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MOTORES DE CORRIENTE DIRECTA SIN ESCOBILLAS

Motores sin escobillas (BLDCs – Brushless DC motors)

Son del tipo “eje y armazón rotatorio”

Estructura de los BLCD

Son más complejos y caros que los de escobillas, pero más confiables y eficientes.

Tiene varias bobinas ubicadas en toda la periferia del estator, que se comportan como electroimanes mismos que en adelante se llamaran bobinados. El rotor está formado por imanes permanentes en número de 4 o más.

El controlador envía corriente de forma secuencial a los bobinados haciendo que el rotor gire.

los nombres de las bobinas son importantes porque aquellas que llevan un mismo nombre están conectadas entre sí. Esto es, las dos bobinas llamadas “A” reciben corriente al mismo tiempo, del mismo modo lo hacen las dos bobinas llamadas “B”. de este modo, el controlador solamente tiene que entregar corriente a tres entradas en el motor. Por esta razón, los BLDCs se llaman también motores trifásicos. Se pueden tener más fases, pero la mayoría de BLDC son motores trifásicos.

Las bobinas de los BLDCs están energizadas en sentido CW y CCW, mientras la corriente pasa de una bobina a otra, el rotor gira a la misma velocidad. debido a que la velocidad del motor esta sincronizada con la frecuencia de la corriente, los BLDCs caen dentro de la categoría de motores síncronos.

Figura-03

Son similares a los motores de corriente alterna AC la única diferencia radica en que los BLDCs son alimentados por corriente pulsante (onda cuadrada) y en cambio la corriente de los AC es sinusoidal.

 

A bajas velocidades el motor BLDC tiende a trabarse (cogging) debido a que el rotor tiende alinearse con las ranuras (slots) del estator, esto se evita usando motores sin ranuras, pero son más caros.

 

Imanes (permanentes)

En los motores sin escobillas, los imanes están montados en la superficie del rotor en número de 4 o más.

Cada polo magnético es llamado simplemente polo. En general aumentando el número de polos aumenta el torque del motor esta característica se puede encontrar en el datasheet.

Las ranuras se llaman polos “del estator” (XN, siendo X el número de ranuras) mientras los imanes se llaman “polos magnéticos” (YP, siendo Y es el número de polos magnéticos).

Para evitar el cogging, el número de polos del estator NO es múltiplo del número de polos magnéticos.

 

3.3.2 Inrunner and Outrunner Motors

Los BLDCs son de dos tipos. Si el rotor está contenido dentro del estator el motor es inrunner. Si el rotor gira alrededor del estator, el motor es Outrunner.

 

 

Motores Inrunners

Por fuera lucen como un motor con escobillas, sin embargo, el motor sin escobillas tiene tres cables para conexión y el con escobillas tiene solo dos. Algunos no tienen núcleos de hierro esto incrementa la eficiencia, pero reduce significativamente el torque.

 

Tienen pocos polos generalmente dos, por esta razón no se usan para mover propelas a menos que se usen engranajes.

Para compensar su bajo torque giran a elevadas velocidades (Kv de 7.500 – 10.000 RPM/Voltio).

Motores OutRunners.

En estos motores, el estator conteniendo las bobinas está montado dentro del rotor (que contiene los imanes permanentes), típicamente tienen más imanes que los Inrunners 9 a 16.

No son tan rápidos como los Inrunners Kv = 1.000 – 2.000 RPM/V, pero producen significativamente más torque por esto son comunes en aeromodelismo.

El eje de los Inrunner está conectado al rotor interno, mientras que en los Outrunner está conectado al armazón.

3.3.3 Control de los BLDCs

Este motor es alimentado por pulsos de onda cuadrada. el número de entradas está determinado por el número de fases en general tres.

Los pulsos deben estar sincronizados de modo que la corriente se descargue cuando el rotor está en la posición correcta. Para determinar la posición del rotor, la mayor parte de circuitos usan uno o dos métodos: miden la fuerza contra electromotriz producida por la rotación del motor o leen la posición del rotor usando sensores instalados dentro del motor.

Señales de control (Inverter´s)

Al igual que los motores trifásicos, un motor BLCD tiene tres cables para recibir la corriente trifásica de onda cuadrada generada por un “INVERTER”.

