Un motor es un dispositivo que convierte la energía eléctrica en movimiento giratorio mecánico, y se utiliza en un amplio abanico de campos, como los dispositivos médicos, las herramientas industriales, los equipos ópticos y los dispositivos de seguridad. Entender bien cómo funciona un motor es fundamental a la hora de desarrollar productos o elegir equipos.
En este artículo te explicaremos con detalle, desde los principios básicos del funcionamiento de los motores hasta las diferencias entre los motores de corriente continua y los de corriente alterna, pasando por las diferencias estructurales entre los motores sin núcleo y los con núcleo, de forma que lo entiendan tanto los técnicos noveles como los ingenieros con experiencia.
Si tienes dudas a la hora de elegir un motor o buscas uno que sea más preciso, más pequeño y que consuma menos energía, sigue leyendo hasta el final.
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Principios básicos del motor y cómo gira
El funcionamiento del motor se basa en una ley física llamada fuerza electromagnética.
El motor genera un movimiento giratorio continuo aprovechando la fuerza que se produce entre una bobina por la que circula corriente y un imán.
Lo que vamos a explicar en esta sección
- El principio por el que gira un motor: la fuerza electromagnética y la regla de la mano izquierda de Fleming
- El papel del conmutador y las escobillas en el funcionamiento continuo del motor
- Campos magnéticos y corrientes eléctricas: los elementos básicos del funcionamiento de un motor
Aquí vamos a ver con detalle el principio básico por el que el motor sigue girando.
El principio por el que gira un motor: la fuerza electromagnética y la regla de la mano izquierda de Fleming
El giro del motor se consigue gracias a la fuerza electromagnética que se genera al hacer pasar corriente por una bobina situada en un campo magnético. La ley de la mano izquierda de Fleming explica este fenómeno.
Si orientas el pulgar de la mano izquierda en la dirección de la fuerza, el índice en la dirección del campo magnético y el dedo corazón en la dirección de la corriente, entenderás la relación entre estos tres elementos.
[Los tres elementos de la regla de la mano izquierda de Fleming]
- Pulgar: dirección de la fuerza (la fuerza que recibe la bobina)
- Dedo índice: dirección del campo magnético (del polo N al polo S)
- Dedo corazón: dirección de la corriente (la corriente que circula por la bobina)
Cuando el campo magnético que genera el imán permanente y la dirección de la corriente de la bobina se combinan adecuadamente, la bobina es empujada en una dirección determinada y se produce un movimiento giratorio. Esta fuerza electromagnética es la base de todo el funcionamiento del motor.
El papel del conmutador y las escobillas en el funcionamiento continuo
Para que la bobina siga girando, hay que cambiar la dirección de la corriente en el momento adecuado. El conmutador es una pieza cilíndrica montada en el eje de rotación y tiene una estructura dividida en varios segmentos. Las escobillas son conductores fijos que entran en contacto con la superficie del conmutador, y estas dos piezas trabajan juntas para cambiar automáticamente la dirección de la corriente.
Cada vez que la bobina da media vuelta, cambia el segmento del conmutador y la dirección de la corriente se invierte a través de las escobillas. Gracias a este mecanismo, la bobina recibe constantemente una fuerza que la empuja en la dirección necesaria para seguir girando, lo que permite que el motor de corriente continua gire de forma continua. El conmutador y las escobillas desempeñan un papel fundamental en el funcionamiento continuo de los motores de corriente continua con escobillas.
Campos magnéticos y corrientes eléctricas: elementos básicos del funcionamiento de los motores
Para que un motor gire, se necesitan dos elementos básicos: un imán permanente o un electroimán que genere un campo magnético, y la corriente que circula por la bobina.Los imanes permanentes forman un campo magnético constante entre los polos N y S, y la bobina se coloca dentro de este campo magnético. Cuando la corriente circula por la bobina, se genera una fuerza electromagnética que empuja la bobina.
Cuando se utilizan imanes permanentes, la intensidad del campo magnético depende del material y del tamaño del imán. Si se usan imanes potentes, como los de neodimio, se consigue un campo magnético suficiente incluso con imanes pequeños, lo que resulta muy útil para reducir el tamaño de los motores. Por otro lado, cuando se utilizan electroimanes, se puede variar la intensidad del campo magnético ajustando la corriente que circula por la bobina.
