Motores Brushless

MOTORES BRUSHLESS
Que es un motor brushless?
La palabra brushless se puede traducir como "sin escobillas", las escobillas son los
elementos que hacen contacto en el colector de un motor comun. En los motores de DC
mas pequeños, son de una aleacion de cobre y en motores mas grandes son de un
compuesto a base de carbon.
Estos motores carecen de colector y escobillas o carbones. Entonces como funcionan?
Es simple, en vez de funcionar en DC funcionan en AC, la mayoria se alimentan con
una señal trifasica, esta señal idealmente deberia ser sinusoidal, pero en la practica son
pulsos, haciendo que la señal sea un continua pulsante o bien una continua con mucho
componente de AC sin embargo se los clasifica como de DC porque al igual que los
motores comunes tienen imanes permanentes.
Tipico motor brushless comercial de marca Hacker
Estos imanes son atraidos por la polaridad de un campo magnetico generado en las
bobinas, las cuales como deciamos reciben pulsos en un patron especifico. Si queremos
que el motor gire mas rapido, simplemente hacemos girar el campo magnetico
secuencial a mayor velocidad. O lo que seria lo mismo a aumentar la frecuencia de los
pulsos.
Materiales para armar un motor brushless
Si tenemos un motor electrico comun y le aumentamos la tension en los terminales del
mismo, veremos que aumenta la velocidad pero tambien aumenta la corriente de
consumo. En un motor brushless la corriente y la velocidad son en cierto punto
independientes. Es el circuito regulador de velocidad el que se encarga de suministrar
solo la corriente necesaria para una determinada RPM. Si alimentamos con mucha
corriente, significa que estamos desperdiciando la capacidad de la bateria en esa
corriente que no es aprovechada, si en cambio, alimentamos con poca corriente, el pulso
de EMF sera mayor al pulso de alimentacion y por lo tanto el motor eventualmente se
detendra.
Motor casero modificado desde un CD-ROM
Imanes de 6x6x1.4mm
Circuitos Reguladores de Velocidad (ESC)
Los reguladores de velocidad son los encargados de hacer andar el motor, en el caso de
radiocontrol, lo que hacen es medir el tiempo de 1ms a 2ms como un servo estandard y
transformarlo en un maximo y minimo de RPMs para el motor.
Tienen basicamente dos formas de operar, puede ser seteado a una cierta cantidad de
vueltas, supongamos 7000 RPMs, para la cual deberia entregar cierta corriente
programada. Si la carga aumenta, como podria ser el caso de un rotor de helicoptero,
entonces el regulador, deberia entregar mas corriente para que se mantengan esas 7000
RPMs. El regulador controla la forma del pulso contraelectromotriz (EMF) y asi ajusta
la corriente de salida.
La otra forma, la cual es la mas comun y que usa la mayoria es que el motor inyecta un
cierto valor de corriente y luego mide cual es la velocidad del motor al medir el EMF.
De esta forma se auto ajusta.
Aqui hay circuitos electronicos reguladores de velocidad
Ventajas y Desventajas
Los motores brushless tienen muchas ventajas por sobre los motores brushed (con
escobillas) entre ellas las mas nombradas son:
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Mayor eficiencia (menos perdida por calor)
Mayor rendimiento (mayor duracion de las baterias para la misma potencia)
Menor peso para la misma potencia
Conmutacion electronica basada en sensores de posicion de efecto Hall
Requieren menos mantenimiento al no tener escobillas
Relacion velocidad/par motor es casi una constante
Mayor potencia para el mismo tamaño
Mejor disipacion de calor
Rango de velocidad elevado al no tener limitacion mecanica.
Menor ruido electronico (menos interferencias en otros circuitos)
Los motores brushless practicamente no hacen ruido!! :)
Desventajas de un motor brushless
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Mayor costo de construccion
El control es mediante un circuito caro y complejo
Siempre hace falta un control electronico para que funcione, que a veces duplica
el costo
Motores comunes de DC
Son los motores mas usados en juguetes que usan pilas y como deciamos mas arriba se
caracterizan por tener un colector y escobillas o carbones para hacer contacto con las
delgas de cobre. Se utilizan en aeromodelismo hoy por hoy tambien, aunque estan
siendo remplazados por los motores brushless.
