Introducción al Motor DC o Motor de Corriente Continua

Publicado por Loli Diéguez en

Si tu proyecto involucra algún tipo de movimiento, lo más probable es que necesites algún tipo de motor DC para lograr dicho movimiento. Y si te gusta construir o experimentar con robots, el uso de un motor CC es una necesidad.

Hay mucho que decir sobre los motores de corriente continua y existen libros completos sobre este apasionante tema. En este articulo, comento los mas conocidos o populares.

Además, este será un artículo introductorio en el que analizaré tipos de motores de corriente continua o motor CC, desde un punto de vista básicos.

Los diversos motores de corriente continua recibirán un tratamiento más profundo cada uno con su propio artículo en el futuro.

 

Motores de corriente continua y motores de corriente alterna

Puede que te preguntes por qué solo comento los motores de CC en este artículo.

Si bien los motores de CA o corriente alterna son también muy conocidos, la mayoría de nosotros girará hacia motores de CC a menos que tu proyecto implique un movimiento que se conecte a una toma de CA.

En lo que respecta a la robótica, definitivamente es posible construir un robot con un motor de CA, pero si lo haces, la longitud del cable de alimentación pondrá un límite al movimiento de su creación.

Claro, podrías usar baterías, pero necesitarías algunas baterías bastante pesadas y más circuitos para convertir CC en CA, lo que aumenta el costo y la complejidad del proyecto.

En realidad, los motores de CA son una parte esencial de la vida moderna. Algunos motores de CA tienen una potencia nominal de más de 100.000 caballos de fuerza. Se utilizan en muchas aplicaciones comerciales e industriales y son los caballos de batalla de nuestra sociedad.

Y algunos de los electrodomésticos en tu casa los usan, aunque los motores de CC sin escobillas están comenzando a introducirse y reemplazar las versiones de CA en muchas aplicaciones de electrodomésticos.

Motores de corriente continua con escobillas

Los motores con escobillas son el tipo de motor de CC más antiguo (desde finales de 1800) con orígenes que se remontan a Michael Faraday, por lo que los veremos primero.

Este tipo de motor de CC consta de tres partes principales: un estator, una armadura y un conmutador. La siguiente figura muestra un motor de CC de este tipo.

motor corriente continua

La siguiente imagen muestra el interior de un motor más pequeño, uno similar al tipo que puedes usar en tu proyecto. Ten en cuenta que los motores de CC con escobillas también se abren camino en aplicaciones comerciales e industriales.

 

Motor CC

 

 

En la imagen anterior verás como el rotor de este motor de CC tiene bobinados con el conmutador al final.

Los cepillos (no mostrados en la figuras anteriores) son generalmente de carbono o cobre. Transfieren electricidad al conmutador y, por lo tanto, hacen contacto físico con él. Esto finalmente los desgasta, lo cual es una desventaja. Los motores más grandes y caros tienen escobillas reemplazables.

En cualquier caso, los cepillos también causan una gran cantidad de interferencia electromagnética debido a chispas y arcos, que es otro inconveniente de este tipo de motor de CC.

En la siguiente imagen verás las partes de un motor de corriente continua, fijate como encajan las escobillas o brush en el conmutador.

cepillos en el motor dc

 

Aunque las escobillas presentan algunas desventajas para el motor, estos dispositivos son fácilmente reversibles, además de tener un alto par de arranque y alta velocidad con un control fácil.

Motores de corriente continua sin escobillas

Los motores de CC sin escobillas (también conocidos como motores BLDC o BLDCM) son uno de los motores más nuevos en lo que respecta a los motores.

Como su nombre lo indica, no tienen escobillas, lo que los hace más eficientes ya que al no tener este elemento se evita un roce con el conmutador que provoca pérdidas por fricción.

Esta falta de escobillas también los hace más fáciles de mantener, y los motores BLDC producen mucha menos interferencia electromagnética que sus primos con escobillas porque éstas causan arcos eléctricos y chispas. Esto también los hace adecuados para su uso en entornos con vapores y polvo inflamables.

En el lado negativo, tienden a ser más caros y el control es más complejo y requiere controladores de velocidad u otros circuitos especiales.

Muchos motores de CC sin escobillas contienen un sensor de efecto Hall o IC de efecto Hall para ayudar con el control. 

partes motor cc

 

Como ves en la imagen anterior, el rotor del motor BLDC admite imanes permanentes (un número par de ellos). Son los imanes los que giran en este tipo de motor mientras los devanados permanecen fijos. Esto ayuda a mantener los devanados intactos, ya que no sufren las fuerzas físicas que implican una rotación rápida.

Cuantos más polos magnéticos tenga el rotor, más pequeños serán los pasos de rotación. Esto da como resultado una menor ondulación de torque. No lo confundas con el término "pasos de rotación".

