Los motores DC pequeños toman electricidad de corriente continua y la convierten en movimiento mecánico preciso aprovechando fuerzas electromagnéticas. Básicamente, esto es lo que ocurre: cuando la corriente circula por el inducido dentro del motor, entra en contacto con un campo magnético, creando esa acción giratoria que todos conocemos y apreciamos. Estas pequeñas fuentes de potencia son ideales para situaciones en las que el espacio es limitado y el par necesita ser justo, lo que explica su presencia en todo tipo de dispositivos, desde teléfonos inteligentes hasta pequeñas bombas en equipos hospitalarios. Un análisis reciente de sistemas de movimiento industrial a principios de 2024 sugiere que estos motores pueden alcanzar aproximadamente un 90 % de eficiencia cuando no trabajan bajo mucha carga, principalmente porque hay muy poca fricción que interfiera durante cargas ligeras.
Cuatro componentes críticos definen el funcionamiento de un motor pequeño de corriente continua:
A diferencia de los motores más grandes, las variantes pequeñas de CC utilizan materiales ligeros como imanes de neodimio y escobillas de carbón para mayor durabilidad. Como se destaca en las directrices de ingeniería de motores , estos componentes están optimizados para reducir la disipación de calor, lo que permite un funcionamiento continuo en espacios reducidos.
Cuando se trata de motores de corriente continua pequeños, suelen centrarse más en concentrar potencia en espacios reducidos que en producir grandes cantidades de par motor. Tomemos un motor estándar de 12 voltios con una potencia nominal entre aproximadamente 3 y quizás 50 vatios; estos pequeños suelen girar a unas 15 o 200 revoluciones por minuto. Compárese esto con los motores de tamaño industrial, que pueden manejar mucha más potencia, a menudo superior a 1 kilovatio, pero necesitan grandes sistemas de refrigeración para evitar el sobrecalentamiento. Lo que hace tan útiles a los motores pequeños es su naturaleza compacta. No necesitan piezas adicionales como ventiladores externos, que sí requieren los motores más grandes, razón por la cual los ingenieros prefieren integrarlos en todo tipo de equipos donde el espacio es limitado. Según algunas investigaciones publicadas el año pasado en una revista de electromecánica, estos motores más pequeños funcionan aproximadamente un 40 por ciento más silenciosamente en comparación con sus hermanos mayores. Ese funcionamiento silencioso resulta muy importante en aplicaciones como dispositivos hospitalarios o gadgets de consumo, donde nadie desea ruidos molestos de zumbido provenientes de sus máquinas.
Los pequeños motores de corriente continua funcionan convirtiendo la electricidad en movimiento físico basándose en lo que se conoce como fuerzas de Lorentz. Básicamente, cuando la electricidad circula por los cables de cobre en el interior del motor (que llamamos devanados del inducido), se genera un campo magnético. Este campo interactúa luego con los imanes permanentes fijados en el exterior de la carcasa del motor. Lo que ocurre a continuación es bastante interesante: los campos magnéticos se empujan entre sí, creando un par que hace girar el eje del motor en ángulo recto respecto a la dirección del flujo de electricidad y a la orientación de las líneas magnéticas. Para mantener una rotación constante, la electricidad se transfiere desde unas escobillas de carbón hacia lo que se conoce como colector. Esta pieza conmuta la energía hacia diferentes secciones del devanado del inducido, haciendo que el motor siga girando continuamente en lugar de detenerse tras una sola vuelta.
El sistema de conmutador-escobilla cumple dos funciones críticas:
Sin este cambio sincronizado, los pequeños motores de CC se detendrían tras una rotación parcial. Investigaciones recientes en electrodinámica muestran que diseños optimizados de conmutadores reducen el arco eléctrico en un 40 %, prolongando la vida útil de las escobillas en aplicaciones de 12 V.
Relaciones clave que determinan el rendimiento de un pequeño motor de CC:
| Parámetro | Efecto sobre el rendimiento | Consideración de Diseño |
|---|---|---|
| Voltaje (6-24 V) | Directamente proporcional a la velocidad en vacío | Límites térmicos a voltajes más altos |
| Corriente | Determina la salida de par (T = kΦI) | Calibre del alambre y material de las escobillas |
| Flujo magnético | Afecta tanto al par como a la fuerza contraelectromotriz | Selección del grado del imán |
Los motores DC pequeños sin núcleo alcanzan velocidades superiores a 10.000 RPM con mínima vibración, mientras que los motorreductores planetarios intercambian velocidad por una multiplicación del par de hasta 15 veces. Los diseños eficientes mantienen una conversión de energía superior al 80 % en todo su rango de funcionamiento.
