Permanentemente, estás cerca de al menos uno o dos tipos de motores. Pasando por el motor de vibración de tu teléfono móvil hasta los ventiladores y la unidad lectora de CD de tu sistema de juegos favorito. Los motores están a nuestro alrededor. Los motores permiten que nuestros dispositivos interactúen con nosotros y con el entorno.

En este tutorial aprenderás

Algunos de estos tipos de motores básicos y sus usos:

• Motores de cepillo de CC (DC Brush)
• Motores sin escobillas (Brushless)
• Motores paso a paso (Stepper)
• Motores lineales

¿Qué hace que un motor se mueva?

La respuesta más vaga y sencilla es el magnetismo. Bien, ¡ahora tomemos esta simple fuerza y convirtámosla en un súper coche!

Para simplificar las cosas, tendremos que ver algunos conceptos a través del lente del experimento mental. Nos tomaremos algunas libertades, pero si quieres entrar en detalles, puedes consultar al Dr. Griffiths. Para nuestro experimento mental, vamos a afirmar que un campo magnético es producido por un electrón en movimiento, es decir, por una corriente. Si bien esto crea un modelo clásico para nosotros, las cosas se rompen cuando llegamos al nivel atómico. Para entender mejor el nivel atómico del magnetismo, recomendaos leer este libro…

Electromagnetismo

Para crear un imán o un campo magnético, vamos a tener que ver cómo se generan. La relación entre la corriente y el campo magnético se comporta según la regla de la mano derecha. Cuando la corriente pasa por un cable, se forma un campo magnético alrededor del cable en la dirección de los dedos al rodearlo. Esto es una simplificación de la ley de fuerza de Ampère tal y como actúa sobre un cable que transporta corriente. Ahora bien, si colocamos ese mismo cable en un campo magnético preexistente, podemos generar una fuerza. Esta fuerza se denomina fuerza de Lorentz.

Si se aumenta la corriente, se refuerza la fuerza del campo magnético. Sin embargo, para hacer algo útil con el campo, se necesitarían cantidades increíbles de corriente. Además, el cable que suministra la corriente llevaría la misma fuerza magnética, creando así campos incontrolados. Al doblar el cable en un bucle, se puede crear un campo dirigido y concentrado.

Electroimanes

Haciendo un bucle de alambre y pasando una corriente, se crea un electroimán. Si un bucle de alambre puede concentrar el campo, ¿qué se puede hacer con más? ¿Qué tal unos cuantos cientos más? Cuantas más espiras se añadan al circuito, más fuerte será el campo para una corriente determinada. Si es así, ¿por qué no vemos miles, si no millones, de espiras en motores y electroimanes? Bueno, cuanto más largo es el cable, mayor es su resistencia. La ley de Ohm (V = I*R) dice que para mantener la misma corriente a medida que aumenta la resistencia, el voltaje debe aumentar. En algunos casos tiene sentido utilizar voltajes más altos; en otros casos se utiliza un cable más grande con menos resistencia. Utilizar un cable más grande es más costoso y, en general, más difícil de trabajar. Son factores que hay que sopesar a la hora de diseñar un motor.

Hora del experimento

Para crear tu propio electroimán, sólo tienes que encontrar un tornillo (u otro objeto redondo de acero), un poco de alambre para imanes (de calibre 30-22 funciona bien) y una batería.

Enrolla entre 75 y 100 vueltas de alambre alrededor del acero. El uso de un centro de acero concentra aún más el campo magnético, aumentando su fuerza efectiva. En la siguiente sección veremos por qué ocurre esto

Ahora, con papel de lija, retira el aislamiento de los extremos de los cables, y conecta cada cable a cada terminal de la batería. ¡Felicidades! Has construido el primer componente de un motor. Para comprobar la fuerza de tu electroimán, intenta atrapar clips u otros objetos pequeños de acero.

Ferromagnetismo

Volviendo al principio de nuestro experimento mental, los campos magnéticos sólo pueden ser producidos por una corriente. Tomando la definición de corriente como un flujo de electrones, los electrones que orbitan un átomo deberían crear una corriente y, por tanto, un campo magnético. Si todo átomo tiene electrones, ¿es todo magnético? SÍ. Toda la materia, incluidas las ranas, puede expresar propiedades magnéticas cuando se le da suficiente energía. Pero no todo el magnetismo se crea por igual. La razón por la que puedes tomar tornillos con un imán de refrigerador y no con una rana es la diferencia entre ferromagnetismo y paramagnetismo. La forma de diferenciar ambos (y algunos tipos más) es mediante el estudio de la mecánica cuántica.