A diferencia del paso a paso que vamos a ver mas adelante, el motor CC sin escobillas está diseñado para una rotación continua. Pero, como un paso a paso, el motor BLDC conmuta (en este contexto "conmuta" significa que ciertas bobinas se encienden y apagan) de acuerdo con una secuencia predeterminada de activación de la bobina.

Una cosa a tener en cuenta es que los motores de CC sin escobillas no son excelentes para una alineación precisa del rotor.

Los motores de CC sin escobillas están reemplazando a sus predecesores con escobillas, encontrando su camino en herramientas inalámbricas y electrodomésticos como lavadoras, reproductores de DVD y más. Si construyes drones, probablemente te gustarán mas los motores BLDC.

motor cc drone

El motor BLDC de la foto es de tipo outrunner, lo que significa que el exterior gira en lugar del interior. Los devanados no se mueven sino que forman el núcleo del motor. En otras palabras, el rotor está en el exterior.

Motores paso a paso

Los motores paso a paso son otro tipo de motor común con el que te encontrarás si te enfrentas a la robótica o cualquier cosa que se mueva. Los motores paso a paso son un tipo de motor de CC sin escobillas, pero merecen prestarles atención por separado.

Son similares a los motores de CC sin escobillas pero tienen muchos polos por rotación. Una de sus principales ventajas es la capacidad de controlarlos sin retroalimentación de circuito cerrado que puede ser complicado de implementar.

Existen dos tipos principales de motores paso a paso: unipolar y bipolar.

Un paso a paso unipolar utiliza una bobina con un toque central en cada polo y requiere que la corriente fluya en una dirección. Solo la mitad de la bobina en un polo en particular se acciona a la vez.

Un paso a paso bipolar usa una bobina simple por polo, generalmente con el doble de vueltas que el paso a paso unipolar. También requieren la corriente para invertir la dirección. Los steppers bipolares generalmente necesitan circuitos más complejos para lograr esto, lo que puede aumentar el costo del controlador.

Sin embargo, la relación potencia / peso del tipo bipolar supera a la del tipo unipolar ya que toda la bobina se acciona a la vez.

Ten en cuenta que por polo simplemente me refiero a un campo magnético norte o sur que es generado por un imán permanente o corriente que pasa a través de una bobina de alambre.

Motor dc paso a paso

 

A diferencia de los otros motores de CC que comento mas arriba, un paso a paso se mueve en pasos discretos y no gira continuamente, aunque pueden funcionar en movimiento hacia adelante o en reversa.

Para entender mejor esto, imagina la manecilla de segundos en un reloj analógico. No gira continuamente, sino que "hace tictac" en pequeños pasos. Los steppers también son muy precisos en posición angular, lo que los hace ideales para la robótica y cualquier cosa que requiera un movimiento preciso.

Al igual que el motor BLDC, no podemos conectar un cable a tierra y el otro a un voltaje mayor que cero y esperar que funcione. Necesitan un control especial y, dependiendo del paso a paso, pueden tener de cuatro a ocho cables de conexión.

Dado que los steppers son inherentemente digitales, también son compatibles con los microcontroladores, aunque no puede conducir uno directamente desde el pin de un microcontrolador, ya que consumen demasiada corriente.

Un stepper necesita recibir un tren de pulso rectangular para rotar su eje un cierto número de grados que viene determinado por el número de pulsos en el tren de pulsos.

La resolución de paso estándar (es decir, el tamaño del paso) para los motores paso a paso más comunes es de 200 pasos para 360 grados de movimiento, que se traduce en 1,8 grados por paso. Puedes usar medio paso si lo deseas; esto duplica la cuenta a 400 pasos por 360 grados o 0.9 grados por paso.

Algunos steppers son capaces de realizar micro-pasos y pueden obtener miles de pasos por revolución.

El interior de un motor paso a paso es lo que se ve en la siguiente imagen:

 

 interior motor paso a paso

 

Puedes encontrar motores paso a paso en impresoras, robots y máquinas CNC.

Servomotores

Para la mayoría de los aficionados, los servomotores serán el motor de referencia, especialmente para aquellos que se dedican a la robótica.

 

Esta imagen muestra una muestra de este tipo de motores.

servo

Un servomotor es un subconjunto especial de motores CC.

Un servomotor tiene tres cables. Uno es para alimentación, otro para tierra, y el tercero es un cable de control. Dado que un servo es un sistema de retroalimentación cerrado (a diferencia del motor paso a paso que es de bucle abierto), el cable de control es necesario para detectar la posición del eje del servo y ajustarlo si es necesario.

Todos los servos tienen al menos tres partes principales:

  • Un motor de corriente continua
  • Engranajes reductores
  • Circuitos de control

La siguiente imagen muestra las entrañas de un servomotor típico.

Interior servo motor

 

 

No puedes simplemente conectar una batería a un servomotor y verlo funcionar ya que los servos necesitan señales de control especiales para funcionar correctamente. Lo bueno es que hay muchas maneras de hacer esto con microcontroladores como Arduino.

