Motores eléctricos para R/C sin colector

¡Adiós, colector, adiós!
¡Adiós, escobilla, adiós!
¡Adiós, ESC, adiós!

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Conjeturas iniciales.

Lo que sigue son suposiciones fundamentadas sobre una revolución en el mundo del R/C eléctrico que se producirá a lo largo del año 2001: la sustitución de motores eléctricos y sus reguladores electrónicos (ESC) por motores eléctricos sin escobillas controlados por un regulador inteligente ex-profeso.

Tanto motores de explosión como eléctricos, desde sus inicios respectivos en el mundo R/C, han mantenido su constitución. En el caso eléctrico, el motor es de estátor (parte estática) constituído por los dos imanes, y de rotor (parte en movimiento) constituído por un inducido de tres delgas y el colector, con la consiguiente necesidad de escobillas. Aunque el rendimiento energético es bastante superior al de un motor de explosión (en éstos hay una inevitable pérdida de energía en el calor de los gases de escape), en colector y escobillas se produce una considerable pérdida, y siendo escasa la autonomía de un coche eléctrico, no están los tiempos para perder watios.

El motor eléctrico de corriente continua sin escobillas es una realidad antigua ya utilizada en la industria, aunque por la elevada cantidad de componentes electrónicos necesarios para regularlo era imposible su aplicación en el mundo R/C. Hasta hoy.

Este motor tiene dos antecedentes claros:

• Motor de corriente alterna asíncrono trifásico. En el estator se disponen las bobinas que, alimentadas por corriente trifásica, producen un campo magnético giratorio que arrastra un sencillo rotor. En el caso más simple, tenemos los motores en "jaula de ardilla". El inconveniente de estos motores es su velocidad fija, dependiendo del número de polos y de la frecuencia industrial; para 50 Hz la velocidad máxima es 50 rps ó 3000 rpm.
• Motores paso a paso. Son motores de constitución parecida a los anteriores, en que se emula la corriente trifásica mediante electrónica. Se usan para posicionamiento, siendo frecuentes en los PC's (impresoras, discos duros, etc).

Las ideas fundamentales para el motor eléctrico R/C de corriente continua sin escobillas son:

• En el estator se situarán las bobinas, siendo el rotor los imanes (ver figura). Colector y escobillas (y ESC clásico) se eliminan de un plumazo.
• El regulador electrónico excitará, a partir de la corriente continua de las baterías, las bobinas del estátor de forma secuencial, produciendo un campo magnético giratorio que arrastrará el rotor.
• La regulación de velocidad se realizará variando la frecuencia de excitación de las bobinas.

El ESC necesario para estos motores se basará en un microprocesador. Básicamente generará frecuencias variables interpretando la anchura de pulso que envía la emisora, no descartándose el troceado adicional de la tensión de batería en los intervalos de conducción de las bobinas. Pero como veremos, tendrá funciones adicionales.

Pensemos en un motor eléctrico girando a 60000 rpm, es decir 1000 rps, o bien 1 ms por revolución. Si pensamos en un estátor con tres bobinas, tenemos que pensar en realizar acciones en las bobinas a cada sexta parte de revolución (ver figura), es decir, cada 0.166 ms (166 us), además de leer e interpretar la anchura del pulso de entrada y hacer otras funciones; esto, aunque no sin esfuerzo, es posible con microprocesadores, y más aún a las frecuencias a que han llegado hoy día.

Téngase en cuenta que la parte en rotación está ahora constituída solamente por los imanes. Los transistores de potencia que realizarán la conmutación, que deberán ser de alta frecuencia, siguen estando en la parte estática.

Además de la considerable mejora en el rendimiento al prescindir de colector y escobillas (y por tanto del calor, chisporroteo y pérdidas mecánicas por la presión de los muelles de escobilla), tenemos un motor de mantenimiento prácticamente nulo: la sustitución de escobillas y el torneado de colectores son operaciones que pasarán a la historia.

