Los motores son los actuadores que nos encontramos por defecto en miles de aplicaciones, en el mundo de DC hay varios tipos con diversas características interesantes a recordar según la aplicación.
Tabla comparativa
Notas Adicionales
Tensión y Corriente: Los valores indicados son típicos. Siempre se debe verificar las especificaciones exactas del motor y controlador. Usar una tensión o corriente incorrecta puede dañar los componentes.
Fuente de Alimentación Externa: Con la excepción de algunos motores DC muy pequeños, la mayoría de estos motores requieren una fuente de alimentación externa separada de la Raspberry Pi o Arduino, ya que los pines de estos microcontroladores no pueden suministrar la corriente necesaria. Es crucial conectar las tierras de todas las fuentes de alimentación juntas.
Disipación de Calor: Los drivers de motor, especialmente para motores paso a paso y BLDC de alta corriente, pueden calentarse significativamente. Es común que necesiten disipadores de calor e incluso ventiladores para operar de manera segura y eficiente.
Descripción de cada tipo de motor
Motor Paso a Paso (Stepper Motor)
Un motor paso a paso es un motor DC sin escobillas en el que la rotación se divide en un número determinado de "pasos". En lugar de girar continuamente, el motor se mueve en incrementos angulares precisos y discretos. La rotación completa del eje (360°) se divide en un número fijo de pasos, típicamente 200, lo que da un ángulo de paso de 1.8°. Se mueve de un paso a otro activando las bobinas del estator en una secuencia específica controlada por un driver. Este motor mantiene su posición fija cuando no está girando, gracias a la fuerza del campo magnético, lo que se conoce como "par de retención".
Posicionamiento de precisión: Su característica más destacada. Permite un control muy preciso de la posición y la velocidad.
Control de lazo abierto: No necesita retroalimentación (como encoders) para saber su posición, ya que cada pulso del controlador mueve el motor un paso.
Alto par a bajas velocidades: Es capaz de generar un par significativo incluso cuando está detenido o girando lentamente.
Vibración y ruido: A menudo presenta vibración y ruido en su funcionamiento, especialmente a altas velocidades.
Motor EPSON utilizado en una impresora InkJet para posicionar el cabezal
Servomotor
Un servomotor es un motor DC que forma parte de un sistema de control de lazo cerrado, diseñado para mantener una posición o velocidad específica con alta precisión. A diferencia de un motor paso a paso, un servomotor utiliza un sensor (típicamente un encoder o un potenciómetro) para realimentar su posición al controlador. El controlador compara la posición actual con la posición deseada y ajusta la corriente del motor para corregir cualquier diferencia. Esto asegura que el motor se mantenga en la posición exacta, incluso bajo carga.
Control de lazo cerrado: Requiere retroalimentación (feedback) para garantizar la precisión, lo que le da una alta fiabilidad.
Dinámica rápida: Ofrece una alta aceleración y puede responder rápidamente a los cambios en la señal de control.
Rango de movimiento: Los servos más comunes tienen un rango de movimiento limitado (por ejemplo, 180°), aunque existen variantes de rotación continua.
Consumo de energía: Consume energía proporcional a la carga que está soportando, reduciendo el consumo cuando está inactivo o en reposo.
Motor BLDC (Brushless DC)
El motor BLDC es un motor DC sin escobillas, lo que significa que no tiene las partes mecánicas que se desgastan (escobillas y conmutador) de un motor DC tradicional. La conmutación de las bobinas no es mecánica, sino electrónica, controlada por un circuito. Esta conmutación electrónica se basa en la posición del rotor (a menudo detectada por sensores Hall o por el propio voltaje inducido en las bobinas). El motor BLDC tiene un rotor de imanes permanentes y un estator con bobinas, lo que le permite ser más eficiente y silencioso que los motores DC con escobillas.
Larga vida útil y bajo mantenimiento: Al no tener escobillas, se elimina el desgaste mecánico y el chispeo, lo que prolonga su vida útil.
Alta eficiencia: La ausencia de fricción en las escobillas y su diseño optimizado le permiten ser más eficiente energéticamente.
Funcionamiento silencioso: La conmutación electrónica es mucho más suave que la mecánica.
Alto par por peso: Ofrece una gran cantidad de potencia para su tamaño, lo que lo hace ideal para aplicaciones compactas y de alto rendimiento, como drones y herramientas eléctricas.
Motor Spindle de un HDD
Motor Spindle de un Floppy Disk 3/12
Motor DC con Escobillas (Brushed DC Motor)
El motor DC con escobillas es el tipo más simple y común de motor eléctrico. Es el "motor genérico" que se encuentra en la mayoría de los juguetes, ventiladores pequeños y electrodomésticos sencillos. Funciona con corriente continua y su conmutación (el proceso de cambiar la dirección de la corriente en las bobinas) se realiza de forma mecánica, utilizando escobillas de carbón que hacen contacto con un conmutador rotativo.
Bajo costo y simplicidad: Es el motor más económico de fabricar y controlar.