Nos centraremos en el ferromagnetismo, ya que es el fenómeno más fuerte y con el que tenemos más experiencia. Además, para aliviarnos de tener que entenderlo a nivel cuántico, vamos a aceptar que los átomos de los materiales ferromagnéticos tienden a alinear sus campos magnéticos con sus vecinos. Aunque tienden a alinearse, las inconsistencias del material y otros factores como la estructura cristalina crean dominios magnéticos.

Cuando los dominios magnéticos se alinean en un orden aleatorio, los campos vecinos se anulan mutuamente dando lugar a un material no magnetizado. Una vez en presencia de un campo externo fuerte, es posible volver a alinear estos dominios. Al alinear estos dominios, el campo global se refuerza, ¡creando un imán!

Este nuevo alineamiento puede ser permanente dependiendo de la fuerza del campo. Esto es genial porque los necesitaremos en la siguiente sección.

Imanes permanentes

Los imanes permanentes se comportan de la misma manera que los electroimanes. La única diferencia es que son permanentes.

En todos los dibujos, las flechas apuntarán hacia el polo norte y hacia el polo sur. Otra convención es utilizar el color rojo para representar el norte y el azul para representar el sur. Para identificar la polaridad de un imán, se puede utilizar una brújula. Como los opuestos se atraen, la aguja apuntará al norte, al polo sur del imán.

Puedes realizar el mismo experimento con un electroimán para determinar la polaridad

Si se invierte el flujo de corriente, se puede ver cómo un electroimán puede invertir sus polos

Este es un principio clave para la construcción de motores. Ahora, veamos algunos motores diferentes y cómo utilizan imanes y electroimanes.

Motores de escobillas de CC – El clásico

El motor de escobillas de CC es uno de los motores más sencillos que se utilizan hoy en día. Puede encontrar estos motores prácticamente en cualquier lugar. Se encuentran en electrodomésticos, juguetes y automóviles. Al ser sencillos de construir y controlar, estos motores son la solución a la que recurren tanto los profesionales como los aficionados.

Anatomía de un motor de escobillas

Para entender mejor cómo funciona uno, empecemos por desmontar un simple motor para aficionados. Como puedes ver, su construcción es sencilla y consta de unos pocos componentes clave.

• Escobillas (Brushes) – Lleva la energía de los contactos al inducido a través del conmutador
• Contactos (Contacts)- Lleva la energía del controlador a las escobillas
• Conmutador – Suministra energía al conjunto apropiado de bobinas a medida que el inducido gira
• Devanados (windings) – Convierten la electricidad en un campo magnético que acciona el eje
• Eje (Axle)- Transfiere la potencia mecánica del motor a la aplicación del usuario
• Imanes (Magnet)- Proporcionan un campo magnético para que los devanados se atraigan y repelan
• Casquillo (Brushing) – Minimiza la fricción del eje
• Lata (Can) – Proporciona una carcasa mecánica para el motor

Teoría del funcionamiento

Cuando los devanados reciben energía, se atraen hacia los imanes situados alrededor del motor. Esto hace girar el motor hasta que las escobillas hacen contacto con un nuevo conjunto de contactos del conmutador. Este nuevo contacto energiza un nuevo conjunto de devanados y comienza el proceso de nuevo. Para invertir el sentido del motor, basta con invertir la polaridad de los contactos del motor. Las chispas dentro de un motor de escobillas se producen cuando la escobilla salta al siguiente contacto. Cada hilo de una bobina está conectado a los dos contactos del conmutador más cercanos.

Siempre se utiliza un número impar de devanados para evitar que el motor se bloquee en un estado estacionario. Los motores más grandes también utilizan más conjuntos de bobinas para ayudar a eliminar el “cogging”, proporcionando así un control suave a bajas revoluciones por minuto (RPM). El “cogging” se puede demostrar girando el eje del motor con la mano. Sentirá “baches” en el movimiento donde los imanes están más cerca del estator expuesto. El cogging puede eliminarse con algunos trucos de diseño, pero el más frecuente es eliminar el estator por completo. Estos tipos de motores se denominan motores sin hierro o sin núcleo.

Pros

• Fácil de controlar
• Excelente par a bajas RPM
• Económicos y fabricados en serie

Contras

• Las escobillas pueden desgastarse con el tiempo
• El arco de las escobillas puede generar ruido electromagnético
• Suelen tener una velocidad limitada debido al calentamiento de las escobillas

Motores sin escobillas (Brushless): ¡más potencia!