Detalle de un corte de un motor brushed comun
Tambien requieren de un control electronico para regular la potencia desde 0 a 100%
cuando la señal del canal PPM varia de 1ms a 2ms.
Motor brushed comercial, modelo Speed 400
En esta seccion hay un motor de estos modificado para ser brushless.
En las siguientes fotos se puede observar un motor desarmado y los componentes que lo
integran.
Tapa con las escobillas, rotor y carcasa
Interior de la carcasa
Ventajas de un motor comun o brushed
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Control mediante solo dos cables
Se le remplazan las escobillas y se le extiende la vida util
Bajo costo de construccion
Control mediante un circuito simple y economico
No se necesita un control para una velocidad constante
Puede funcionar en un ambiente de condiciones extremas ya que no tiene
electronica asociada
Desventajas de un motor brushed
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Requiere un mantenimiento periodico
La relacion velocidad/par motor es relativamente plana pero a altas velocidades
la friccion de las escobillas aumenta y reduce el par motor util.
Poco poder de disipacion de calor
Rotor con mucha inercia, lo cual limita los cambios de velocidad
Menor rango de velocidad, limitado por las escobillas
Las chispas que se generan en las escobillas generan mucho ruido electronico y
pueden causar interferencia electromagnetica a otros circuitos electronicos.
Equipo usado normalmente en vuelo electrico con motor brushed
Algo a tener en cuenta es que los motores brushless que se pueden comprar en el
mercado siempre vienen con imanes de neodimio, los cuales son unos images con
mucho flujo magnetico. En la construccion de los motores tenemos que usar en lo
posible estos imanes para sacarle la mayor potencia posible a los mismos.
En esta seccion veremos temas sobre la construccion practica de algunos motores, y un
minimo de teoria sobre el funcionamiento como para entender como debe hacerse el
bobinado.
En este PDF, hay mas informacion sobre motores brushless con muchos mas datos
tecnicos.
Sensores de efecto Hall
Los primeros motores brushless normalmente venian con un sensor de efecto Hall
incorporado para enviar esa informacion al regulador de velocidad. Los motores que
uno fabrica en casa no tienen esta caracteristica, ni tampoco la mayoria de los motores
que se consiguen comercialmente hoy en dia.
Aqui hay una animacion de un motor brushless con estos sensores
Los sistemas con sensores de efecto Hall son exelentes, pero tambien son mucho mas
caros y complicados, porque ademas de tener los cables hasta el controlador, tienen los
sensores propiamente dichos.
Motor sin sensores controlado por
microcontrolador
Hoy la tecnologia nos permite usar microcontroladores en los reguladores de velocidad
que hacen la construccion de los motores practicamente muy sencilla. El
microcontrolador detecta la posicion del rotor midiendo el pulso de tension
contraelectromotriz (EMF) con esta funcionalidad no solo el micro sabe la posicion,
sino que predice el proximo pulso y ademas calcula la tension necesaria segun el pico
de EMF que recibe del motor
Construcción de un
Motor Brushless en Madera
CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DEL MOTOR
Este motor está pensado para un indoor o park flyer de unos 240 grs, y yo lo
alimento solo con 6 elementos de 600 mAh NimH para economizar peso.
Los vuelos son de unos 15 minutos en estas condiciones.
Peso sin hélice: 24 gr
RPM en vacío: 12000
Con una hélice GWS 9x5 consume 3,4 A y entrega 4600 rpm, moviendo los
240 grs con soltura, despegando del suelo. La carga alar es de 15 grs/dm2.
Este motor funciona con un variador de velocidad BRUSHLESS , que
permite cambiar la velocidad desde nuestro equipo de radio control, se puede
conseguir en cualquier comercio de Aeromodelismo.
MATERIALES :
Contrachapado de 1,2 mm y de 2,5 mm.
 Deprom de 3 mm y de 6 mm (o dos de 3 mm encolados).
 Listón de pino de 5x10 mm.
 Un eje de 3 mm de diámetro por 50 mm de longitud, podés sacarlo de un lectora de
Cd-Rom Que ya no funcione (o podes usar alambre acerado de aeromodelismo).
