escobillas de carbón y colector de delgas de un motor eléctrico

Diferencias entre el motor eléctrico BL y el de escobillas

Al comprar un taladro de batería vemos que influye en el precio de la herramienta, y mucho, el tipo del motor eléctrico que lleva oculto bajo su carcasa. ¿En qué se diferencia el motor eléctrico tradicional (con carbones y conmutador) y el motor sin escobillas de carbón o motor brushless?

Características y ventajas del motor brushless (sin escobillas)

En la práctica, las ventajas entre un motor brushless y un motor estándar con escobillas de carbón son las siguientes:

El motor brushless es más corto

Por prescindir de conmutador de la polaridad (formado por el colector de delgas y las escobillas de carbón) el motor de un taladro percutor brushless es más corto. Eso permite que el atornillador inalámbrico sea más compacto y posibilita su uso en lugares estrechos o de difícil acceso.

Así, la parte superior de la carcasa de un taladro atornillador sin escobillas es similar al cuerpo de un destornillador de impacto.

El motor brushless es más ligero

Por las mismas razones del punto anterior el motor brushless es menos pesado. A su vez, este tipo de motor aligera el peso de la máquina, lo que, sumado a su menor tamaño, se traduce en un taladro mucho más compacto y cómodo de usar.

El motor brushless no tiene mantenimiento

Al no existir conexión eléctrica entre el rotor y el estátor, el motor brushless prescinde de escobillas de carbón. De resultas, este taladro no requiere mantenimiento. En efecto, las escobillas de carbón sufren desgaste y se han de reemplazar cuando se alcanza el límite de desgaste —de lo contrario no hacen buen contacto con el motor y producen chispas (pequeños arcos eléctricos) que dañan el colector de delgas—.

El beneficio de un menor mantenimiento, además, se traduce en una menor inversión en piezas de repuesto.

El motor brushless consume menos batería

El rendimiento eléctrico de los taladros sin escobillas es superior al el de los atornilladores equipados con motor universal. Una ventaja directa de ello es que la batería dura más tiempo.

Además, algunos fabricantes aprovechan esta propiedad del motor brushless para reducir el tamaño de la batería y hacer la máquina aún más ligera y compacta. La reducción de capacidad (amperios-hora) del acumulador se ve compensada, en parte, por la mayor eficacia del motor eléctrico.

En otras palabras, un taladro inalámbrico brushless con batería de 1.5 Ah podría ser comparable en cuanto a duración de la batería a uno convencional con acumuladores de litio de 2.0 Ah, por poner un ejemplo.

Cómo funciona un motor eléctrico

No resulta posible, en todo caso, explicar las diferencias entre ambos motores solo en el plano físico. Se requiere saber un mínimo de teoría, aunque sea de manera somera. Tratemos, pues, de entender cómo funciona un motor eléctrico.

Motor de inducción eléctrica de Nikola Tesla

Se considera el motor de inducción uno de los mejores motores eléctricos por ser muy robusto y muy sencillo. El motor de inducción, también conocido como motor asíncrono fue inventado por Nikola Tesla.

El físico austriaco Jakob Pöschl, profesor de Tesla durante su estancia en la Universidad de Graz, dijo lo siguiente:

El señor Telsa podría alcanzar grandes cosas pero, ciertamente, nunca conseguirá esto [diseñar un motor sin escobillas]. (Poëschl)

Jakob se equivocó en su predicción y hoy este motor es muy usado por su fiabilidad en máquinas herramientas industriales como tornos para madera, fresadoras, sierras de cinta o taladros de columna. Sin embargo, como veremos enseguida, tiene un inconveniente que lo hace poco apto para su uso en taladros percutores con cable o con batería.

El motor eléctrico de inducción solo puede operar con corriente alterna. Su característica más notable es que no existe conexión eléctrica directa entre el rotor y el estátor. En vez de eso, el rotor del motor —es decir, la parte que gira— consiste en una especie de jaula con unas barras conductoras de la electricidad unidas en sus extremos por dos anillos.

Por otro lado, el estátor del motor asíncrono está formado por unas bobinas eléctricas que crean (inducen) un campo magnético que atraviesa las barras del rotor. Este campo magnético produce una corriente eléctrica y esta, a su vez, genera un campo magnético que se opone al del estátor.