Los motores sin escobillas se están imponiendo. Vale, quizá haya sido una exageración. Sin embargo, los motores sin escobillas han empezado a dominar los mercados de aficionados entre los aviones y los vehículos terrestres. El control de estos motores ha sido un obstáculo hasta que los microcontroladores se han vuelto lo suficientemente baratos y potentes como para llevar a cabo esta tarea. Todavía se está trabajando en el desarrollo de controladores más rápidos y eficientes para liberar su increíble potencial. Sin escobillas que puedan fallar, estos motores ofrecen más potencia y pueden hacerlo de forma silenciosa. La mayoría de los electrodomésticos y vehículos de gama alta se están pasando a los sistemas sin escobillas. Un ejemplo notable es el Tesla Model S.

Anatomía de un motor sin escobillas (Brushless)

Para entender mejor su funcionamiento, vamos a empezar por desmontar un simple motor sin escobillas. Estos se encuentran comúnmente en los aviones y helicópteros de control remoto

• Devanados (Windings)- Convierten la electricidad en un campo magnético que acciona el rotor
• Contactos – Llevan la energía del controlador a los devanados
• Rodamientos (Bearings) – Minimizan la fricción del eje
• Imanes (Magnets)- Proporcionan un campo magnético para que los devanados se atraigan y repelan
• Eje (Axle) – Transfiere la potencia mecánica del motor a la aplicación del usuario

Teoría del funcionamiento

La mecánica de un motor sin escobillas es increíblemente sencilla. La única parte móvil es el rotor, que contiene los imanes. Donde las cosas se complican es en la orquestación de la secuencia de devanados energizados. La polaridad de cada devanado se controla mediante la dirección del flujo de corriente. La animación muestra un patrón sencillo que seguirían los controladores. La corriente alterna cambia la polaridad, dando a cada devanado un efecto “push/pull”. El truco consiste en mantener este patrón sincronizado con la velocidad del rotor. Hay dos formas (ampliamente utilizadas) de conseguirlo. La mayoría de los controladores para aficionados miden la tensión producida (EMI de retorno) en el devanado no energizado. Este método es muy fiable en operaciones de alta velocidad. A medida que el motor gira más lentamente, la tensión producida se vuelve más difícil de medir y se inducen más errores. Los nuevos controladores para aficionados y muchos controladores industriales utilizan sensores de efecto Hall para medir la posición de los imanes directamente. Este es el principal método para controlar los ventiladores de los computadores.

Pros

• Fiable
• Alta velocidad
• Eficiente
• Producido en masa y fácil de encontrar

Contras

• Difícil de controlar sin un controlador especializado
• Requiere bajas cargas de arranque
• Suelen requerir cajas de cambios especializadas en aplicaciones de accionamiento

Motores de paso (Stepper) – Simplemente preciso

Los motores paso a paso son grandes motores para el control de posición. Se pueden encontrar en impresoras de escritorio, plotters, impresoras 3D, fresadoras CNC y cualquier otra cosa que requiera un control de posición preciso. Los motores paso a paso son un segmento especial de los motores sin escobillas. Están construidos a propósito para obtener un alto par de retención. Este alto par de retención ofrece al usuario la posibilidad de pasar a la siguiente posición de forma incremental. El resultado es un sistema de posicionamiento sencillo que no requiere un codificador. Esto hace que los controladores de motores paso a paso sean muy sencillos de construir y utilizar.

La anatomía de un motor paso a paso

Para entender mejor cómo funciona uno, empecemos por desmontar un simple motor paso a paso. Como puedes ver, estos motores están construidos para cargas de accionamiento directo que contienen unos pocos componentes clave.

• Eje (Axle) – Transfiere la potencia mecánica del motor a la aplicación del usuario
• Rodamientos (Bearings)- Minimizan la fricción del eje
• Imanes (Magnets= – Proporcionan un campo magnético para que los devanados se atraigan y repelan
• Polos (Poles)- Aumenta la resolución de la distancia de paso al enfocar el campo magnético
• Devanados (Windings)- Convierten la electricidad en un campo magnético que acciona el eje
• Contactos – Llevan la energía del controlador a los devanados

Teoría del funcionamiento

Los motores paso a paso se comportan exactamente igual que un motor sin escobillas, sólo que el tamaño del paso es mucho menor. La única parte móvil es el rotor, que contiene los imanes. Donde las cosas se complican es en la orquestación de la secuencia de energización de los devanados. La polaridad de cada devanado se controla mediante la dirección del flujo de corriente. La imagen muestra un patrón sencillo que seguirían los controladores. La corriente alterna cambia la polaridad, dando a cada devanado un efecto “push/pull”. Una diferencia notable es que la estructura de los imanes de un stepper es diferente. Es difícil conseguir que una matriz de imanes se comporte bien a pequeña escala. También es muy caro. Para evitar esto, la mayoría de los motores paso a paso utilizan un método de placas apiladas para dirigir los polos magnéticos en “dientes”.