 Una reductora de un 150 ya gastado, para sacarle los dos rodamientos de
3x6x3 mm, para el eje de 3 mm.
 Epoxy 5 min.
 Fibra de vidrio de unos 150 gr/m2.
 Alambre de cobre esmaltado de 0,5 mm de diámetro, 6 metros.
 Un estator del motor que llevan los discos duros, no valen todos, solo los que
llevan 12 polos (12 bobinados) podés sacarlo de uno dañado que encontraras en las
comercios donde reparan PC´s.
 Imanes, necesitaremos 14 piezas de Neodimio en bloque. Tamaño 5x5x1,5 mm o
bien como en nuestro caso 7 imanes de 10x4x2 mm que partiremos por la mitad para
tener 14 piezas.
 Cinta autoadhesiva transparente (tipo Scotch de 3M) .
 Cinta autoadhesiva de papel (la que se usa para enmascarar).
HERRAMIENTAS
Taladro eléctrico con un diámetro mínimo de 10 mm para broca.
 Un torno de mano (tornito) o amoladora tipo Dremel o similar con punta de fresar de
3 mm, rodillo de lija, disco abrasivo para corte y una fresa de diamante de 3 mm
cilíndrica.
 Tijeras.
 Broca de 3,5 mm de diámetro.
 Sierra de arco.
 Cutter
COPNSTRUCCION
Paso Nº 1:
Extracción del estator del disco duro
Procederemos a abrir el disco duro, del cual
se pueden extraer unas cuantas cosas
interesantes como imanes, rodamientos y el
estator que es la pieza que nos interesa
Paso Nº 2:
Desmontamos todos los componentes hasta
descubrir el rotor del motor, debajo del
cual se haya el estator. Para desmontar el
rotor, daremos un golpe al soporte del eje
por la cara contraria a la de la foto .
Paso Nº 3:
Al sacar el rotor nos queda el preciado
tesoro del estator, con doce bobinas como
en este caso, que es el que necesitamos
Paso Nº 4:
Para desmontar el estator, realizaremos dos
dos perforaciones con un taladro por la cara
contraria, en la que se ve el circuito impreso.
Son los dos orificios que ves a los lados del
soporte del eje, que ya hemos extraído antes.
Por estas perforaciones, ya se dejan ver las
bobinas del estator.
Se debe poner mucho cuidado para que al
taladrar no las arrunes. Si miras bien en esta
foto, será fácil identificar los discos duros que
nos interesan, pues tienen visible esta parte.
Paso Nº 5:
En la foto podés ver los dos augeros
taladrados y el estator ya fuera, ahora
habrá que quitarle todo el cobre que lleva
y dejarlo limpio.
Paso Nº 6:
Todos estos materiales se han sacado de
dos discos, unos potentes imanes, 6
rodamientos y dos estator, uno de los
cuales no sirve por tener nueve polos.
Paso Nº 7:
Vamos a preparar el soporte del eje, para
ello cortamos dos trozos de 40 mm del
listón de pino
Paso Nº 8:
Con el tornito y la fresa de 3 mm abrimos
unos surcos en el centro de cada palito,
por un solo lado. Debe tener una
profundidad de 1 mm por el ancho de la
fresa a esa altura.
Marcaremos con un lápiz una raya antes
de
proceder para guía.
Paso Nº 9:
Con epoxy y unas pinzas, encolamos las
dos mitades y dejamos que endurezca 10
minutos.
En el centro podemos ver el fresado que
hemos hecho, futuro alojamiento del eje
del motor.
Paso Nº 10:
Con el taladro, abrimos el canal ya
realizado
con una broca de 3,5 mm, dando solo una
pasada de ida, pues nos interesa que haya
una interferencia entre la pieza taladrada
y la broca para lo que viene detrás.
Paso Nº 11:
Haciendo girar el taladro, colocamos al
lateral el tornito con la herramienta de lija
y el eje perpendicular al del taladro;
hacemos girar ambas herramientas
torneando la pieza de madera hasta
rebajarla al diámetro de 10 mm.
