el rotor y en función de esta información y de la que le llega del receptor de nuestro equipo de radio envía la corriente de alimentación a la bobina correspondiente con la tensión y la polaridad requerida para que el imán permanente (recordemos polos fijos) y el imán momentáneo establezcan su ciclo de atracción rechazo con la frecuencia (velocidad) que le queremos imprimir a nuestro modelo en cualquier momento. Conviene decir que si optamos por el sistema (Sensored) es decir con sensor, motor y regulador de velocidad han de ser del mismo tipo, es decir con sensor y si nos inclinamos por el sistema (Sensorless), también, motor y regulador han de ser del mismo tipo es decir sin sensor. En el sistema “Sensored” (con sensor) disponemos de una serie de sensores que determinan la posición durante el giro del rotor y nos permite conocer el momento idóneo para aplicar el valor adecuado de tensión. Lógicamente el motor “sensored” debe ir asociado a un tipo de regulador de velocidad que sea compatible.

En el sistema “Sesorless” sin sensor” el variador de velocidad es más sencillo y por tanto más barato. El regulador realiza una monitorización de los impulsos de las señales que envía al motor. Su inconveniente es que a velocidades bajas la intensidad generada por el campo magnético es menor y la exactitud se puede ver perjudicada. En los motores sin escobillas hay un factor que debemos conocer, siquiera someramente. Se trata del factor “KV”. Este factor que normalmente aparece junto al número de vueltas del bobinado del motor, nos indica el número de revoluciones por minuto a que es capaz de girar el motor por cada voltio de la corriente de alimentación. Otras veces el fabricante en las especificaciones técnicas del motor nos da, ya, la información completa sin necesidad de que sepamos que significa el factor “KV” y como obtener el número máximo de revoluciones que nos puede proporcionar nuestro motor.

En la imagen superior podemos ver una parte de las especificaciones técnicas que proporciona el fabricante del motor que reproducimos más abajo. Además de las medidas y pesos en pulgadas y onzas, esta información se nos ofrece traducida a milímetros y gramos, lo cual es de agradecer. Si nos fijamos en el factor “KV” nos da el “rating” es decir las rpm máximas que proporciona este motor. Hasta adquirir una cierta experiencia y dominar los fundamentos más sencillos de los motores sin escobillas, es preferible comprar, motor y regulador en un kit que se denomina “Combo”, así no tendremos desagradables sorpresas de incompatibilidad entre motor y regulador.

Vamos a comparador el presupuesto inicial de un equipo compuesto de un regulador de velocidad y un motor con escobillas con un equipo compuesto de regulador y motor sin escobillas (Combo) En esta imagen vemos un kit tipo “Combo”. Motor sin escobillas, tres cables, y regulador con los tres cables de conexión al motor y los dos de la alimentación (positivo = rojo y negativo = negro), además del interruptor de paro-marcha y el conector para el receptor de donde toma la información de la velocidad y sentido de marcha. Este regulador ya está adaptado para que el motor pueda funcionar en marcha adelante y marcha atrás y además suministra la alimentación adecuada al receptor y los servos que puedan equipar a nuestro modelo. El precio de este conjunto es de 110,99 dólares usa.

Este es un conjunto de motor y regulador con escobillas. Vemos los dos cables de alimentación, interruptor de paro y marcha y conexión para el receptor. Al igual que el

“Combo”, proporciona la alimentación para el receptor y los servos y la marcha adelante y atrás. Se venden por separado y su precio es de 14,49 dólares usa el motor y 34,99 dólares usa el regulador de velocidad. Así, pues, vemos que en el orden económico el presupuesto de un equipo “Combo” sin escobillas es de 110,99 dólares usa, frente a los 49,98 dólares usa de un equipo de características similares con escobillas. Hoy en día el sistema sin escobillas se ha impuesto totalmente en helicópteros eléctricos, juntamente con las baterías tipo “Lipo”, donde unos gramos de peso tienen una importancia capital. También en competición, sea automodelismo, aeromodelismo o modelismo náutico en su especialidad de lanchas eléctricas, donde los equipos oficiales de las marcas comerciales disponen de grandes presupuestos, pues lo que importa no es el gasto sino la clasificación y por tanto la publicidad y el marketing que son los que generan las ventas. A nuestro nivel, donde lo que realmente nos importa son las cualidades de navegación de nuestro modelo, un pequeño aumento en la velocidad o autonomía realmente no es de importancia capital y mientras se pueda ir encontrando material “con escobillas” la diferencia de presupuesto si es un capítulo a tener en cuenta. He tratado de dar una explicación lo más sencilla posible, huyendo de las ecuaciones matemáticas o los farragosos conceptos técnicos para que el conocimiento, siquiera superficial, de estos motores sea comprensible para la mayor parte de los aficionados que lo que quieren es equipar a su modelo con un sistema de propulsión. Los modelistas más aventajados que quieran ampliar sus conocimientos para aplicarlos al campo de la competición encontrarán auténticos manuales con todo tipo de detalles y consejos útiles para sacar el mayor partido posible a esta nueva tecnología (o no tan nueva). Saludos y como de costumbre a vuestra disposición.