 

El motor BLDC tiene tres cables (entradas) que liberan corriente a los bobinados. Básicamente funcionan como un motor trifásico común y corriente de AC, pero con ondas cuadradas.

 

Para que esto ocurra debe generarse este tipo de corriente (trifásica) a partir de corriente directa normal. Si yo prendiera un switch, éste dejará pasar la corriente por un tiempo, luego apagára el switch y nuevamente prendiera, esto generará una onda cuadrada. Esto mismo hace un inverter pero de manera automática.

En un “Inverter” Ver Fig-05, entra corriente directa y gracias al arreglo de 6 transistores cuyas gates son electrónicamente controladas, se tienen corriente trifásica de onda cuadrada (pulsante) a la salida. El giro inverso se consigue al igual que en un trifásico AC normal conmutando dos fases.

Figura-05-Iverter

El controlador debe conocer la orientación del rotor antes de energizar las bobinas. algunos motores vienen con sensores incorporados para el efecto. Los sensores más comunes son de efecto hall se tendrán conexiones adicionales que le permitan al controlador leer el voltaje del sensor Hall. Son más confiables que los motores sensorless. // se debe conocer la orientación del rotor para lo que algunos motores se valen de un sensor de efecto hall para lo que tienen conexiones adicionales. Los motores sensorless son más sencillos, pero requieren de un periodo de arranque para que el controlador pueda evaluar la fuerza electromotriz//

Sensorless control (Control sin Sensores).

Los sistemas Sensorless son sencillos y baratos porque no se necesitan hardware adicional, sin embargo, requieren de un periodo de arranque para que el controlador pueda evaluar la fuerza contra electromotriz

 3.4 Controles electrónicos de velocidad (ESC-Electronic Speed Control).

En lugar de construcciones personalizadas de controladores de velocidad, muchos diseñadores buscan circuitos pre construidos llamados sistemas ESC. Debido a que los motores sin escobillas son más complejos, la mayor parte de ESCs se construyen para éstos aunque los hay también para motores con escobillas.

Los ESCs para motores sin escobillas (BLDCs) vienen a su vez para motores con sensor y sin sensor (sensored y sensorless). Si en las especificaciones de un ESC no menciona sensores, se entiende que será para motores sensorless. Ver figura-06

Figura-06 Electronic Speed Control para motores BLCD

 

Como muestra la figura, un ESC tiene:

  • Dos cables de entrada de corriente directa (+) y (-).
  • Tres cables de salida de la corriente trifásica de onda cuadrada.
  • Un cable de señales (signal) de entrada de los pulsos de control que pueden provenir de un de un receptor inalámbrico, o directamente de un MCU.

 

3.4.1 Battery Eliminator (BEC).

Muchos controles remotos disponen de pilas para los motores y de pilas para el receptor por separado, sin embargo, si la circuitería de control incluye un BEC, los dos sistemas pueden tener le energía de el mismo grupo de baterías. El BEC reduce peso, pero tiene la desventaja de que puede haber interferencia de la circuitería de los motores al circuito del receptor, también si las baterías se descargan se reducirá la potencia tanto en los motores como en el receptor.

3.4.2 programabilidad.

Algunos ESCs tienen parámetros operativos que pueden ser configurados por el usuario. En muchos casos, esta configuración se hace por medio de conexión USB a la PC. Para el ESC de la figura-06, las características de cutoff y freno son configurables. La primera columna enlista las características programables, la segunda columna da una descripción de cada una.

Parámetro configurable

Descripción

Auto-cutoff

Fija el voltaje al cual el ESC reduce la potencia debida al estado de voltaje-bajo

Brake

Fija las propelas en su posición de frenado cuando la aceleración está en su posición mínima

Battery type

Fija el tipo de batería que suministra la potencia al ESC

Timing

Identifica cuán rápido e liberan los pulsos al BLCD

Reverse

Fija el motor para que opere en dirección inversa

Reverse delay

El total del tiempo de retraso antes de cada cambio de sentido de giro

Starting acceleration

Define la rapidez con la que el motor debe ser acelerado durante el arranque

Current limiter

Fija la máxima corriente que puede ser suministrada al motor

Switching frecuency

Fija la frecuencia de los pulsos PWM de la señal de control del motor

 

VER TAMBIEN: MOTORES DE CORRIENTE DIRECTA CON ESCOBILLAS

 

 

 

 


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