 

DC Motor Especificaciones

Una introducción a los motores de CC no estaría completa sin una descripción general rápida de algunas especificaciones importantes.

El término voltaje de funcionamiento se explica por sí mismo. En general, cuanto más voltaje aplique a un motor CC, más rápido gira. Sin embargo, hay límites para esto y un voltaje excesivo puede dañar el motor.

La mayoría de los motores funcionarán con voltajes más bajos o más altos que los especificados, pero hay algunas advertencias. Por ejemplo, un motor de 6 V probablemente funcionará a 3 V, pero no será tan potente y funcionará más lentamente. 

Además, muchos motores pueden no funcionar (o funcionar muy mal) a voltajes por debajo del 40% o 50% de su capacidad nominal  o a mas del 200% de su capacidad nominal.

El consumo de corriente es otra especificación autoexplicativa. Es la cantidad de corriente que requiere el motor. El consumo de corriente para un motor sin carga va a estar en su punto más bajo. Una vez que aplica una carga, el consumo aumenta hasta que alcanza un máximo cuando el motor se detiene. 

Ten esto en cuenta cuando uses motores en tus proyectos. La fuente de alimentación o las baterías deben ser capaces de manejar el peor de los casos donde el motor se detiene porque ya no puede manejar la carga.

Solo imagina a tu pequeño robot corriendo contra una pared. Si intenta continuar, las ruedas resbalarán o los motores que las conducen se detendrán mientras intentan empujar el robot a través de la pared.

Todos sabemos lo que es la velocidad . Generalmente se da en RPM (revoluciones por minuto). La mayoría de los motores giran demasiado rápido y necesitan algún tipo de engranajes para desacelerarlos. El engranaje también afecta a la siguiente especificación: torque.

El toque o par es la fuerza que un motor ejerce sobre su carga. Las personas lo miden colocando una palanca de longitud conocida en el extremo del eje del motor y usando una báscula o un medidor de peso. Cuando un motor a corriente continua se detiene, emite un par máximo. El torque y el consumo de corriente son proporcionales, es decir, cuanto más torque produce el motor, más corriente consumirá hasta que se detenga donde ambos son máximos.

Cómo probar el consumo de corriente de un motor

Hay que ser prácticos. Es posible obtener el consumo de corriente de un motor en particular con varias cargas (funcionamiento libre, parada, todo lo demás) para que puedas dimensionar correctamente tu fuente de alimentación.

Necesitarás un multímetro con una entrada de 10 A para hacer esto. Asegúrate de que esta entrada tenga un fusible en caso de que tu motor consuma más de 10 A, o freirá su multimetro.

Sigue estos pasos:

  • Conecta el cable positivo (el rojo) a la entrada de 10 A.
    Deja solo el negro o común; debe estar en la posición común o negativa.
  • Coloca los cables del medidor en serie con el motor. Si es posible, trata de determinar si el motor consumirá más de 10 A antes de hacer esto. Las especificaciones del motor o Internet pueden ayudar con esto. Si consume más de 10A, no sigas estos pasos, pero puedes usar el método alternativo que comento mas abajo. Si no estás seguro de cómo conectar el multimetro mira la siguiente foto.
  • Enciende el motor y observa la salida.
  • Puedes colocar varias cargas en el eje, para motores pequeños puedes usar tus dedos pero no lo hagas si empleas motores potentes.

medir corriente en motor

 

Entonces, ¿qué hacemos si sospechamos que nuestro motor consume más de 10 A?

Afortunadamente, hay una solución, aunque es un poco más compleja (pero aún no es muy difícil).

Puedes medir la corriente de un motor DC indirectamente para ello emplea una resistencia y mide el voltaje a través de ella, después, mediante la Ley de Ohm, podrás calcular la corriente.

Aquí están los pasos para medir la corriente por este otro método:

  • No necesitarás colocar el cable positivo en el conector de 10 A, así que deja solo el cable positivo (rojo) de su medidor. Por supuesto, también querrás dejar solo el cable negro.
  • Inserte una resistencia de potencia en serie con el motor. Usa cualquier cosa entre 1 y 10 ohmios, pero asegúrate de que pueda manejar al menos 20 vatios de potencia, cuanto mayor sea mejor, especialmente si tu motor consume más de 10 A.
  • Enciende el circuito y mide el voltaje a través de la resistencia. Si no estás seguro de cómo manipular la configuración, mira la siguiente imagen.
  • Usa la Ley de Ohm para obtener la corriente.
  • Varía la carga en el motor y obtén el consumo de corriente en diferentes condiciones.

 medir en resistencia

 

Conclusiones

Hay algunos otros motores de CC especializados (como los motores lineales), pero no es probable que los emplees.

En futuros artículos entraré en más detalles sobre cada tipo de motor.

Espero que te haya gustado este articulo .

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