Los motores de escobillas se utilizan en una amplia variedad de sectores, como el de la maquinaria industrial, los dispositivos médicos y los sistemas de seguridad. Gracias a su estructura sencilla y a lo fácil que es controlarlos, son la elección de muchos ingenieros de desarrollo de productos.
Por otro lado, no son pocos los técnicos que tienen necesidades como «quiero entender bien cómo funcionan los motores con escobillas», «quiero elegir el motor más adecuado para nuestros productos» o «quiero entender bien en qué se diferencian de los motores sin escobillas».
En este artículo te explicaremos de forma exhaustiva, desde el punto de vista de un ingeniero, la estructura básica de los motores de escobillas, pasando por su principio de rotación y de generación de energía, hasta sus características prácticas. Te presentaremos también algunos aspectos clave para la selección de estos motores que te serán útiles en el desarrollo de productos, tanto si eres un ingeniero novato como si eres un técnico experimentado, así que no te lo pierdas hasta el final.
| Supervisado por: Grupo de Ventas de Componentes Electrónicos de C.I. Takiron. Supervisamos este artículo basándonos en la avanzada tecnología y los conocimientos que hemos acumulado desde nuestra fundación en 1919 como empresa líder en el sector del procesamiento de plásticos.En nuestro departamento, analizamos constantemente las tendencias del mercado y las últimas tecnologías en materia de micromotores ultracompactos y de alta precisión, y nos centramos en ofrecer información de gran valor añadido a los diseñadores y desarrolladores. Como equipo de expertos que conoce a la perfección las características de los productos, te ayudamos a resolver tus retos y a innovar tecnológicamente a través de contenidos precisos y prácticos. |
Estructura básica y principio de funcionamiento de los motores con escobillas
El motor de escobillas es un motor de estructura sencilla que funciona con corriente continua.
El motor de escobillas está formado por cuatro componentes principales: el rotor, el estator, las escobillas y el conmutador. El mecanismo funciona así: la corriente que viene de la fuente de alimentación de corriente continua pasa por las escobillas hasta llegar al conmutador y, al fluir por el bobinado del rotor, se genera una fuerza de rotación basada en la ley de la mano izquierda de Fleming.
Gracias al contacto mecánico entre las escobillas y el colector, se produce el «efecto de rectificación», por el que la dirección de la corriente cambia mecánicamente según gira el rotor, lo que permite un giro continuo. La principal ventaja de este mecanismo es su sencillez: basta con conectarlo directamente a una fuente de alimentación de corriente continua, sin necesidad de circuitos de control externos, para que funcione.
Lo que vamos a explicar en esta sección
- La función del rotor y del bobinado
- El efecto rectificador de las escobillas y el colector
- La regla de la mano izquierda de Fleming y el principio de rotación
Empecemos por entender la estructura y los principios básicos.
La función del rotor y del bobinado
Algunos motores de escobillas están formados por un rotor con bobinas fijadas al eje de rotación y un núcleo de hierro, y el campo magnético se genera cuando pasa la corriente. El par de rotación se produce por la interacción entre el campo magnético generado y los imanes permanentes (o electroimanes) del estator, y así se convierte en un movimiento giratorio continuo.El núcleo de hierro del rotor suele tener una estructura de láminas de acero magnético apiladas, y está diseñado para aumentar la eficiencia magnética y reducir las pérdidas por corrientes parásitas.
Las características de par y la velocidad de giro dependen del diseño del bobinado y del número de polos, así que hay que optimizarlas según el uso que le vayas a dar. Por ejemplo, si aumentas el diámetro del alambre del bobinado, la resistencia baja y pasa más corriente, lo que facilita conseguir un par más alto; pero, como en el mismo espacio hay menos vueltas, la constante de velocidad (Kv) sube y las características se inclinan más hacia las altas velocidades.
Por el contrario, si utilizas un alambre fino para conseguir un mayor número de espiras, la resistencia aumenta y la corriente que circula disminuye; sin embargo, al aumentar el número de espiras, el coeficiente de par (Kt) también aumenta, lo que hace que el motor tenga una característica que permite obtener un par potente a bajas revoluciones.
De esta forma, se puede ajustar el equilibrio entre el par y la velocidad de giro mediante la combinación del diámetro del alambre y el número de espiras del bobinado.
Dado que los dispositivos médicos y los equipos ópticos requieren un control de rotación de alta precisión, el diseño del bobinado es un factor clave que determina el rendimiento del producto. Se necesita un diseño de bobinado óptimo para cada aplicación: en las herramientas industriales se prioriza un par elevado, mientras que en los dispositivos de seguridad se da importancia al ahorro energético, entre otros ejemplos.