Sin sacar la pieza de la broca, cortaremos
un trozo de unos 8 mm de altura,
ayudándonos de una sierra mientras
hacemos girar el cilindro de madera. Es
decir, debemos tener un trozo de unos 32
mm y otro de 8 mm de longitud,
taladrados a 3,5 mm.
Paso Nº 12:
Aquí vemos la pieza terminada.
Paso Nº 13:
En contrachapado de 2,5 mm marcamos
un
disco con el interior de 10 mm y el exterior
con un diámetro ligeramente superior al
diámetro interior del estator.
Lo recortamos con la sierra.
Paso Nº 14:
Ajustamos el anillo anterior al soporte del
eje, dejando 3 mm de soporte por un
lateral y encolamos ambas piezas.
Paso Nº 15:
Hacemos girar el taladro y con el tornito
de mano vamos ajustando el diámetro
exterior del disco hasta que entre ajustado
el estator y encolamos este al conjunto.
Paso Nº 16:
Seguramente, si te gusta el indoor,
tendréis
algún motor tipo 150 con reductora de los
que ya el motor no da mas,
aprovecharemos los dos rodamientos para
nuestro motor.
Ahora veremos como hacer los
alojamientos.
Paso Nº 17:
Con el tornito y una fresa de diamante de
3
mm cilíndrica comenzamos a agrandar el
diámetro de uno de los laterales hasta que
nos entre el rodamiento. Para un buen
ajuste hay que ir poco a poco y
comprobando, también la profundidad
debe ser suficiente para que nos entre
todo.
Paso Nº 18:
Aquí vemos el primer rodamiento
montado
en su alojamiento. Hasta este momento no
hemos tenido que sacar el soporte del eje
de la broca, pero ahora debemos hacerlo,
girando a mano la pieza y metiéndola por
el
lado contrario, para hacer el alojamiento
del
otro rodamiento.
Paso Nº 19:
Hacemos girar el conjunto para ver que
todo va correcto.
Paso Nº 20:
Ya tenemos nuestro estator, encolamos los
rodamientos con epoxy, primero daremos
cola en el alojamiento de madera y luego,
ayudándonos del eje, daremos epoxy por
el
exterior del rodamiento y lo empujamos al
interior de soporte. Sin quitar el eje,
dejamos que endurezca.
Tambien hemos limpiado la terminación
del soporte del eje y nos quedan unos 3
mm por el lado derecho de la foto.
Paso Nº 21:
En deprom de 6 mm, marcamos y
cortamos
un disco, que nos servirá de soporte y
luego desecharemos.
Paso Nº 22:
Lo insertamos a presión sobre el soporte
del eje y con el tornito lo igualamos en
diámetro al estator.
Paso Nº 23:
Con cinta autoadhesiva transparente,
vamos enrollando espiras hasta
crecer el diámetro en 1 mm, será el juego
que habrá entre los imanes y el estator.
Paso Nº 24:
Colocamos dos imanes, uno a cada lado, y
medimos el diámetro total del conjunto,
incluido el espesor de estos. Con esta
medida, pero en más, cortamos un disco
en
contrachapado de 1,2 mm, al que
abriremos un orificio central con el
taladro, de 3 mm.
Paso Nº 25:
En la foto vemos el conjunto con el anillo
de 1,2 mm y el trocito de soporte de 8 mm
que habíamos separado en el Paso Nº 11
de la construcción.
Paso Nº 26:
El eje del motor 150 no sirve por la
longitud,
hemos usado uno de un cd-rom al que
haremos una muesca en el lado indicado
para realizar un buen encolado del
conjunto.
Paso Nº 27:
Damos epoxy y encolamos la pieza de 8
mm, el disco de 1,2 y el eje por el lado de
la muesca,
dejando el eje a ras de la pieza de 8 mm.
Dejamos de endurezca. El eje, el disco y la
piececita de madera harán un bloque.
Paso Nº 28:
Recortamos un disco en deprom de 3 mm
y lo encolamos con epoxy por la parte
interior al contrachapado, pero solo
daremos el
pegamento en el ultimo milímetro del
perímetro de el disco, ya que luego
debemos eliminar el resto del material y es
mejor que no este pegado a la madera. El
interior del deprom debe tener un
diámetro de 10 mm.