La intensidad del campo magnético y la intensidad de la corriente influyen directamente en el par (fuerza de rotación) que genera el motor. Cuanto más intenso sea el campo magnético y mayor la intensidad de la corriente, mayor será el par que se obtenga. Sin embargo, como al aumentar la corriente también aumenta la generación de calor, hay que tener en cuenta la refrigeración y la disipación del calor cuando se utilice de forma continua.
La forma de controlar la corriente es un factor clave que determina el rendimiento del motor. Si ajustas la corriente variando la tensión, puedes controlar la velocidad de giro del motor. En aplicaciones que requieren un control preciso de la velocidad, se utilizan circuitos electrónicos para ajustar la corriente con gran precisión. La interacción de estos dos factores genera un par de giro estable, que sirve como fuente de energía para todo tipo de aparatos.
Tipos y estructura de los motores: diferencias entre los motores de corriente continua y los de corriente alterna
Los motores se clasifican, a grandes rasgos, en motores de CC (corriente continua) y motores de CA (corriente alterna), según el tipo de alimentación. Los motores de CC funcionan con corriente continua, ofrecen una excelente capacidad de control y se utilizan mucho en aparatos pequeños. Por su parte, los motores de CA funcionan con corriente alterna y se utilizan ampliamente en aplicaciones industriales.
Lo que vamos a explicar en esta sección
- Estructura y tipos de motores de corriente continua: con escobillas y sin escobillas
- Estructura y tipos de motores de corriente alterna: motores de inducción y motores síncronos
- Cómo elegir un motor según su uso: control, eficiencia y tamaño
Entender las características de cada uno es la clave para elegir el motor adecuado.
Estructura y tipos de motores de corriente continua: con escobillas y sin escobillas
Hay dos tipos de motores de corriente continua: los motores de corriente continua con escobillas, en los que la corriente se conmuta mediante un conmutador y unas escobillas, y los motores de corriente continua sin escobillas, que se controlan mediante circuitos electrónicos. Los motores de corriente continua con escobillas tienen una estructura sencilla y se caracterizan por poder controlar la velocidad de giro directamente mediante la tensión. Sin embargo, la fricción entre las escobillas y el conmutador provoca desgaste, por lo que requieren un mantenimiento periódico.
Los motores de corriente continua sin escobillas controlan la corriente mediante circuitos electrónicos y sensores, en lugar de un colector y escobillas. Al tener menos puntos de contacto mecánicos, sufren menos desgaste, lo que les permite funcionar durante más tiempo y con mayor eficiencia. Además, como generan menos calor y son muy silenciosos, son ideales para aplicaciones que requieren una alta fiabilidad, como los equipos de precisión o los dispositivos médicos.Aunque el coste inicial es más elevado que el de los motores con escobillas, en una evaluación global que incluya los costes de mantenimiento suelen resultar más ventajosos.
Estructura y tipos de motores de corriente alterna: motores de inducción y motores síncronos
Los motores de CA funcionan generando un campo magnético giratorio mediante una fuente de alimentación de corriente alterna, y ese campo magnético hace girar el rotor. Los motores de inducción obtienen la fuerza de giro gracias a la diferencia de velocidad (deslizamiento) que se produce entre el campo magnético giratorio y el rotor.Son los motores más utilizados en aplicaciones industriales porque tienen una estructura sencilla, son muy resistentes y fáciles de mantener.
Los motores síncronos tienen la característica de que el rotor gira a la misma velocidad que el campo magnético giratorio. Los que usan imanes permanentes son muy eficientes y permiten un control preciso de la velocidad, por lo que se utilizan, por ejemplo, en servomotores. Aunque su circuito de control es más complejo que el de los motores de inducción, los motores síncronos son la opción elegida para aplicaciones en las que se requiere precisión en el posicionamiento y una buena capacidad de respuesta.
