escobillas de carbón y colector de delgas de un motor eléctrico

Diferencias entre el motor sin escobillas (BL) y el motor con carbones y conmutador

Al comprar un taladro de batería, mucho influye en el precio el tipo de motor eléctrico que oculta la herramienta bajo la carcasa. A un lado, el clásico motor con carbones y conmutador eléctrico. Al otro, el motor sin escobillas, también llamado motor brushless o BL. ¿En qué se diferencian?

Ventajas del motor eléctrico brushless (sin escobillas)

Para empezar, vamos a ver qué ventajas presenta en la práctica el motor brushless frente al motor estándar con escobillas de carbón.

Es más corto

Una carcasa compacta posibilita trabajar en espacios estrechos. La parte superior del cuerpo de un taladro atornillador tiene un tamaño similar al del atornillador de impacto, herramienta en general más pequeña y potente, aunque suene paradójico.

¿Cuál es la razón de que el motor de un taladro percutor brushless sea más corto? La clave es que prescinde de conmutador de polaridad. Dicho sistema eléctrico consiste en un colector de delgas y un par de escobillas de carbón y se encarga de invertir el sentido de la corriente.

Así, los distintos tipos de taladros y atornilladores sin cable con motor BL son más compactos que sus homólogos con carbones.

Motor sin escobillas de un taladro atornillador de batería
Motor sin escobillas de un taladro atornillador de batería Dewalt DCD796, bajo el interruptor de gatillo, su módulo de control.

Es más ligero

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

No tiene mantenimiento

Puesto en el motor BL no hay conexión entre rotor y estátor (¡consulta aquí un breve glosario eléctrico!), tampoco existen escobillas de carbón. De resultas, los motores brushless no requieren mantenimiento.

En efecto, las escobillas de carbón de un motor eléctrico clásico sufren desgaste. Se deben reemplazar al alcanzar el límite de desgaste. De lo contrario no hacen buen contacto con el motor y producen chispas —es decir, pequeños arcos eléctricos— que dañan el colector de delgas.

Por tanto, el motor libre de mantenimiento ofrece como beneficio añadido el ahorro en piezas de repuesto.

Consume menos batería

El rendimiento eléctrico de un taladro sin escobillas supera al de un equipo con motor universal. ¿Una ventaja directa de ello? La batería tiene mayor autonomía.

Así, ciertos fabricantes aprovechan esta propiedad del motor brushless para reducir el tamaño de la batería y, de esta manera, aligerar y empequeñecer aún más la máquina. El recorte de la capacidad (en amperios-hora) del acumulador eléctrico se ve compensado, en parte, por la mayor eficacia del motor eléctrico.

En otras palabras, y para poner un ejemplo, la autonomía de un taladro brushless con batería de litio de 1.5 Ah se podría comparar con la de un taladro tradicional con 2.0 Ah de capacidad.

¿Cómo funciona un motor eléctrico?

En todo caso, explicar las diferencias entre ambos motores en el plano físico resulta cuando menos complicado. Se requiere saber un mínimo de teoría, aunque sea someramente.

Tratemos, pues, de entender cómo funciona un motor eléctrico.

El motor de inducción eléctrica de Nikola Tesla

Se considera el motor de inducción uno de los mejores motores eléctricos por ser muy robusto y 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. [Se refería a diseñar un motor sin escobillas]. Poëschl

¡Pero el señor Jakob se equivocó en su predicción! Hoy el motor de inducción es muy usado por su fiabilidad en máquinas herramienta industriales, como tornos para madera, fresadoras, sierras de cinta o taladros de columna. Sin embargo, como más abajo veremos, este motor eléctrico tiene una pega que lo hace poco apto para rotar el portabrocas de un taladro.

Cómo y por qué gira el motor asíncrono de corriente alterna

El motor eléctrico de inducción solo opera 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— resulta ser una suerte de jaula con 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 (piensa en el efecto de repulsión que se da al unir dos imanes por polos de mismo signo) esto obliga a que el rotor gire y persiga al estátor. O que huya de él. ¡Según como se mire!