El efecto rectificador de las escobillas y el colector
Las escobillas son componentes conductores fijos que suministran corriente mientras están en contacto con el conmutador giratorio.Para las escobillas se usan materiales como el carbono o aleaciones de metales preciosos, y se da mucha importancia al equilibrio entre la conductividad y la resistencia al desgaste. El conmutador es una pieza cilíndrica dividida en varios segmentos; su mecanismo consiste en que, según el ángulo de giro del rotor, cambia el punto de contacto con las escobillas, lo que hace que la dirección de la corriente que circula por el devanado cambie mecánicamente.
Cuantos más segmentos haya, más suave será la conmutación y menor será la fluctuación de par (irregularidad en el giro). Cuando el rotor gira, las escobillas van cambiando de segmento uno tras otro y invierten la dirección de la corriente en el momento adecuado, generando así una fuerza de giro en la misma dirección en todo momento. Esta conmutación mecánica permite un giro continuo y estable sin necesidad de control externo.
La fiabilidad de los motores de escobillas se debe a que, gracias al contacto entre el conmutador y las escobillas, se consigue un funcionamiento seguro a pesar de su estructura sencilla. Su uso durante muchos años en diversos ámbitos, como la maquinaria industrial y los dispositivos de seguridad, demuestra la solidez de este mecanismo de conmutación.
La regla de la mano izquierda de Fleming y el principio de rotación
El principio de funcionamiento de un motor de escobillas se basa en la ley de la mano izquierda de Fleming. Según esta ley, si abres el pulgar, el índice y el medio de la mano izquierda formando ángulos rectos entre sí, y orientas el dedo medio en la dirección de la corriente y el índice en la dirección del campo magnético, el pulgar indicará la dirección de la fuerza.
El principio consiste en que, cuando se hace pasar una corriente por un conductor (bobinado) situado en un campo magnético, se genera una fuerza en dirección perpendicular tanto a la corriente como al campo magnético. Esta fuerza genera un par de rotación en el rotor y, gracias a la conmutación de la dirección de la corriente que realizan el conmutador y las escobillas, el rotor gira de forma continua en la misma dirección.
Aunque varía según el diseño, cada vez que el rotor gira un ángulo determinado, se cambia de segmento del colector y cambia la dirección de la corriente que circula por el devanado, lo que hace que la dirección de la fuerza de rotación se mantenga siempre constante. Este mecanismo, gracias a esta acción de conmutación continua, permite mantener un movimiento giratorio suave.
Un principio físico sencillo y claro es el que sustenta la alta fiabilidad y controlabilidad de los motores de escobillas. Su larga trayectoria de uso en diversos ámbitos, como la maquinaria industrial y los equipos de seguridad, demuestra la solidez de este principio básico.
Principio de generación de electricidad y características del motor de escobillas
El motor de escobillas tiene la capacidad de funcionar no solo como motor, sino también como generador (dinamo). Un generador (dinamo) es un dispositivo que convierte el movimiento giratorio en energía eléctrica, y el motor de escobillas cuenta con esta capacidad de conversión bidireccional.
Cuando se hace girar mecánicamente desde el exterior, se genera una fuerza electromotriz en el bobinado, lo que permite obtener corriente continua a través de las escobillas y el conmutador. Este principio de generación de energía, conocido como «fuerza contraelectromotriz (Back EMF)», también desempeña un papel importante durante el funcionamiento del motor.
Cuando el motor gira, se genera una fuerza contraelectromotriz y, al limitar la corriente de alimentación, se activa un sistema de autocontrol que se adapta a la velocidad de giro. Además, como la fuerza contraelectromotriz aumenta en caso de parada brusca, es posible ajustar la fuerza de frenado mediante el freno de cortocircuito.
Lo que vamos a explicar en esta sección
- Fuerza electromotriz inversa (Back EMF) y características de par
- Cómo funciona el frenado por cortocircuito
- La relación entre tensión, corriente y velocidad
Si entiendes los principios y las características de la generación de energía, podrás aplicarlos al diseño óptimo de los sistemas de control de velocidad y de frenado.
Fuerza electromotriz inversa (BACK EMF) y características de par
Mientras el motor gira, la fuerza contraelectromotriz que se genera cuando el bobinado atraviesa el campo magnético actúa en sentido contrario a la tensión aplicada, lo que reduce la corriente que circula realmente. Como la magnitud de la fuerza contraelectromotriz varía exactamente en proporción a la velocidad de giro, cuanto más rápido gira, mayor es la fuerza contraelectromotriz que se genera y, por lo tanto, la corriente queda limitada.
Por eso, cuando no hay carga, gira a alta velocidad, y cuando la carga aumenta, la velocidad de giro disminuye y el par aumenta, lo que le da una característica de autorregulación.