Las figuras siguientes indican una posible realización práctica de estos motores:

Motor de corriente continua sin colector de tres delgas

Control del motor de corriente continua sin colector de tres delgas

Esquema de bloques del conjunto

En otro aspecto en que estos motores superarán a los convencionales es en el avance de colector, que desaparecerá en su concepto actual. En cambio, con un sensor de posición, pueden alterarse los momentos de inicio y fin de conmutación de corriente en función de la carga y de las revoluciones de forma óptima. El concepto ahora debe ser el de un avance de corriente.

Un aspecto que no debe pasar por alto será el calor desprendido. En el motor clásico las bobinas se mueven, lo que favorece su disipación. En los nuevos motores las bobinas no se mueven, aunque están en contacto con la carcasa del motor y por tanto cercanos al ambiente.

Como se ha dicho, en las implementaciones reales puede o no trocearse la tensión de batería en los intervalos de conducción de las bobinas (en la figura anterior se representa no troceada). Es de suponer, para mayor duración de baterías, que el regulador troceará a baja velocidad pero no a alta. Pero si en baja velocidad no trocea, podríamos observar algo curioso: un alto par motor a baja velocidad. Si intentamos parar el motor a mano en esta situación, diríamos "Este motor no hay quien lo pare".

Una posibilidad nueva será la marcha atrás. Un ESC convencional necesita más transistores para producirla, pero ahora bastará con invertir la excitación de bobinas: si en la figura la excitación sigue el orden (Q1Q5)(Q1Q6)(Q2Q6)(Q2Q4)(Q3Q4)(Q3Q5)(Q1Q5)... y corresponde a un determinado sentido de marcha, la excitacion (Q1Q5)(Q3Q5)(Q3Q4)(Q2Q4)(Q2Q6)(Q1Q6)(Q1Q5)... implicará el sentido contrario ¡SIN TRANSISTORES ADICIONALES! Una cosa distinta será si esto se implementa o no.

Es de suponer que los nuevos reguladores suministrarán 6V para alimentar receptor y servo de dirección tal como se hace ahora.

Y como última curiosidad, al contrario que los motores actuales, no tendremos la posibilidad de probar los motores sin equipo de radio: será necesario enviar una anchura de pulso al nuevo regulador desde la emisora, o bien desde el programa Emisoro, a no ser que el microprocesador interprete, por ejemplo, un nivel positivo o masa continuo en la señal de control como petición de prueba, y haga girar el motor a baja velocidad.

Webillo Disperso, enero 2001.

La realidad de verdad.

Los motores eléctricos sin colector aún no están permitidos en competiciones de coches eléctricos. Se usan ampliamente en vuelo eléctrico (aviones y helicópteros), y en coches, sobre todo, en escalas 1/16 Todo Terreno y 1/18 Pista (Mini RC), particularmente utilizando baterías LiPo. Suelen utilizarse dos elementos (7.4V).

A partir de 2007, con la generalización y mejora de las baterías LiPo, se popularizan las carreras de coches y motos eléctricos.

Ajustes.

Al igual que un ESC convencional, según se indica en el esquema anterior, el regulador de un motor sin escobillas suministra tensión para alimentar receptor y servo de dirección (6V) a partir de la tensión del paquete de de baterías.

En el regulador de un motor sin escobillas deberemos ajustar:

• Anchura de pulso para velocidad máxima, neutro y frenada máxima.

• Tipo de freno: con o sin marcha atrás. Un freno sin marcha atrás se logra insertando corriente continua en los bobinados, sin variar la excitación de bobinas.

• Intensidad de frenada.

• Arranque brusco o suave.

• Avance de corriente.

• Tensión de corte: se programa la tensión por debajo de la cual se interrumpe la corriente hacia los bobinados, a fin de evitar la sobredescarga del paquete de baterías. Es importante adecuarla al paquete de baterías usado:

  • 4V: para baterías de NiCd o NiMH (puede prescindirse del corte).

  • 6V: para paquetes de LiPo de dos elementos (7.4V), caso común en coches.

  • 9V: para paquetes de LiPo de tres elementos (11.1V).

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Última actualización de esta página 06/06/12