Cómo elegir un motor según su uso: control, eficiencia y tamaño
A la hora de elegir un motor, es importante encontrar el equilibrio entre la capacidad de control, la eficiencia, el tamaño y el coste. El tipo de motor más adecuado varía según cada aplicación.
| Usos | Tipo de motor recomendado | Motivo |
| Posicionamiento de precisión | Servomotor (motor síncrono) | Permite un control de posición y velocidad de alta precisión |
| Reducción del tamaño y el peso | Motores sin núcleo (motores de corriente continua) | Ligeros, compactos y con una excelente capacidad de respuesta rápida |
| Aplicaciones de alta potencia | Motores de CA (motores de inducción) | Ofrecen un par elevado y una gran robustez, y son ideales para un funcionamiento prolongado |
| Funciona con batería | Motor de corriente continua sin escobillas | Alta eficiencia, bajo consumo y larga vida útil |
Si eliges la opción adecuada según el uso que le vayas a dar, podrás mejorar el rendimiento del producto y optimizar los costes al mismo tiempo. Sobre todo en el caso de los aparatos pequeños o de precisión, las características del motor influyen en el rendimiento general del producto, por lo que hay que pensárselo bien.
La diferencia entre los motores sin núcleo y los motores con núcleo: una estructura que permite una alta precisión y un tamaño reducido
Según cómo se enrollen las bobinas, los motores se clasifican en motores con núcleo (que tienen núcleo de hierro) y motores sin núcleo (que no tienen núcleo de hierro). Los motores con núcleo concentran el flujo magnético gracias al núcleo de hierro, lo que les permite alcanzar un par elevado, pero tienen la particularidad de que se produce un efecto de «cogging» (irregularidad en el giro).
Por otro lado, como los motores sin núcleo no tienen núcleo de hierro, su estructura hace que el par de cogging sea muy pequeño, lo que permite un giro suave y de alta precisión.
Lo que vamos a explicar en esta sección
- Características del motor con núcleo: alto par y efecto de dentado debido al núcleo de hierro
- Características de los motores sin núcleo: rotación de alta precisión sin efecto de dentado
- Aplicaciones de los motores sin núcleo: uso en los sectores médico, óptico y de seguridad
Para poder elegir el motor más adecuado para cada aplicación, vamos a ver cuáles son las diferencias estructurales entre ambos.
Características de los motores con núcleo: alto par y efecto de dentado debido al núcleo de hierro
Los motores con núcleo tienen una estructura en la que se enrolla una bobina alrededor del núcleo de hierro, lo que aumenta la densidad del flujo magnético y permite obtener un par elevado.El núcleo de hierro forma un circuito magnético y se encarga de concentrar el flujo magnético de forma eficiente en la bobina. Para el núcleo de hierro se utilizan materiales como la chapa de acero al silicio; al elegir materiales con excelentes propiedades magnéticas, se reducen las pérdidas de flujo magnético. Esta estructura tiene la ventaja de permitir una potencia relativamente alta a pesar de su tamaño reducido.
En aplicaciones en las que se requiere un par elevado, como los equipos industriales o las herramientas eléctricas, las características de potencia de los motores con núcleo resultan muy útiles. Además, el hecho de que los costes de fabricación sean relativamente bajos supone una ventaja a la hora de incorporarlos a la producción en serie.
Sin embargo, como entre el núcleo de hierro y el imán permanente se produce una fuerza de atracción magnética, se da un fenómeno por el que el par varía según la posición de giro. A esto se le llama «cogging» (fluctuación del par) y es la causa de pequeñas vibraciones y de un giro irregular.El cogging se nota especialmente a bajas velocidades y puede suponer un problema en aplicaciones que requieren un posicionamiento preciso y un funcionamiento suave.
Por ejemplo, en el accionamiento de los objetivos de las cámaras o en el control de precisión de los dispositivos médicos, incluso la más mínima vibración puede afectar al rendimiento. Por eso, en aplicaciones que exigen una alta precisión, es necesario elegir un tipo de motor con poco «cogging».
