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13.6: Motor CC sin escobillas

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    Los motores de CC sin escobillas fueron desarrollados a partir de motores de CC cepillados convencionales con la disponibilidad de semiconductores de potencia de Entonces, ¿por qué discutimos los motores de CC sin escobillas en un capítulo sobre motores de CA? Los motores de CC sin escobillas son similares a los motores síncronos La principal diferencia es que los motores síncronos desarrollan una contraEMF sinusoidal, en comparación con una contraEMF rectangular o trapezoidal para motores de CC sin escobillas. Ambos tienen campos magnéticos giratorios creados por estator que producen torque en un rotor magnético.

    Los motores síncronos suelen ser grandes de varios kilovatios, a menudo con rotores electromagnéticos. Los verdaderos motores sincrónicos se consideran de una sola velocidad, un submúltiplo de la frecuencia de la línea eléctrica. Los motores de CC sin escobillas tienden a ser pequeños, de unos pocos vatios a decenas de vatios, con rotores de imán permanente. La velocidad de un motor de CC sin escobillas no es fija a menos que sea accionada por un bucle bloqueado en fase subordinado a una frecuencia de referencia. El estilo de construcción es cilíndrico o panqueque. (Figuras y abajo)

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    Construcción cilíndrica: (a) rotor exterior, (b) rotor interior.

    La construcción más habitual, cilíndrica, puede adoptar dos formas (Figura anterior). El estilo cilíndrico más común es con el rotor en el interior, arriba a la derecha. Este estilo de motor se utiliza en unidades de disco duro. También es posible colocar el rotor en el exterior rodeando el estator. Tal es el caso de los motores de ventilador de CC sin escobillas, sin el eje. Este estilo de construcción puede ser corto y gordo. Sin embargo, la dirección del flujo magnético es radial con respecto al eje de rotación.

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    Construcción del motor Pancake: (a) estator simple, (b) estator doble.

    Los motores de tortitas de alto par pueden tener bobinas de estator en ambos lados del rotor (Figura superior-b).

    Las aplicaciones de menor par, como los motores de unidad de disquete, son suficientes con una bobina de estator en un lado del rotor, (Figura superior-a). La dirección del flujo magnético es axial, es decir, paralela al eje de rotación.

    La función de conmutación puede ser realizada por varios sensores de posición del eje: codificador óptico, codificador magnético (resolvedor, sincro, etc.) o sensores magnéticos de efecto Hall. Los motores pequeños y económicos utilizan sensores de efecto Hall. (Figura abajo) Un sensor de efecto Hall es un dispositivo semiconductor donde el flujo de electrones se ve afectado por un campo magnético perpendicular a la dirección del flujo de corriente. Parece una red de resistencias variables de cuatro terminales. Los voltajes en las dos salidas son complementarios. La aplicación de un campo magnético al sensor provoca un pequeño cambio de voltaje en la salida. La salida Hall puede accionar un comparador para proporcionar un accionamiento más estable al dispositivo de alimentación. O bien, puede conducir una etapa de transistor compuesto si está correctamente polarizada. Los sensores de efecto Hall más modernos pueden contener un amplificador integrado y circuitos digitales. Este dispositivo de 3 conductores puede accionar directamente el transistor de potencia que alimenta un devanado de fase. El sensor debe montarse cerca del rotor de imán permanente para detectar su posición.

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    Los sensores de efecto Hall conmutan el motor de CC sin escobillas de 3 φ.

    El motor cilíndrico simple de 3 φ Figura anterior es conmutado por un dispositivo de efecto Hall para cada una de las tres fases del estator. La posición cambiante del rotor de imán permanente es percibida por el dispositivo Hall a medida que cambia la polaridad del polo del rotor que pasa. Esta señal Hall se amplifica para que las bobinas del estator sean accionadas con la corriente adecuada. No se muestra aquí, las señales Hall pueden procesarse mediante lógica combinatoria para formas de onda de accionamiento más eficientes.

    El motor cilíndrico anterior podría conducir un disco duro si estuviera equipado con un bucle bloqueado por fases (PLL) para mantener una velocidad constante. Circuitos similares podrían impulsar el motor de la unidad de disquete crepe (Figura a continuación). Nuevamente, necesitaría un PLL para mantener una velocidad constante.

