Maquinas Eléctricas-Chapman-5ta-edición

9.6 Otros tipos de motores 443
Motores de cd sin escobillas
Los motores de cd convencionales se utilizan tradicionalmente en aplicaciones donde se tienen
fuentes de potencia de cd, como en los aviones y automóviles. Sin embargo, los motores de cd pequeños
de estos tipos tienen varias desventajas. La principal es la generación excesiva de chispas y
el desgaste de las escobillas. Los motores de cd veloces y pequeños son demasiado compactos como
para usar devanados de compensación e interpolos, por lo que la reacción del inducido y los efectos
L di/dt tienden a producir chispas en las escobillas del conmutador. Además, la alta velocidad de
rotación de este tipo de motores provoca un desgaste excesivo de las escobillas y requiere mantenimiento
regular cada pocos miles de horas. Si los motores deben funcionar en un ambiente de baja
presión (como las altitudes a las que viaja un avión), el desgaste de las escobillas puede ser de tal
magnitud que se tienen que reemplazar después de poco menos de una hora de operación.
En algunas aplicaciones el mantenimiento regular que requieren las escobillas de este tipo de
motores de cd puede llegar a ser incosteable. Considérese por ejemplo un motor de cd en un corazón
artificial donde el mantenimiento regular requeriría una cirugía de pecho. En otras aplicaciones, las
chispas en las escobillas pueden originar una explosión o generar ruido de radiofrecuencia inaceptable.
En todos estos casos se requiere un motor de cd pequeño y rápido que sea altamente confiable,
que produzca poco ruido y tenga una larga vida útil.
En los últimos 25 años se han estado desarrollando este tipo de motores por medio de la combinación
de motores pequeños, como el de avance paso a paso de imán permanente, con un sensor
de posición del rotor y un circuito conmutador electrónico en estado sólido. Estos motores se llaman
motores de cd sin escobillas puesto que operan con una fuente de potencia de cd, pero no tienen ni
conmutadores ni escobillas. En la figura 9-40 se puede ver un dibujo de un pequeño motor de cd sin
escobillas y en la figura 9-41 se muestra la fotografía de un típico motor de cd sin escobillas. El rotor
es similar al de un motor de avance paso a paso de imán permanente, excepto en que es de polos no
salientes. El estator puede tener tres fases o más (el motor del ejemplo que se muestra en la figura
9-40 tiene cuatro fases).
Los componentes básicos de un motor de cd sin escobillas son:
1. Rotor de imán permanente.
2. Estator con un devanado de tres, cuatro o más fases.
3. Sensor de posición del rotor.
4. Circuito equivalente para controlar las fases del devanado del rotor.
Un motor de cd sin escobillas funciona por medio de la energización de una bobina del estator
a la vez que con un voltaje de cd constante. Cuando se enciende una bobina, se produce un campo
magnético del estator B S y se produce un par en el rotor dado por
t ind = kB R × B S
que tiende a alinear el rotor con el campo magnético del estator. En el momento que se muestra en
la figura 9-40a), el campo magnético del estator B S apunta hacia la izquierda mientras que el campo
magnético del rotor de imán permanente B R apunta hacia arriba, lo que produce un par en sentido
contrario al de las manecillas del reloj en el rotor. Como resultado, el rotor girará hacia la izquierda.
Si la bobina a permanece energizada todo el tiempo, el rotor girará hasta que los dos campos
magnéticos se alinearan y luego se detendría, al igual que un motor de avance paso a paso. La clave
del funcionamiento de un motor de cd sin escobillas es que incluye un sensor de posición, por lo que
el circuito de control sabe cuándo el rotor está casi alineado con el campo magnético del estator. En
ese momento apagará la bobina a y prenderá la bobina b, lo que provocará que el rotor experimente
una vez más un par en sentido contrario al de las manecillas del reloj y continúe girando. Este proceso
se repite en forma indefinida y las bobinas se prenden en el siguiente orden: a, b, c, d, –a, –b,
–c, –d, etc., por lo que el motor gira continuamente.
La electrónica del circuito de control se puede utilizar para regular tanto la velocidad como la
dirección del motor. El efecto neto de este diseño es un motor que opera con una fuente de potencia
de cd, con un control absoluto de la velocidad y de la dirección de rotación.