Motores con o sin escobillas en drones - ¿Cuáles son las diferencias?

Rubén Castro, 9 octubre 2022

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Los drones son una maravilla de la ingeniería actual. A pesar de su pequeño tamaño la mecánica detrás del vuelo de estos robots es una maravilla. En este artículo vamos a analizar uno de los componentes más importantes, sus motores. Esta pieza da el control y la potencia a las hélices del dron que permiten que el vehículo aéreo no tripulado vuele. Existen dos tipos principales de motores para drones: los de escobillas (brushed) y los que no tienen escobillas (brushless).

Drones con motor de escobillas

Los robots voladores con motores de escobillas suelen considerarse convencionales y clásicos. Estos motores aparecieron en el mercado hace mucho tiempo y se han convertido en los motores eléctricos estándar.

Estos motores cuentan con un estator y un rotor. Como los nombres infieren, el estator es la parte fija; mientras tanto, el rotor es la parte giratoria.

Cuando se trata de motores con escobillas, un estator fijado con un par de imanes de polaridad opuesta rodea un rotor que está colocado en el centro. Los movimientos de rotación del rotor son accionados por el contacto físico de las escobillas de su conmutador con una fuente de alimentación. El flujo de energía hacia el rotor del motor genera un campo magnético que responde con los imanes del estator.

Cabe destacar que dicha interacción magnética, combinada con el flujo de potencia accionado por el contacto de las escobillas con la fuente de alimentación, provoca un giro del rotor del motor. La ampliación de la alimentación del rotor tiene que ver con la intensidad del campo magnético, que acelera el giro del rotor.

Las escobillas del conmutador tienen que entrar en contacto con la fuente de alimentación es probablemente el mayor inconveniente de esta clase de motores. Como puedes imaginar, el rápido giro del colector crea una gran fricción entre sus escobillas y la fuente de alimentación. Las consecuencias de esta fricción son dobles: además de que produce mucho calor, acelera el deterioro de las piezas de un motor con escobillas durante su uso.

La fricción provocada por el contacto constante implique que la esperanza de vida de los motores con escobillas de tu dron sea limitada. Los motores con escobillas requieren mucho mantenimiento y deben ser reemplazados mucho antes que los motores sin escobillas. El contacto constante de las escobillas con la fuente de alimentación también hace que los motores sean mucho más ruidosos en comparación con la opción sin escobillas.

Eso no es todo; otro inconveniente que numerosos usuarios descuidan cuando ponen en comparación los drones con motor sin escobillas y con escobillas es la ineficiencia del motor con escobillas. Por si no lo sabe, el calor que se crea en el motor por el contacto constante implica que una mucha de la energía que da la batería del UAV no se utiliza para nada. En lugar de ser transferida a movimientos de rotación en las hélices del dron, la energía se dispersa en forma de calor.

A pesar de los numerosos inconvenientes de estos motores, se utilizan intensamente debido a que los motores con escobillas son mucho menos costosos. Por eso, en el mundo de los vehículos drones, los motores con escobillas suelen encontrarse en productos de bajo coste. Estos no están pensados para permanecer en el aire durante más que unos minutos.

Drones con motor sin escobillas

Los motores sin escobillas se desarrollaron por primera vez hace unos 60 años como una opción más eficiente a los motores con escobillas. Los cambios en la construcción de estos motores fueron bastante notables. En lugar de un rotor situado en el centro, los motores sin escobillas vienen con un estator situado en el centro rodeado por un rotor fijado con imanes permanentes.

El estator del motor sin escobillas está equipado para producir su propio campo magnético, ya que está construido a partir de unos conjuntos de bobinas de potencia. Al proporcionar un flujo de energía a dichas bobinas, el estator crea un campo magnético con la interacción con los imanes del rotor que lo rodea y conduce a su giro. Al dirigir el flujo de energía que reciben las bobinas de potencia del estator, se puede controlar el ritmo de giro del motor sin escobillas de tu dron.

Una de las ventajas de los motores sin escobillas es que no hay ningún contacto entre las partes pivotantes y las fijas. Como no hay fricción, se pierde mucha menos energía en forma de calor, lo que hace que el funcionamiento sea mucho más eficaz. Por ejemplo, los motores con escobillas son capaces alcanzar como máximo un ochenta por ciento de eficiencia; mientras que los motores sin escobillas pueden alcanzar hasta un noventa por ciento de eficiencia.