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    Motor para panqueques sin escobillas

    El motor de panqueques de 3 φ (Figura anterior) tiene 6 polos de estator y 8 polos de rotor. El rotor es un anillo de ferrita plano magnetizado con ocho polos alternados magnetizados axialmente. No mostramos que el rotor esté tapado por una placa de acero dulce para montarlo en el cojinete en el medio del estator. La placa de acero también ayuda a completar el circuito magnético. Los polos del estator también están montados sobre una placa de acero, ayudando a cerrar el circuito magnético. Las bobinas planas del estator son trapezoidales para ajustarse más estrechamente a las bobinas y aproximarse a los polos del rotor. Las bobinas de 6 estatores comprenden tres fases de devanado.

    Si las tres fases del estator se energizaran sucesivamente, se generaría un campo magnético giratorio. El rotor de imán permanente seguiría como en el caso de un motor síncrono. Un rotor de dos polos seguiría este campo a la misma velocidad de rotación que el campo giratorio. Sin embargo, nuestro rotor de 8 polos girará a un submúltiplo de esta velocidad debido a los polos adicionales en el rotor.

    El motor de ventilador de CC sin escobillas (figura a continuación) tiene estas características:

    02461.png

    • El estator tiene 2 fases distribuidas entre 4 polos
    • Hay 4 polos salientes sin devanados para eliminar cero puntos de torque.
    • El rotor tiene cuatro polos de transmisión principales.
    • El rotor tiene 8 polos superpuestos para ayudar a eliminar los puntos de torsión cero.
    • Los sensores de efecto Hall están espaciados a 45 o físicos.
    • La carcasa del ventilador se coloca encima del rotor, que se coloca sobre el estator.

    El objetivo de un motor de ventilador sin escobillas es minimizar el costo de fabricación. Esto es un incentivo para mover productos de menor rendimiento de una configuración de 3 φ a una configuración de 2 φ. Dependiendo de cómo se acciona, se le puede llamar un motor de 4 φ.

    Tal vez recuerde que los motores de CC convencionales no pueden tener un número par de polos de armadura (2,4, etc) si van a ser de arranque automático, siendo comunes 3,5,7. De esta manera, es posible que un hipotético motor de 4 polos llegue a descansar a un par mínimo, donde no se puede arrancar del reposo. La adición de los cuatro polos salientes pequeños sin devanados superpone un par de ondulación sobre la curva de par vs posición. Cuando este par de ondulación se agrega a la curva de par energizado normal, el resultado es que los mínimos de par se eliminan parcialmente. Esto permite arrancar el motor para todas las posiciones de parada posibles. La adición de ocho polos de imán permanente al rotor de imán permanente de 4 polos normal superpone un par de ondulación armónico pequeño segundo sobre el par de ondulación normal de 4 polos. Esto elimina aún más los mínimos de par. Siempre y cuando el par mínimo no baje a cero, deberíamos poder arrancar el motor. Cuanto más exitosos seamos en la eliminación de los mínimos de par, más fácil será el arranque del motor.

    El estator 2-φ requiere que los sensores Hall estén separados por 90 o eléctricos. Si el rotor fuera un rotor de 2 polos, los sensores Hall se colocarían 90 o físicos. Dado que contamos con un rotor de imán permanente de 4 polos, los sensores deben colocarse 45 o físicos para lograr el espaciado eléctrico de 90 o. Nota Espaciado de Hall arriba. La mayor parte del par se debe a la interacción de las bobinas internas del estator 2-φ con la sección de 4 polos del rotor. Además, la sección de 4 polos del rotor debe estar en la parte inferior para que los sensores Hall detecten las señales de conmutación adecuadas. La sección del rotor de 8 polos es solo para mejorar el arranque del motor.

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    Motor CC sin escobillas 2 φ push-pull drive.

    En la figura anterior, el accionamiento push-pull de 2 φ (también conocido como accionamiento de 4 φ) utiliza dos sensores de efecto Hall para accionar cuatro devanados. Los sensores están separados 90o eléctricos, lo que es 90o físico para un rotor de polo único. Dado que el sensor Hall tiene dos salidas complementarias, un sensor proporciona conmutación para dos devanados opuestos.


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