Puesto que las líneas de un campo magnético no se cruzan (pensemos en el efecto de repulsión que producen dos imanes cuando se unen por polos de mismo signo) esto produce que el rotor gire y persiga al estátor (o huya de él).

Motor de inducción de Nikola Tesla
Motor de inducción de Nikola Tesla. Museo de Nikola Tesla en Belgrado, Serbia.
Foto de Ctac, Wikimedia Commons. Licencia: CC-BY-SA 3.0.

Los límites del motor asíncrono

Este motor se llama asíncrono porque existe un desfase entre las revoluciónes que en teoría podría alcanzar, y que dependen de la frecuencia de la corriente eléctrica usada para alimentarlo (llamada velocidad síncrona) y la velocidad que de veras alcanza, que es menor. La diferencia entre una y otra se conoce como deslizamiento.

En general, cuanto más alto es el deslizamiento, mayor es el par motor que produce un motor de inducción.

Así como el motor asíncrono de inducción es uno de los mejores motores eléctricos por su sencillez y robustez, también tiene un grave inconveniente: la velocidad máxima depende de la frecuencia eléctrica de la corriente que lo alimenta. En España, la red eléctrica funciona a 230 V (monofásica) y 400 V (trifásica) y su frecuencia es de 50 Hz (Hercios).

En concreto, la velocidad máxima de un motor eléctrico depende del número de su número de polos y de la frecuencia de la corriente eléctrica. Por ejemplo, en España, la velocidad máxima teórica de un taladro industrial sería de 3000 RPM si el motor tuviera dos polos. Si tuviese cuatro polos, sería solo de 1500 RPM. En EE.UU., en cambio, puesto que la frecuencia es mayor, la velocidad también es algo más alta, en concreto, 3600 RPM y 1800 RPM, respectivamente.

Sin embargo, no es esa la velocidad real del taladro, sino la velocidad síncrona, nunca alcanzada por el motor de inducción. De ahí que se llama asíncrono. El deslizamiento, del que antes hablamos, reduce la velocidad en torno a un 5 %. Eso quiere decir que el portabrocas de una taladradora de columna o el cabezal de un torno industrial pueden girar como máximo a unas 2850 RPM.

Las ventajas del motor universal

El motor universal no presenta el impedimento del motor asíncrono. Es el más usado en los taladros percutores eléctricos y otras máquinas de bricolaje tales como lijadoras, amoladoras angulares o sierras de calar. Además, este motor no solo puede funcionar con corriente alterna (CA), sino también con corriente continua (CC).

Para que la velocidad máxima de giro sea independiente de la frecuencia eléctrica, el motor universal de un taladro eléctrico introduce complejidad en el sistema:

  1. El estátor no induce una corriente eléctrica en el rotor.
  2. En vez de eso, para crear el campo magnético de repulsión, se lleva directamente la electricidad al rotor
  3. Para poder mantener la conexión eléctrica en el rotor se usan las escobillas de carbón
  4. Las escobillas permiten que la pieza esté girando y conectada a los cables eléctricos que la están alimentando
  5. Como es evidente, no sería posible lograr eso sin escobillas, dado que los cables se retorcerían
  6. El roce de las escobillas con el colector de delgas (pieza que está en contacto con la escobilla) produce desgaste
  7. Es por eso que en estos taladros hace falta sustituir las escobillas cuando ya son demasiado cortas para hacer un buen contacto con el rotor

En conclusión: gracias al motor universal, se pueden construir taladros eléctricos que superen las 2850 RPM.

Las virtudes de los motores brushless

Los motores Brushless funcionan con corriente continua. El rotor de estos motores tiene dos imanes permanentes que producen un campo magnético. Este campo interactúa con el del estátor y produce el par de fuerzas necesarias para producir torque (par de giro).

Conforme gira el rotor, la corriente del estátor debe ser monitorizada para mantener el par de giro. Esto se logra con un módulo eléctronico.

Un taladro con motor eléctrico sin escobillas combina las ventajas del motor universal y del motor asíncrono de inducción. Al funcionar con corriente continua (es decir, la corriente eléctrica que producen las baterías de litio), es sumamente útil para construir herramientas y máquinas de bricolaje sin cable.

Para acabar, puesto que los motores sin escobillas, asimismo, presentan las ventajas ya vistas (bajo mantenimiento y herramienta más compacta), en los últimos años ha proliferado su uso y son cada vez más las marcas de taladros de batería que equipan en la herramienta un motor brushless.

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