En concreto, la diferencia de tensión que se obtiene restando la fuerza electromotriz de retorno de la tensión aplicada es la tensión efectiva que realmente acciona el motor.Cuando aumenta el par de carga, la velocidad de giro disminuye y la fuerza contraelectromotriz se reduce, por lo que circula más corriente para generar el par necesario. Como la magnitud de la fuerza contraelectromotriz es proporcional a la velocidad de giro, también se aplica al control sin sensor de velocidad.
Gracias a esta característica, se puede conocer el estado de funcionamiento del motor sin necesidad de sensores externos, lo que contribuye a simplificar el sistema de control y a reducir los costes. En los dispositivos médicos y las herramientas industriales, se valora mucho la capacidad de adaptarse a las variaciones de carga que ofrece esta característica de autoajuste.
Cómo funciona el frenado por cortocircuito
Si se cortocircuitan los terminales del motor, el rotor, que gira por inercia, funciona como un generador (dinamo) y la corriente fluye por el circuito de cortocircuito. Este mecanismo consiste en que, al interactuar esta corriente con el campo magnético, se genera un par de frenado que impide el giro.Como la intensidad del par de frenado es proporcional a la velocidad de giro, se obtiene una mayor fuerza de frenado cuanto más rápido gira el motor, y esta fuerza va disminuyendo poco a poco a medida que te acercas a la parada.
| Apartado | Características |
| Sistema de frenado | Frenado eléctrico (sin fricción mecánica) |
| Capacidad de respuesta | Parada rápida y estable |
| Usos principales | Posicionamiento de precisión, sistemas de parada de emergencia |
| Durabilidad | Tiene pocas piezas sujetas a desgaste directo, por lo que dura mucho tiempo |
A diferencia de los frenos mecánicos, no se produce desgaste de las piezas ni generación de calor por fricción, por lo que es difícil que su rendimiento se vea afectado incluso tras repetidas operaciones de frenado. Como los frenos cortos no utilizan fricción mecánica, son uno de los sistemas de frenado eléctrico más eficaces para aplicaciones que requieren un posicionamiento preciso o una parada de emergencia.
Se suele utilizar en situaciones en las que se necesita una parada suave y precisa, como en el accionamiento de endoscopios o el control de lentes de cámaras en dispositivos médicos. Además, en el control de los brazos de los robots industriales, se utiliza como mecanismo de seguridad para detener al instante cualquier movimiento inesperado.
La relación entre tensión, corriente y velocidad
La velocidad de giro de un motor de escobillas es casi proporcional a la tensión aplicada, mientras que el par es proporcional a la corriente. Por ejemplo, si le aplicas 6 V a un motor de 12 V, en teoría funcionará a aproximadamente la mitad de su velocidad nominal.Sin carga, la corriente es mínima debido a la fuerza contraelectromotriz, por lo que gira a alta velocidad; pero, a medida que aumenta la carga, la velocidad de rotación disminuye y la fuerza contraelectromotriz se reduce, por lo que circula más corriente y el par motor aumenta.
En la práctica, gracias al control PWM (modulación por ancho de pulso), se puede ajustar el valor efectivo de la tensión y controlar la velocidad de giro con total libertad.El mecanismo consiste en que, al variar la relación de ciclo, cambia la tensión media que se suministra al motor, lo que permite un control de velocidad suave. Si entiendes esta característica, podrás seleccionar el motor más adecuado según las especificaciones de la fuente de alimentación, el diseño del circuito controlador y las condiciones de carga.
En aplicaciones con grandes variaciones de carga, como las herramientas industriales o los dispositivos médicos, es necesario un diseño que tenga en cuenta esta relación entre tensión, corriente y velocidad. En las cerraduras electrónicas de los dispositivos de seguridad se valora especialmente que se puedan activar de forma fiable incluso a baja tensión, mientras que en los dispositivos ópticos se requiere un control preciso de la velocidad.
Características prácticas de los motores con escobillas y aspectos clave para su selección en aplicaciones industriales
Los motores de escobillas se utilizan en un montón de campos gracias a su estructura sencilla y a lo fácil que es controlarlos. Se pueden poner en marcha con solo conectarlos directamente a una fuente de alimentación de corriente continua y, como suelen tener circuitos de control más sencillos que otros tipos de motores, ayudan a reducir el coste y el tamaño de todo el sistema.
Por otro lado, el contacto mecánico entre las escobillas y el conmutador hace que sea necesario un mantenimiento periódico y un control de la vida útil. Además, las chispas y el ruido que se producen en los puntos de contacto son factores que hay que tener en cuenta en entornos a prueba de explosiones o en aplicaciones que requieren un control de alta precisión.
Lo que vamos a explicar en esta sección
- Ventajas: estructura sencilla y facilidad de control
- Inconvenientes: el desgaste de las escobillas y la gestión de su vida útil
- Ejemplos de aplicaciones industriales y selección de los usos más adecuados
Evalúa de forma global la relación entre coste y rendimiento, la facilidad de mantenimiento y las condiciones ambientales, y elige el motor más adecuado para tu aplicación.
