Motor Brushless

PORARITZ BAQUEDANO GARCIA

Pamplona, Navarra.Mayo 2014

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Índice:Página

Lista de tablas:3Lista de figuras:

4Lista de símbolos:5

Apartados:1. INTRODUCCIÓN:

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1.1: Introducción61.2: Ventajas y desventajas de la tecnología brushless

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2. EL MOTOR BRUSHLESS DC (BLDC):9

2.1: Descripción general92.2: El estator9

3. MÉTODOS DE CONMUTACIÓN (BLDC trifásico):

3.1: Conmutación trapezoidal3.2: Conmutación sinusoidal

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LISTA DE TABLAS

Tabla2.1: Comparativa BLDC vs PMSM

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LISTA DE FIGURAS

Figura1.1: Árbol genealógico de los motores eléctricos……..2.1: Motor BLDC2.2: Estator de un motor BLD2.3: Formas de onda bEMF trapezoidal y sinusoidal de

un motor BLDC trifásico2.4: Rotor de 4 y 8 polos

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LISTA DE SÍMBOLOS

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1. INTRODUCCIÓN :

1.1: introducción:La función básica de un motor eléctrico es convertir energía eléctrica en energía mecánica.Considerando la alta disponibilidad de energía eléctrica y los infinitos usos dela energía mecánica, es lógico que los motores eléctricos se utilicen globalmente. Debido a este hecho, merece la pena dedicar un tiempo en buscar aquel motor que nos ofrezca una mejor eficiencia. Uno de los motores que no da estas prestaciones son los motores sin escobillas (ó brushless), denominados también motores conmutados electrónicamente (ó electronically commutated “ECMs”). Los defensores de este tipo de motores eléctricos, aseguran, que la tecnología brushless es más silencioso y eficiente, presenta una mayor potencia a la salida y mayor velocidad de operación, junto con una mayor vida de servicio.

Vamos a realizar una clasificación de los diferentes tipos de motores eléctricos existentes en la actualidad.

La primera diferenciación es la manera de suministrarle la energía, de esta manera existen motores de corriente alterna (ó alternative current “AC”) y los de corriente contínua (ó direct current “DC”). La diferencia al utilizareste tipo de motores es que la recepción de energía en AC se obtiene directamente de la red, mientras que en DC requiere una batería o un convertidor rectificador entre latoma de corriente de la red y su entrada.

Los motores de AC crean un campo magnético en el estator cuando una corriente alterna circula por sus devanados. Dentro de esta categoría de motores, existen dos categoríasde motores claramente diferenciadas:

- Motores síncronos.- Motores asíncronos.

Ambos tipos de motores son idénticos en el estator, sin embargo difieren en el modo de funcionamiento.

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Los motores de DC, como los de AC, producen par debido a la interacción de los campos magnéticos entre el rotor y elestator del mismo motor. Pero en este caso la corriente es directa y necesitamos que la polaridad varíe para mantener el rotor girando. Esto se consigue mecánicamente mediante el uso de delgas.

Dentro del mundo de los motores eléctricos hay dos tipos enconcreto, que por sus peculiaridades, es difícil su clasificación. Estos motores son el motor serie universal yel motor brushless.El motor serie universal es un motor de DC que tiene los devanados del rotor conectados en serie con los del estator. La peculiaridad que presentan estos motores es quefuncionan tanto con corriente continua como con corriente alterna y es por ello que a veces se clasifica como motor de AC asíncrono.El motor brushless, como su propio nombre indica, no presenta escobillas ni anillos rozantes (ó delgas en el caso de DC). Es un motor de imanes permanentes en el rotor.Con estas características podría ser clasificado tanto comomotor de DC como de AC síncrono.En la siguiente figura (Fig 1) vemos el árbol genealógico de los motores eléctricos, donde, con líneas discontinuas se señala la bifurcación de caminos a tomar con el motor serie universal y el motor brushless.

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Figura 1.1: Árbol genealógico de los motores eléctricos.

En este documento vamos a centrarnos en el motor brushless,que por sus características es la opción de tracción mayoritaria en media y baja potencia por sus prestaciones.

El motor brushless sigue los mismos principios de funcionamiento que un motor DC con una pequeña diferenciación. En el caso brushless los imanes permanentesse encuentran en el rotor y los devanados están implementados en el estator. Como las espiras están aisladas eléctricamente unas de otras, esto permite hacer pasar corriente, o no, por cada una de ellas de manera que podemos generar un campo magnético en el estator y así, debido a la interacción magnética entre el imán permanente del rotor y el campo magnético generado en el estator el motor girará.

La ventaja más significativa de esta tecnología es la eliminación de los conectores eléctricos del rotor.

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Para este tipo de motores es necesario saber la posición del rotor en cada momento de manera que generemos un campo magnético en el estator que siempre produzca par.

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1.2: Ventajas y desventajas de la tecnología brushless:

VENTAJAS

Diseño flexible: La alimentación del motor en DC permite el diseño del mismo con un número cualquiera de fases en el estator. La secuencia en que las espiras son excitadas con corriente eléctrica es un grado de libertad añadido, esto simplifica el control si, por ejemplo, excitamos dos arrollamientos en un motor brushless trifásico y dejamos el restante desconectado.

Mayor rango de operación: Al eliminar los conectores rozantes alargamos la vida útil del motor,, reduciendoa su vez el mantenimiento del mismo. También eliminamos los límites de velocidad impuestos por losanillos rozantes. A su vez,el circuito requerido para pasar de AC a DC nos proporciona la tecnología necesaria que se utiliza enlos variadores de velocidadde motores eléctricos.