Los pequeños motores de corriente continua con escobillas funcionan con escobillas de carbón y conmutadores para realizar las conexiones eléctricas. Son bastante simples y económicos a primera vista, razón por la cual se utilizan en aparatos como lavadoras y esos dispensadores de bocadillos que vemos por todas partes. Pero hay un inconveniente: las escobillas tienden a desgastarse con el tiempo, por lo que estos motores requieren revisiones periódicas y piezas de reemplazo. Esto afecta considerablemente su durabilidad antes de fallar por completo. Por otro lado, los motores de corriente continua sin escobillas, conocidos como BLDC, eliminan todos esos componentes mecánicos mediante la conmutación electrónica. Al no haber fricción, estos motores pueden funcionar mucho más eficientemente, alcanzando en ocasiones alrededor del 90 % de eficiencia. Los fabricantes de equipos médicos los prefieren porque pueden seguir funcionando ininterrumpidamente durante miles de horas sin fallar. Se sabe de algunos equipos que han alcanzado la marca de las 10.000 horas y aún siguen funcionando correctamente.
La integración de engranajes planetarios o cilíndricos con pequeños motores de corriente continua multiplica el par motor manteniendo unas dimensiones compactas. Los motorreductores que ofrecen hasta 2,5 Nm de par son ideales para reguladores de ventanas automotrices, actuadores industriales y robótica, donde el movimiento con alta fuerza en espacios reducidos es fundamental.
Los diseños sin hierro eliminan el núcleo de hierro del rotor, reduciendo la inercia en un 50 % para ciclos rápidos de arranque y parada en drones y prótesis. Los motores de estilo panqueque con armaduras planas alcanzan espesores inferiores a 15 mm, permitiendo su integración en dispositivos portátiles y sensores miniatura.
Al trabajar con motores de corriente continua pequeños, su voltaje nominal debe coincidir con la fuente de alimentación a la que los conectemos. La mayoría de los modelos comerciales funcionan mejor entre 6 voltios y 24 voltios. Si aplicamos un voltaje demasiado alto a estos motores, tienden a sobrecalentarse bastante rápidamente. Por el contrario, hacerlos funcionar por debajo de su voltaje mínimo simplemente los debilita, ya que no pueden generar suficiente par motor. La cantidad de corriente que consume el motor está directamente relacionada con la carga que soporta. Cargas mayores implican más corriente circulando por el sistema, lo que naturalmente incrementa tanto el consumo de energía como la producción de calor. Veamos algunos números para clarificar: tomemos un motor estándar de 12 voltios que consume alrededor de 1,6 amperios; esto nos da aproximadamente 19,2 vatios de potencia. Comprender estas especificaciones ayuda a los ingenieros a seleccionar el motor adecuado para cada tarea. Un motor pequeño podría manejar dispositivos sencillos o juguetes, pero se necesitaría uno más grande para equipos industriales donde lo más importante es la operación continua.
La eficiencia de los motores pequeños de corriente continua generalmente oscila entre el 70 y el 90 por ciento, aunque esto puede variar según varios factores, como la fricción dentro del motor, la resistencia en los devanados y las pérdidas relacionadas con los campos magnéticos. Cuando estos motores funcionan sin parar a temperaturas superiores a 60 grados Celsius (alrededor de 140 grados Fahrenheit), existe un riesgo real de que el aislamiento falle o de que los imanes permanentes pierdan su fuerza. Aquí, una buena gestión térmica marca toda la diferencia. Elementos como una carcasa especialmente diseñada para ayudar a disipar el calor o simplemente mejorar la circulación de aire alrededor del motor pueden prolongar significativamente su vida útil antes de necesitar reemplazo. Las versiones sin escobillas de estos motores generan menos calor porque no tienen esas molestas escobillas que causan fricción. En aplicaciones donde la fiabilidad es fundamental, como en equipos médicos, los modelos sin escobillas suelen durar más de 5.000 horas de funcionamiento continuo sin problemas.