Ventaja: estructura sencilla
La mayor ventaja de los motores con escobillas es que tienen una estructura sencilla y no necesitan circuitos de control externos. A diferencia de los motores sin escobillas o los motores paso a paso, no requieren circuitos integrados de control específicos ni placas de control complejas, lo que permite reducir el número total de componentes del sistema.
[Principales ventajas de los motores con escobillas]
- Funciona con solo conectarlo directamente a una fuente de alimentación de corriente continua
- El control de velocidad es fácil mediante el ajuste de la tensión o el control PWM
- Los costes de fabricación son relativamente bajos
- Se adapta bien a la producción de lotes pequeños
Se pueden utilizar en una amplia gama de fases de desarrollo, desde la fase de prototipos hasta la producción en serie, y esta facilidad de uso es la razón por la que llevan tantos años siendo tan populares en muchos sectores industriales. La facilidad para incorporar motores de escobillas supone una gran ventaja a la hora de comprobar el funcionamiento en las primeras fases de desarrollo y de diseñar productos con un coste reducido.
Sobre todo en el desarrollo de nuevos productos, lo habitual es empezar por comprobar el funcionamiento básico con un motor de escobillas y, si hace falta, plantearse cambiar a otro tipo de motor. Además, esto permite simplificar el diseño del circuito de alimentación, lo que, en el caso de los dispositivos portátiles que funcionan con batería o los equipos de seguridad, se traduce directamente en una reducción del tiempo de desarrollo y de los costes.
Inconvenientes: el desgaste de las escobillas y la gestión de su vida útil
El contacto mecánico entre las escobillas y el colector provoca un desgaste progresivo con el uso continuado. A medida que avanza el desgaste, el rendimiento del motor disminuye y, finalmente, puede llegar a fallar, por lo que es necesario realizar un mantenimiento periódico en función del tiempo de uso y del entorno.
Además, las pequeñas chispas que se producen en los puntos de contacto son una fuente de ruido eléctrico, por lo que hay que tomar medidas en aplicaciones que impliquen control de precisión o comunicaciones inalámbricas. Como se requiere un diseño que tenga en cuenta la vida útil y la facilidad de mantenimiento, en aplicaciones que necesiten un funcionamiento continuo durante mucho tiempo o en entornos donde el mantenimiento sea complicado, también hay que comparar esta opción con otros tipos de motores.
Ejemplos de aplicaciones industriales y selección de los usos más adecuados
Los motores de escobillas cuentan con una amplia trayectoria en diversos ámbitos, desde equipos médicos hasta herramientas industriales.
| Ámbito | Ejemplos de usos principales |
| Equipos médicos | Endoscopios, bombas, instrumental quirúrgico |
| Herramientas industriales | Atornilladores eléctricos, clavadoras |
| Equipos ópticos | Accionamiento de lentes de cámara, mecanismo de enfoque |
| Equipos de seguridad | Cerraduras electrónicas, cerraduras inteligentes |
En particular, es ideal para productos fabricados en serie en los que prima el coste y para aplicaciones que solo requieren un control sencillo.
En C.I. Takiron nos encargamos de seleccionar el motor más adecuado para tus aplicaciones y requisitos técnicos, y te ofrecemos propuestas personalizadas. Ofrecemos micromotores de alta calidad basados en nuestra dilatada experiencia, así que si tienes alguna duda sobre el desarrollo de tus productos, no dudes en ponerte en contacto con nosotros.
Resumen
El motor de escobillas es un motor de estructura sencilla que funciona con corriente continua gracias a la rectificación mecánica que proporcionan las escobillas y el conmutador. Se utiliza en un amplio abanico de sectores industriales gracias a su principio de rotación, basado en la regla de la mano izquierda de Fleming, y a sus características de autocontrol por contra-EMF.
Aunque la simplicidad de su estructura y la facilidad de control son grandes ventajas, también hay algunos inconvenientes, como la vida útil limitada debido al desgaste de las escobillas, la necesidad de mantenimiento y el ruido que generan. Evaluar de forma global el uso y las condiciones ambientales para elegir el motor más adecuado es clave para el éxito en el desarrollo de un producto.
Información sobre productos y consultas
Puedes consultar más detalles sobre los micromotores de C.I. Takiron en la siguiente página web.
- 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/
Si tienes alguna duda a la hora de elegir un motor pequeño para el desarrollo de tus productos, no dudes en ponerte en contacto con nosotros a través del formulario de consulta. Nuestro equipo técnico analizará el uso y los requisitos que necesitas y te propondrá la solución más adecuada.
- Consultas: https://cik-ele.com/contact/