Al no producirse calor, los motores sin escobillas de tu dron podrán trabajar durante mucho tiempo sin amenaza de sobrecalentamiento. Esto es especialmente importante para los vehículos aéreos no tripulados de nivel profesional que están destinados a permanecer en el aire sin cesar durante más de media hora.

La ausencia de contacto entre las partes móviles del motor sin escobillas también implica que hay mucho menos desgaste y se genera mucho menos ruido.

Hoy en día, casi todos los drones de uso profesional utilizan motores sin escobillas. No sólo son más fiables y eficaces, sino también más ligeros y de menor tamaño. Su mayor eficiencia implica además que los drones pueden permanecer en el aire durante un tiempo mayor para las mismas baterías.

El principal inconveniente es el precio, bastante superior a los motores sin escobillas. Además de eso, el control de la velocidad del motor con poca carga o velocidad también es más complicado.

Cómo elegir motores para un dron

La relación entre el peso y el empuje

La relación entre el peso y el empuje es uno de los principales atributos en los que debes pensar al elegir un motor para UAV.

Para resumir esta idea, la relación de 1 es suficiente para que un UAV se mantenga en el aire, aunque a una altura extremadamente baja. Para que el robot aumente cualquier elevación, pedirá que la relación sea mayor a 1. Además, si queremos realizar giros sin que el dron baje, la relación debe ser cercana a 1,3… Por tanto, ya vemos que un dron debe tener una relación entre el peso y el empuje cercana a 2:1.

Como los drones normales tienen 4 motores, esto implica que cada motor tiene que tener la opción de ayudar con la mitad del peso del dron.

Los drones de carreras llegan a tener relaciones tan altas como 8.

Los kV y el tamaño del motor

El tamaño de un motor de UAV sin escobillas depende de la altura y la anchura de su estator, situado en el centro. Se habla de un número estándar de cuatro dígitos que los dos primeros demuestran la anchura del estator; mientras que los últimos dígitos señalan su altura. Las dos medidas se muestran en milímetros.

En general, los estatores más altos están equipados para lograr mayores RPM (revoluciones por minuto), produciendo así una mayor potencia.

En el caso de los estatores más anchos, generan un par más alto incluso en las RPM que no son lo suficientemente altas.

En contraste con los estatores más anchos, los estatores más altos vienen con imanes más grandes y serán capaces de crear un campo magnético más conectado a tierra.

¿Existe alguna otra forma de representar el rendimiento del motor del UAV? Sí, la hay. También es por medio de la clasificación de kV. La clasificación de kV del motor muestra el número de RPM cada minuto que el motor puede alcanzar en caso de que no haya ninguna carga en él y se le aplique precisamente un voltaje. Normalmente, poner una carga al motor, por ejemplo, una hélice, disminuirá la cantidad de RPM que el motor del dron puede alcanzar debido al peso adicional, la resistencia del aire y la inercia.

Al elegir el motor más adecuado para tu UAV, debes pensar en dos cosas: el tamaño del chasis del robot y el tamaño de las hélices existentes. La mayoría de las veces, los robots voladores cuyas hélices y bastidores son de menor tamaño funcionan mejor con motores de menor tamaño con capacidad para alcanzar mayores RPM. Por otro lado, los robots más grandes con hélices más anchas tienden a funcionar mejor con motores más grandes que pueden producir un alto par a bajas RPM.

Ten en cuenta que un motor que gira a altas RPM no suele ser tan eficiente. Esto implica que en el caso de que desees volar tu dron en un tiempo prolongado, debes conformarte con un motor con alto par y bajas RPM.

Los de alto par motor son además más sensibles, posiblemente importante para los UAV de carreras que deben tener la opción de cambiar de rumbo casi de forma intermedia. Pero sea como fuere, los motores de drones con alto par mostrarán, en general, más oscilación incontrolada, lo que hace que no sean buenos para mantener un hover estable.

Cómo de eficiente es el motor de tu dron

Esto se caracteriza por la relación entre el empuje producido y la cantidad de energía que su motor consume, comúnmente mostrada en g/w (abreviatura de gramos por vatio). Ten en cuenta que un motor no tiene un único valor de eficiencia, ya que su eficiencia difiere en función del grado de aceleración.

Hay algunos motores que funcionan de forma más productiva cerca del 100% del acelerador; mientras tanto, otros son propensos a alcanzar la máxima eficiencia a grados más bajos del acelerador.

Además, muchos motores de vehículos aéreos no tripulados tienen curvas de aceleración que describen su comportamiento de eficiencia. En este sentido, la elección del motor más adecuado depende de la forma en la que vayas a volar tu robot.