En un motor sin escobillas, la FEM trasera se utiliza para medir la velocidad. Un motor paso a paso confía en el corto alcance de cada bobinado para “garantizar” que alcanza el punto deseado en el tiempo. En los desplazamientos de alta velocidad, esto puede llevar a un estancamiento en el que el rotor no puede seguir la secuencia. Hay formas de evitarlo, pero dependen de una mayor comprensión de la relación entre los devanados del motor y la inductancia.

Pros

• Excelente precisión de posición
• Alto par de retención
• Alta fiabilidad
• La mayoría de los motores paso a paso vienen en tamaños estándar

Contras

• La pequeña distancia entre pasos limita la velocidad máxima
• Es posible que se “salten” los pasos con cargas elevadas
• Consume la máxima corriente constantemente

Motores lineales – ¡¡¡El futuro!!!

¡El futuro es lineal! En las máquinas pick and place de alta velocidad, la velocidad lo es todo. Con la velocidad viene la fricción, con la fricción viene el mantenimiento, con el mantenimiento viene el tiempo de inactividad, con el tiempo de inactividad viene la pérdida de productividad. Al eliminar los componentes necesarios para transferir el movimiento rotativo al lineal, el sistema se vuelve mucho más ligero y eficiente. Los motores lineales son fáciles de mantener y, con una sola pieza móvil, son increíblemente fiables. ¿He mencionado que son increíblemente rápidos? Esta es la máquina pick and place se utiliza para montar componentes SMD y es increíblemente rápida. Esta máquina también tiene tanta fuerza, que hay una advertencia para los marcapasos en ella. Hay una gran lista de imanes de tierras raras de alta potencia.

La anatomía de un motor lineal

Para entender mejor el funcionamiento de uno de ellos, veamos el interior de una máquina pick and place.

• Módulo de movimiento (Motion module) – Contiene los electroimanes y el controlador.
• Imanes (Magnets)- Proporcionan un campo magnético para que las bobinas se atraigan y repelan
• Rodamiento lineal (Lineal Bearing)- Mantiene el motor alineado con los imanes y es la única parte móvil.

Teoría del funcionamiento

La mecánica de un motor lineal es casi idéntica a la de un motor sin escobillas. La única diferencia es que si tomas un motor sin escobillas y lo despliegas en línea recta tendrías un motor lineal. El módulo de movimiento es la única parte móvil. Donde las cosas se complican es en la orquestación de la secuencia de energización de las bobinas. La polaridad de cada bobina está controlada por la dirección del flujo de corriente. La imagen muestra un patrón simple que los controladores seguirían. La corriente alterna cambia la polaridad dando a cada bobina un efecto “push/pull”. En un motor lineal, suele haber un codificador o algún sistema de posicionamiento avanzado para seguir la ubicación del módulo de movimiento. Para alcanzar una alta precisión de posición, los controladores son mucho más complicados que los que se encuentran en un sistema convencional. El micropaso es un método para “acelerar” los imanes y proporcionar un movimiento suave y preciso. Sin embargo, para conseguirlo, los motores lineales requieren un controlador altamente especializado y ajustado a cada motor. A medida que la tecnología de los controladores mejora, es probable que el precio de estos motores disminuya. Quizá algún día nuestras impresoras 3D imprimirán en segundos y no en horas.

Pros

• Fiable
• Alta velocidad
• Eficiente
• No requiere conversión rotativa a lineal

Contras:

• Caro
• Requiere controladores personalizados
• Construidos a medida para cada sistema
• ¿Hemos mencionado lo de caro?

¿Dónde continuar?

Si quieres saber más sobre motores te recomendamos revisar los siguientes tutoriales:

• Motores Stepper
• Como usar un Servo motor con Arduino

Caseythrobot. Motors And Selecting The Right One. Sparkfun. https://learn.sparkfun.com/tutorials/motors-and-selecting-the-right-one