Características de los motores sin núcleo: rotación de alta precisión sin efecto de «cogging»
Los motores sin núcleo no tienen núcleo de hierro y están formados únicamente por bobinas ligeras. Las bobinas están enrolladas en forma cilíndrica o de disco y se colocan dentro del campo magnético de un imán permanente. Al no haber núcleo de hierro, no se produce ninguna fuerza de atracción magnética entre el imán y la bobina, por lo que apenas se produce efecto de dentado.
| Características | Ventajas de los motores sin núcleo |
| Cogging | Casi nunca se produce, lo que permite un giro extremadamente suave |
| Capacidad de respuesta | Tiene un momento de inercia reducido y destaca por su capacidad para arrancar y parar a alta velocidad |
| Peso | Como no tiene núcleo de hierro, es ligero y se adapta bien a los diseños compactos |
| Eficiencia | Como el rotor no tiene núcleo de hierro, las pérdidas en el hierro son menores, lo que permite un funcionamiento de alta eficiencia |
Gracias a estas características, los motores sin núcleo ofrecen un alto rendimiento en aplicaciones que requieren un control preciso. En concreto, su suave rotación contribuye directamente a reducir las vibraciones, lo que supone una gran ventaja a la hora de usarlos en equipos de precisión.
Aplicaciones de los motores sin núcleo: su uso en los sectores médico, óptico y de seguridad
Los motores sin núcleo se utilizan en muchos campos gracias a sus características de alta precisión, bajas vibraciones y tamaño compacto. En el ámbito médico, se emplean en aplicaciones en las que la seguridad del paciente y la fiabilidad de los equipos son lo más importante, como el accionamiento de las cámaras de los endoscopios o las bombas de líquidos medicinales.Su funcionamiento suave reduce la sensación de incomodidad durante las exploraciones, y su control preciso ayuda a realizar intervenciones con exactitud.
En el ámbito de los equipos ópticos, se utilizan en los mecanismos de enfoque automático de las cámaras digitales y en el accionamiento de las lentes de las cámaras de vigilancia. Gracias a su funcionamiento sin saltos, se reducen las microvibraciones durante el accionamiento de la lente, lo que permite un ajuste del enfoque de alta precisión. Su rápida capacidad de respuesta garantiza un enfoque ágil, para que no se te escape ninguna oportunidad de hacer una foto.
En el ámbito de la seguridad, se utilizan en los mecanismos de cierre de las cerraduras electrónicas y en los sistemas de accionamiento de las cerraduras inteligentes. Muchos modelos pueden activarse incluso con baja tensión, lo que contribuye a que los dispositivos que funcionan con batería tengan una mayor autonomía. Su bajo consumo y su larga vida útil evitan tener que cambiar las pilas con frecuencia, lo que mejora la comodidad del usuario.
[Principales ámbitos de aplicación de los motores sin núcleo]
- Equipos médicos: endoscopios, bombas de infusión, instrumental quirúrgico
- Equipos ópticos: autoenfoque de cámaras, cámaras de vigilancia, microscopios
- Equipos de seguridad: cerraduras electrónicas, cerraduras inteligentes, dispositivos de control de acceso
- Equipos industriales: dispositivos de posicionamiento de precisión, equipos de inspección y equipos de medición
En estas aplicaciones, como el rendimiento del motor influye en la calidad y la fiabilidad del producto en su conjunto, el uso de motores sin núcleo, que ofrecen una alta precisión y estabilidad, resulta una opción muy válida.
Resumen
Entender cómo funcionan los motores es la base para elegir el equipo adecuado y desarrollar productos. Si entiendes cómo funciona la rotación gracias a la fuerza electromagnética, las diferencias entre los motores de corriente continua y los de corriente alterna, y las diferencias estructurales entre los motores con núcleo y los sin núcleo, podrás elegir el motor que mejor se adapte a cada aplicación.
En concreto, a la hora de desarrollar dispositivos médicos, ópticos y de seguridad, en los que se requiere alta precisión, tamaño reducido y bajo consumo, los motores sin núcleo son una opción muy interesante.
En C.I. Takiron., ofrecemos micromotores de alto rendimiento, entre los que destacan los motores sin núcleo, y también ofrecemos personalización según las necesidades de cada cliente y asistencia técnica.
Información sobre productos y consultas
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- Página web del producto: https://cik-ele.com/
- Motores sin núcleo: https://cik-ele.com/products/list/coreless_motor/
- Motores sin escobillas: https://cik-ele.com/products/list/brushless_motor/
- Motorreductor: https://cik-ele.com/products/list/gearhead/
- Codificador: https://cik-ele.com/products/list/encoder/
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