Los pequeños motores de corriente continua con escobillas generalmente funcionan alrededor de 1.000 a 3.000 horas de operación antes de que las escobillas comiencen a desgastarse, mientras que sus contrapartes sin escobillas pueden superar fácilmente las 10.000 horas. Cuando se instalan en lugares donde hay mucha polvareda o los niveles de humedad son altos, estos motores se benefician enormemente de rodamientos sellados y componentes fabricados con materiales resistentes a la corrosión y el deterioro. Para mantenerlos funcionando sin problemas, también se requiere un mantenimiento básico. Limpiar regularmente las superficies del conmutador y asegurarse de que todas las piezas móviles permanezcan adecuadamente lubricadas contribuye mucho a prevenir fallos inesperados en líneas de producción automatizadas. Para vehículos y otros equipos de transporte, los fabricantes suelen especificar motores con clasificación de carcasa IP54. Esto significa que pueden soportar salpicaduras de agua y suciedad sin permitir que la humedad penetre en su interior, lo cual cumple con los requisitos de la mayoría de los fabricantes para un funcionamiento confiable en condiciones difíciles.
Dependemos de motores DC pequeños para todo tipo de objetos cotidianos sin siquiera darnos cuenta. Piense en esos vibradores de nuestros teléfonos cuando recibimos notificaciones, las cabezas giratorias de los cepillos de dientes eléctricos o esos pequeños ventiladores que nos refrescan durante los calurosos días de verano. ¿Qué hace que estos motores sean tan buenos? Son lo suficientemente pequeños como para caber en dispositivos portátiles, pero aún así logran funcionar eficientemente con baterías. Para algo tan complejo como un dron, estos motores miniatura ayudan a mantener todo equilibrado en el aire mientras permiten que la cámara se mueva suavemente de un lado a otro. La misma tecnología impulsa esos sistemas cardánicos que tanto les gustan a los fotógrafos. ¡Realmente impresionante considerando lo pequeños que son!
El campo médico depende en gran medida de esos pequeños motores de corriente continua que alimentan todo tipo de equipos esenciales en la actualidad, desde sistemas de administración de insulina hasta herramientas quirúrgicas robóticas e incluso mesas ajustables en salas de resonancia magnética. Estos pequeños motores pueden mantener una salida de potencia constante incluso cuando funcionan lentamente, lo cual es sumamente importante para administrar la dosis correcta de medicamento a través de líneas intravenosas. Las versiones sin escobillas son particularmente útiles porque no generan mucho ruido eléctrico que podría interferir con otros equipos médicos sensibles cercanos. Y, curiosamente, la mayoría de los dispositivos diagnósticos portátiles disponibles hoy en día utilizan lo que se conoce como motores de corriente continua sin núcleo. ¿Por qué? Porque funcionan tan silenciosamente que los pacientes apenas notan que están trabajando durante pruebas y revisiones.
Los coches actuales tienen aproximadamente entre 30 y 50 pequeños motores de corriente continua trabajando en segundo plano. Se encargan de todo tipo de funciones que damos por sentadas, como ajustar las ventanas eléctricas, recordar la posición de los asientos y controlar las rejillas de ventilación del sistema de calefacción. Las novedades más recientes son aún más interesantes. Los fabricantes están incorporando ahora motores de corriente continua sin escobillas en sistemas avanzados de asistencia al conductor, como mantener el radar correctamente alineado o plegar automáticamente los espejos al estacionar. Estos pequeños trabajadores también pueden soportar temperaturas extremadamente duras, funcionando de forma fiable tanto en frío helado de menos 40 grados Celsius como en calor abrasador de hasta 150 grados. Esta durabilidad los hace perfectos para cualquier condición climática sin fallar.
Los pequeños motores de corriente continua alimentan desde sofisticados robots industriales de pick-and-place hasta proyectos básicos de experimentación con Arduino. Algunos de estos pequeños motores pueden ser realmente diminutos, con modelos disponibles que caben en un espacio de apenas 6 mm de ancho. A la hora de realizar trabajo útil, las versiones con reductor multiplican el par aproximadamente 200 veces, lo que significa que pueden levantar fácilmente pesos de unos 5 kg en brazos robóticos. Luego existen los motores tipo panqueque que giran extremadamente rápido, alcanzando velocidades de 10.000 RPM en aplicaciones de perforación de PCB. La mayoría de las plataformas robóticas de código abierto ahora incluyen opciones modulares de motores de corriente continua con puntos de montaje estándar. Esto sin duda ha acelerado el trabajo tanto para aficionados como para profesionales. El prototipado lleva aproximadamente un 40 % menos de tiempo que antes al usar estos componentes estandarizados en lugar de construir soluciones personalizadas desde cero cada vez
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