Fácil de usar: Simplemente aplicando una tensión DC, el motor comienza a girar. La velocidad se puede controlar variando el voltaje.
Desgaste mecánico: Las escobillas se desgastan con el tiempo debido a la fricción, lo que limita la vida útil del motor y puede generar chispas eléctricas.
Baja eficiencia: Es menos eficiente que los motores sin escobillas debido a la fricción y la resistencia de las escobillas.
Motores marca Minebea Electronics Motor
Despiece de un motor Brushed DC
Un lavarropa lleva un motor BLDC?
Sí, muchos lavarropas modernos, especialmente los de gama media y alta, utilizan motores BLDC (BrushLess Direct Current), que a menudo se comercializan como motores "Inverter" o "Direct Drive".
Motor BLDC (Inverter/Direct Drive):
Sin escobillas: A diferencia de los motores universales tradicionales (que usan escobillas de carbón que se desgastan y generan ruido), los motores BLDC no tienen escobillas. Esto reduce la fricción, el ruido y el desgaste, lo que se traduce en una mayor durabilidad del motor.
Control electrónico (Inverter): Los motores BLDC requieren una placa electrónica (el "inverter") para controlar su velocidad y dirección de forma precisa. Esta tecnología permite que el lavarropas ajuste la velocidad del tambor de manera continua y eficiente, en lugar de solo tener velocidades fijas.
Si ves un lavarropas que se anuncia con tecnología "Inverter" o "Direct Drive", es muy probable que utilice un motor BLDC.
Otra variante: Voice Coil Motor - VCM
Un Voice Coil Motor (VCM) es un tipo de motor lineal que utiliza el mismo principio electromagnético que el altavoz (de ahí su nombre, "voice coil"). 🗣️ Su función principal es convertir la energía eléctrica en un movimiento lineal preciso y rápido, sin rotación.
¿Cómo funciona?
El funcionamiento del VCM se basa en la fuerza de Lorentz. Cuando una corriente eléctrica atraviesa una bobina (el "voice coil") que se encuentra dentro de un campo magnético generado por un imán permanente, se produce una fuerza que empuja la bobina. La dirección y magnitud de esta fuerza dependen de la dirección de la corriente y de la intensidad del campo magnético.
Bobina (Coil): Es un conductor enrollado que recibe la corriente eléctrica.
Imán permanente: Genera un campo magnético estático.
Eje (Shaft): Conectado a la bobina, es el elemento que se mueve linealmente.
Al variar la dirección de la corriente, el VCM puede cambiar la dirección del movimiento. Al variar la magnitud de la corriente, se controla la fuerza y, por ende, la posición de manera muy precisa.
Aplicaciones comunes
Ideal para aplicaciones que requieren un posicionamiento de alta precisión y velocidad. Algunos ejemplos típicos:
Sistemas de enfoque automático en cámaras: El VCM mueve la lente de la cámara rápidamente para enfocar el objeto. 📸
Actuadores en discos duros (HDD): Controla el brazo que lee y escribe los datos en el plato del disco.
Microscopios y equipos de laboratorio: Permite un posicionamiento micrométrico de las muestras.
Equipos de fabricación de semiconductores: Se utiliza en la manipulación de componentes a nivel microscópico.
Ejemplo de Actuador de HDD
Ejemplo de Actuador de HDD
Ventajas y Desventajas
| Ventajas 👍 | Desventajas👎 |
| Alta velocidad y aceleración: Ideal para movimientos rápidos y dinámicos. | Recorrido limitado: No es adecuado para aplicaciones que requieren un gran rango de movimiento. |
| Posicionamiento de alta precisión: Permite un control milimétrico de la posición. | Generación de calor: La bobina puede calentarse con el uso continuo, lo que requiere una gestión térmica. |
| Baja fricción y larga vida útil: Su diseño sin contacto reduce el desgaste mecánico. | Potencia limitada: No puede generar fuerzas extremadamente altas. |
| Diseño compacto: Ocupa poco espacio, ideal para dispositivos pequeños. | Costo: Puede ser más caro que otras soluciones de movimiento lineal. |
Referencias
- https://www.hsmagnets.com/blog/magnets-in-the-voice-coil-motor-vcm/
- https://www.stanfordmagnets.com/vcm-motor-fundamentals-and-comparison.html
- https://magnetstek.com/what-is-a-vcm-motor-a-comprehensive-overview/
- https://www.youtube.com/watch?v=BQJg7I-4620
- https://cursos.mcielectronics.cl/2023/06/28/como-utilizar-un-servo-motor-con-arduino/
- https://www.a-m-c.com/es/servomotor/
- https://www.minebeamitsumi.com/english/product/rotary/1182581_6224.html
- https://en.wikipedia.org/wiki/Brushed_DC_electric_motor
- https://es.wikipedia.org/wiki/Motor_paso_a_paso
- https://www.monolithicpower.com/en/learning/resources/stepper-motors-basics-types-uses?srsltid=AfmBOopszkObZ7ekPhJBeDrHE2N1SKjnZWY0HL5VY7YjVaWW1aLKvCQt
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