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

Ahora bien, ¿qué es lo asíncrono en el motor de inducción? Si el motor se llama así es porque existe un desfase entre las revoluciones que en teoría podría alcanzar, llamada velocidad síncrona, y la velocidad de veras alcanzada, que siempre es menor.

La diferencia entre ambas velocidades se conoce como deslizamiento. Por lo 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 ser simple y duradero, lo lastra un grave inconveniente. A saber: la velocidad máxima depende de la frecuencia eléctrica de la corriente que lo alimenta y del n.º de polos del motor. En España, la red eléctrica funciona a 230 V (monofásica) y 400 V (trifásica), y su frecuencia es de 50 Hz (Hercios).

Ejemplos de velocidad síncrona (máxima teórica) y velocidad real

Por poner un ejemplo, la velocidad máxima teórica de un taladro industrial con motor de dos polos es de 3000 RPM. Si tuviese cuatro polos, sería solo de 1500 RPM. Eso en España. En cambio, puesto que en EE. UU. la frecuencia es mayor, su velocidad sería allí algo más alta: 3600 y 1800 RPM, respectivamente.

¡Ajá! ¿Pero es esa la velocidad real del taladro? En absoluto. Se trata, en realidad, de la velocidad síncrona, nunca alcanzada por el motor de inducción. De ahí que se llame asíncrono. El deslizamiento, del que antes hablamos, reduce la velocidad en torno a un 5 %. Eso quiere decir que el portabrocas de una taladradora industrial, el mandril de un torno, etc., girarán 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 taladros percutores portátiles y otras máquinas eléctricas de bricolaje, tales como lijadoras, amoladoras angulares o sierras de calar. Además, este motor no solo funciona con corriente alterna (CA): también es posible alimentarlo con corriente continua (CC).

¿Cómo se logra que la velocidad máxima de giro sea independiente de la frecuencia eléctrica? El motor eléctrico universal introduce complejidad en el sistema:

  1. El estátor no induce una corriente eléctrica en el rotor.
  2. En vez de eso se lleva directamente la electricidad al rotor para crear el campo magnético de repulsión.
  3. Para mantener la conexión eléctrica en el rotor se recurre a escobillas de carbón.
  4. Las escobillas permiten girar a la pieza sin que esta desconecte, al rotar, los cables eléctricos que la alimentan. (Como es evidente, sin escobillas, los cables se retorcerían y llegarían a arrancarse).
  5. El roce de las escobillas con el colector de delgas (pieza en contacto con la escobilla) causa desgaste.
  6. Por esta razón en el taladro convencional se sustituyen las escobillas cuando, por quedar muy cortas, ya no establecen buen contacto con el rotor.

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

escobillas y colector de delgas de cobre en un motor universal
Colector de delgas, portaescobillas y escobillas de carbón del motor universal de un taladro eléctrico.

Las virtudes de los motores brushless

El motor brushless funciona con corriente continua. En su rotor, imanes permanentes de tierras raras (en concreto, imanes de neodimio) engendran un campo magnético que interactúa con el del estátor y produce, así, el par de fuerzas necesario para lograr el par de giro o torque.

Conforme gira el rotor, la corriente del estátor debe ser monitorizada para mantener el par de giro. Esto se logra por medio de un módulo eléctronico. Como ejemplo, la siguiente foto muestra el motor sin escobillas de un ventilador de ordenador.

motor brushless de un ventilador de ordenador
Ventilador de ordenador desmontado. Las dos bobinas de cobre del circuito impreso del motor brushless interactúan con los seis imanes permanentes redondos en la carcasa del ventilador (a la derecha).
Autor: Materialscientist. Licencia: CC BY-SA 4.0.

Así, un taladro con motor eléctrico sin escobillas combina las ventajas del motor universal y del motor asíncrono de inducción. Como funciona con corriente continua (es decir, la electricidad que producen las baterías de litio), resulta sumamente útil para construir herramientas eléctricas sin cable.

Para concluir, los motores sin escobillas presentan a la vez las ventajas vistas al principio del artículo, esto es, bajo peso, formato compacto y ausencia de mantenimiento. De ahí que en los últimos años haya proliferado su uso. En efecto, cada vez son más los fabricantes que apuesten por las herramientas sin escobillas.

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