Paso Nº 29:
Dejando la cinta autoadhesiva
transparente sobre el estator, recortamos
el
disco de deprom de 6 mm con un cutter y
lo retiramos, quedando el conjunto según
lo
vemos.
El conjunto eje debe poder arrimarse al
estator hasta que el deprom haga contacto
con este último.
Paso Nº 30:
Con cinta autoadhesiva de papel, damos
una vuelta sobre el estator y recortamos la
medida equivalente a su perímetro. La
medimos con la regla y la dividimos en 14
partes iguales, haciendo una marca con
rotulador en cada una de ellas.
Debe haber 13 marcas equidistantes.
Paso Nº 31:
volvemos a pegar la cinta autoadhesiva de
papel sobre la cinta transparente del
estator y trasladamos las marcas de la
cinta de papel a la cinta transparente.
Estas marcas nos van a indicar la posición
de cada imán.
Paso Nº 32:
Aquí vemos el resultado.
Paso Nº 33:
Ahora, colocamos una vuelta más de cinta
transparente, pero con la parte adhesiva
hacia el exterior, nos ayudamos de un
pedazo de cinta para pegar el comienzo al
estator y el resto ya lo hace este
mismo. Esto nos servirá para mantener los
imanes pegados y facilitar su
manipulación
Paso Nº 34:
Colocamos los 14 imanes apilados, ellos se
ordenarán solos en polaridad y
marcaremos la flecha que indica su
posición como en el
ejemplo.
Paso Nº 35:
Colocamos los imanes, centrados en los
espacios que habíamos marcado, y
orientados de tal forma que (si lo apreciás)
uno va con la flecha hacia arriba y el
siguiente hacia abajo y así sucesivamente.
Se puede apreciar en los dos de la derecha.
Si esto no se hace bien, nuestro motor no
funcionará.
Deben quedar bien centrados y alternando
el sentido de la flecha.
Paso Nº 36:
No debe preocupar la posición relativa del
estator con respecto a los imanes.
Con todos los imanes en posición,
insertamos el eje.
Paso Nº 37:
Lo aproximamos bien hasta el estator para
que no quede un hueco por donde se cuele
el epoxy y pegamos este entre los imanes y
entre estos y el deprom.
Dejaremos todo hasta que se endurezca.
Paso Nº 38:
Con unas tiras, damos tres vueltas de fibra
de vidrio, primero untamos epoxy sobre
los
imanes, deprom y madera, luego vamos
colocando una tira de fibra de una medida
superior en ancho al conjunto, y según
pida, damos epoxy; para que empape bien,
según lo voy dando, tengo un secador de
pelo que apunta al conjunto y hace mas
fluido el pegamento. Luego de tenerlo con
tres capas, lo meto al horno a 50 ºC una
hora.
Paso Nº 39:
Aquí tenemos la joyita. Para eliminar el
resto de fibra, separo el estator del
conjunto, sujeto el rotor por el eje al torno
y aproximo el corte de la sierra al
conjunto girando, y se corta a la medida o
un poco mas. Luego con la lija se termina
de ajustar.
Eliminamos la cinta que nos dejaba el
espacio libre entre el rotor y el estator.
Paso Nº 40:
Ya solo nos queda bobinarlo.
Verificaremos
que gira sin rozamientos entre imanes y
estator y eliminaremos el deprom del rotor
desde la altura de los imanes hasta el eje,
este espacio es para alojar las bobinas.
Además insertaremos una arandela en el
eje, entre el rodamiento interno y la tapa
del rotor, mejor de plástico, de las que
encontras en el cd-rom o en el disco duro.
Paso Nº 41:
Para bobinar, damos 35 espiras de
alambre de cobre esmaltado de 0,5 mm, en
total 6 bobinas, alternando un polo si y
otro no. Para dos bobinas un trozo de 2
metros, Tomamos el centro (un metro a
cada lado) lo sujetamos con la mano al
estator y con la otra damos las 35 espiras
de tal forma que al terminarlas, el extremo
nos quede como en la foto. Con el otro
metro, vamos al polo contrario y hacemos
exactamente lo mismo, bobinando en el
mismo sentido. El extremo de todas las
bobinas debe salir por el mismo sitio, no
debiendo haber en ningún caso dos
extremos juntos (si-no-si-no-si.....hasta 6
en total). Son 6 bobinas, pero están unidas
dos a dos, siempre polos opuestos.