Mayor eficiencia: Al utilizar imanes permanentesen el rotor, este resulta más pequeño y presenta menor inercia. A su vez, al

no tener circulación de corriente (pérdidas por el efecto Joule), el motor produce menos calor.

DESVENTAJAS

Armónicos: A pesar de que el factor de potencia teórico de un motor BLDC (BrushLess Direct Current) es 1, el factor de potenciareal es menor que 1 debido a los armónicos de corriente que se producen en las cargas no lineales cuando se trabaja con un con un convertidor eléctrico de potencia.

Coste elevado: La tecnología BLDC requiere detransistores de potencia para alimentar los bobinados del estator, a suvez estos transistores necesitan de un control

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electrónico de conmutación para su correcto funcionamiento. Esto hace del motor BLDC un equipo más caro que un motor AC para la misma aplicación.

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2.3. EL MOTOR BRUSHLESS DC (BLDC):

2.1: Descripción general:

El motor BLDC es, en esencia, un tipo de máquina síncrona. Esto significa que el campo magnético generado en el estator y el generado en el rotor giran con la misma frecuencia, por lo consiguiente no existe el deslizamiento característico de las máquinas eléctricas asíncronas.

Un motor BLDC se construye con imanes permanentes en el rotor y devanados en el estator. La las fuerzas que se dan entre los diferentes campos magnéticos son las que producenla conversión de la energía eléctrica en energía mecánica.Los motores BLDC de tres fases son los más utilizados. La figura 2.1 ilustra esta topología donde podemos ver tres circuitos electromagnéticos conectados en estrella. Este tipo de motores funcionan conectando dos fases al mismo tiempo y dejando una sin alimentación.

Figura 2.1: Motor BLDC2.2: El estator:

El estator de un motor BLDC como el de la mayoría de motores eléctricos consiste en láminas de acero situadas una tras otra hasta formar un cilindro hueco con ranuras endirección axial. (Figura 2.2).En dichas ranuras se colocan los arrollamientos de cable conductor que, conectados en estrella, forman un número par de polos.

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Figura 2.2: Estator de un motor BLDC

En función de cómo se implemente el devanado, existen dos tipos de estator. Con uno obtendremos un motor trapezoidal,y con el otro un motor sinusoidal. En función de la forma de onda bEMF que generen, el motor BLDC produce una bEMF trapezoidal y el que produce una bEMF sinusoidal es el motor síncrono de imanes permanentes (ó Permanent Magnet Synchronous Motor “PMSM”).

El motor PMSM produce rizado en el par, cuando este toma valores cercanos a cero. El motor BLDC se caracteriza por presentar una mayor densidad de potencia que el PMSM siempre y cuando supongamos el factor de potencia para ambas máquinas la unidad.

De este modo obtenemos distintos tipos de fuerza electro motriz de señal (ó back Electro Motive Force “bFEM”). Como su propio nombre indica, el motor trapezoidal nos devuelve una bEMF con forma trapezoidal y el motor sinusoidal una bEMF sinusoidal, como podemos observar en la figura 2.3.

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Figura 2.3: Formas de onda bEMF trapezoidal y sinusoidalde un motor BLDC trifásico

El estator de un motor BLDC lleva implementado un devanado que produce una bEMF trapezoidal. El par generado por esta configuración presenta un rizado considerable en cada conmutación de la señal trapezoidal. En el caso de un motortrifásico, para esta conmutación, que se realiza en seis pasos, solamente se conduce corriente por dos de los tres devanados en el mismo paso de conmutación.

El estator de un motor PMSM lleva implementado un devanado distribuido que produce una bEMF sinusoidal. El par generado en este caso es un par mas constante y con menos rizado que en el caso del BLDC, sin embargo el par máximo de la PMSM es menor que el de la BLDC. En el caso del motorPMSM se excitan as tres fases del estator al mismo tiempo.

Las diferencias entre el BLDC y el PMSM se resumen en la tabla 2.1.

BLDC PMSMDistribucion devanados Trapezoidal Sinusoidal

Fases excitadas Dos fases Tres fasesForma bEMF Trapezoidal Sinusoidal

Par BLDC >PMSM

Tabla 2.1: Comparativa BLDC vs PMSMAl mismo tiempo que la bEMF, la corriente de fase siempre es trapezoidal o sinusoidal, en función del motor con el que estemos trabajando. Esto implica que el par proporcionado por la máquina sinusoidal sea más constante

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que el proporcionado por un motor trapezoidal. Sin embargo la máquina con bEMF sinusoidal es más cara.

El voltaje nominal del estator se encuentra estrechamente relacionado con la potencia del convertidor que le suministra la potencia.

3.3 Rotor

El rotor esta hecho de imanes permanentes, con un número par de polos alternando polo Norte (N) y sur (S).

Para implementar el núcleo del rotor se eligen materiales que no se opongan al flujo magnético que los atraviesa. Tradicionalmente han sido los materiales ferro magnéticos los utilizados para hacer los imanes permanentes. Pero con el avance de la tecnología, las aleaciones con tierras raras se han llevado el mercado de este producto. Ciertamente los imanes ferro magnéticos son más baratos quelos de tierras raras, pero también presentan una menor densidad de flujo para un mismo volumen. Esto es así porquelos imanes de tierras raras presentan una alta densidad magnética por unidad de volumen, consecuentemente se produce el mismo par que con imanes ferro magnéticos con un menor volumen de máquina.

Figura 2.4: Rotor de 4 y 8 polos

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En resumen, los imanes permanentes de tierras raras mejoranel ratio de tamaño en relación al peso y dan un mayor par para el mismo motor implementado en imanes ferro magnético.

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