Paso Nº 42:
Para el cableado final, es muy sencillo,
tomamos los tres extremos alternos, es
decir, uno si, otro no, uno si, otro no, uno
si y pelamos su punta, los enrollamos y los
soldamos juntos. Los otros tres que
sobran,
cada uno corresponde a una fase, le
soldamos otros tres cables para alargarlos
y
ponemos un poco de termorretractil.
Terminamos colocando unos terminales
acorde a nuestro variador de velocidad
BRUSHLESS (variador trifásico, se
consigue en los comercios de
aeromodelismo).
Paso Nº 43:
Aquí está el esquema del bobinado, el hilo
azul oscuro muestra el puente entre los
extremos alternos, los tres hilos verdes
muestran la conexión a los conectores
desde cada uno de los tres extremos
restantes.
Se aprecian las bobinas unidas dos a dos.
El
sentido de bobinado es siempre el mismo,
partiendo del punto central de cada par de
bobinas.
Paso Nº 44:
Para fijar la hélice, basta con hacer un
orificio como se ve en la imagen y sujetarla
con un tornillo o prisionero.
Paso Nº 45:
Para fijar el motor, le pegamos un trozo de
contrachapado de 2,5 mm, al que
perforaremos un orificio de 10 mm. para
el paso del soporte eje, dos agujeros
superiores de 2 mm. para fijación (con dos
tornillos de servos) al avión y para
finalizar
haremos dos agujeros de 1,5 mm. para
pasar un hilo o cordón que fije el cable de
salida del motor.
Detalles del Bobinado
En esta fotografia como ejemplo hemos
bobinado el primer par de polos ( las
vueltas de alambre deben ser 35 ). En este
punto las terminales se dejan libres.
Ahora bobinamos el segundo par de polos,
intercalando siempre un polo si, otro no.
No debiendo haber en ningún caso dos
extremos juntos (si-no-si-no-si.....hasta 6 en
total). Son 6 bobinas, pero están unidas dos
a dos, siempre polos opuestos.
Bobinamos el ultimo par de polos, (el
tercero) en este punto debemos tener 6
polos bobinados y 6 polos que quedan sin
bobinar, como se ve en la fotografia.
Aqui han quedado 6 terminales libres, en el
siguiente paso veremos como se unen. Hay
dos formas de realizar la conexion de los
terminales, en ESTRELLA o
TRIANGULO.
CONEXIÓN EN ESTRELLA
Al bobinar obtendremos 6 terminales, en la
conexion ESTRELLA, 3 de estas terminales se
uniran entre sí con estaño y un poco de
termocontraible y las restantes 3 van al variador
de velocidad brushless (trifasico). Este variador
lo compras en comercios de aeromodelismo.
CONEXIÓN EN TRIANGULO
En la conexion en triangulo solo quedan tres
terminales, que son el resultado de unir de
dos en dos los terminales de las bobinas y
cada uno de esos puntos de union se conecta
el variador de velocidad.
Este tipo de union logra mas velocidad en en
el motor.
Bobinados de Motores "Outrunners" o con carcasa movil
Los siguientes son ejemplos de bobinados para motores con un maximo de 8 polos en el
rotor. Para circuitos de 10 polos los bobinados son diferentes. Tambien, por razones de
claridad, no se dibujaron los imanes en los esquemas de bobinados
Diagrama para 3 Polos en el estator, es el mas facil de bobinar de todos los esquemas.
Los motores con el estator central tambien son conocidos como "outrunners"
Lo que gira es la carcasa con los imanes permanentes.
Estator de 6 Polos, donde el cableado trifasico es en triangulo
El final de cada bobinado se conecta con el principio del siguiente.
El mismo estator que el anterior, de 6 polos, solo que en configuracion estrella
El final de cada bobinado se conectan entre si.
No es aconsejable usar una configuracion estrella (Y) en una combinacion de estator de 6
polos con un rotor de 10 polos ya que la habilidad del controlador para leer la posicion del
rotor es muy reducida